电子课程设计.docx
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电子课程设计
信息与电气工程学院
课程设计说明书
（2009/2010学年第二学期）
课程名称：
电子技术课程设计
题目：
温控数显
专业班级：
本部自动化0804班
学生姓名：
仝兴业
学号：
080410416
指导教师：
王华
设计周数：
第十七周、第十八周
设计成绩：
2010年7月7日
课程设计目的
温度是一个与人们生活和生产密切相关的重要物理量。
温度的测量和控制技术应用十分广泛。
在工农业生产和科学研究中，经常需要对某一系统的温度进行测量，并能自动的控制、调节该系统的温度。
本设计采用热敏电阻对温度进行测量和预置，当测量热敏电阻和预置热敏电阻之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流。
测试电路是通过电压比较放大电路来实现温度都的检测，控制电路是通过两个电压比较电路来实现对两个继电器的控制。
工作原理主要是利用热敏电阻把系统的温度通过A\D转换电路将电信号转换成数字信号，并通过与之连接的译码电路中显示出来，在数字显示不同的温度状态时，伴随着不同颜色的发光二极管的点亮。
同时电压信号通过电压比较器与输入电压比较决定输出是高电平或是低电平，进而控制下一个电路单元的工作状态。
调温控制电路中，通过电压比较器的输入输出关系，决定温度的调节。
当测量温度低于预置温度时，电路经过一系列变化接通加热器电源对其进行加热。
当测量到的实际温度升到或超过预置温度时，加热器电源，停止加热，自行降温至预制温度。
设计要求
⑴被测温度和控制温度均可数字显示；
（2）控制温度连续可调，精度1OC。
目录
一、课程设计目的即设计要求·········································2
二、系统总体方案设计···············································4
2.1对温度进行测量和显示········································4
2.2恒温控制····················································4
2.3方案图总体设计··············································4
三、各部分功能模块设计·············································5
方案一
3.1.1测温热敏电阻···········································5
3.1.2预置、测量温度比较放大器·······························5
3.1.3继电器控制加热系统·····································6
3.1.4预置、测量电路系统双向开关·····························6
3.1.5A/D转换器··············································11
3.1.6直流电源···············································13
方案二
3.2CD4066型双向电子开关····································14
四、温控数显材料表·················································15
五、硬件系统的调试·················································16
六、课程设计体会···················································17
附录：
附一：
方案一设计电路原理图
附二：
方案二设计电路原理图
附三：
方案二PCB图
附四：
课程设计评语册
二、系统总体设计方案
2.1对温度进行测量、控制并显示
首先，必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现课题要求。
可采用热敏电阻，将温度转换为相应的电信号，并通过运算放大器放大后经A/D转换器变成数字信号，送入数码显示管进行译码显示。
2.2恒温控制
将需要控制的温度所对应的电压值作为基准电压V1，用实际测量电压值V2与之比较，比较结果（即比较器的输出状态）自动的进行控制调节系统温度。
2.3方框图总体设计
说明：
（1）热敏电阻是对热敏感的半导体电阻。
其阻值随温度变化的曲线呈非线性。
（2）由热敏电阻产生的预置、测量电压通过比较器比较后，其输出信号经放大器放大控制继电器系统工作与否。
（3）有热敏电阻产生的预置、测量电路通过双向电子开关后，预置或测量信号经A/D转换器后转换为数字信号，再经译码后在数码显示管中显示预置或测量温度。
三、各部分功能模块设计
方案一：
3.1.1测温热敏电阻
热敏电阻是对热敏感的半导体电阻。
其阻值随温度变化的曲线呈非线性。
热敏电阻的主要特点是：
①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；
③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；
④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；
⑤稳定性好、过载能力强。
故可以用热敏电阻用于本实验（要求范围0~100℃），应用图例如下：
3.1.2预置、测量温度比较、放大系统
在预置、测量热敏电阻得到得到温度的电信号之后，将预置、测量电信号通过放大器进行比较，将电信号大者输出，其中要求预置电信号有正相输入端输入，测量电信号由反相输入端输入（声明：
电信号的大小可以很好的反映温度的高低），方案图如下：
3.1.3继电器控制加热系统
比较输出的电信号结果有两种，预制温度大于测量的实际温度，或者，测量的实际温度大于预制温度，若高电平输出（即预置温度大于测量温度），此时继电器工作，在220V电压下进行加热，否则继电器不工作，即二极管导通，将继电器短路。
设计方案如下：
3.1.4预置、测量电路系统双向开关
此系统需要完成的任务是：
每按下一次控制电键，该系统控制输出端会输出一个模拟电信号。
如：
若此时双向开关的输出为预制温度电信号，则当按一下控制电键时，双向电子开关系统的输出变为测量温度电信号，再按下控制电键，输出状态再次跳转为预制温度电信号。
此系统的完成我通过D触发器和74LS151集成选择起来完成。
下面先介绍这两个集成器件的功能及实现方式：
一、集成D触发器
1.、D触发器的功能分析
在时钟作用时，D触发器状态的变化仅取决于输入信号D，而与现态无关。
其次态方程为
Q（n+1）=D
D触发器的逻辑功能可用表所示的功能表描述。
上述D触发器在时钟作用期间要求输入信号D不能发生变化，即依然存在“空翻”现象。
工作波形如下：
2、集成D触发器（74系列）
引出端符号
1CP、2CP时钟输入端
1D、2D数据输入端
1Q、2Q、1
、2
输出端
CLR1、CLR2
直接复位端（低电平有效）
PR1、PR2直接置位端（低电平有效）
逻辑图
功能表
二、集成74LS151数据选择器
数据选择是指通过选择，把多个通道的数据传送到唯一的公共数据通道上去。
其示意图如下：
（n位通道选择信号）
74LS151是一种典型的集成电路数据选择器，它有3个地址输入端CBA，可选择D0~D7共8个数据源，具有两个互补输出端，同相输出端Y和反向输出端W。
其管脚图如下所示：
引出脚符号：
A、B、C选择输入端
D0~D7数据输入端
STROBE选通输入端（低电平有效）
W反码数据输出端
Y数据输出端
下面列出74LS151的功能表
H=高电平
L=低电平
X=任意
D0~D7=D端对应的电平
三、电子双向开关的构成
利用集成D触发器和集成74LS151数据选择器构成，基本原理如下：
图1
如图1所示，首先将集成D触发器GND接地，然后
接入D，将脉冲开关信号输入端接入CP输入端，R、S均使能端有效，再将Q输出端接入集成74LS151的A输入端，对于74LS151，我们要求其另两个选择输入端B、C均接地，数据输入端D2~D7也均接地，GND接地，而将D0作为测量温度电信号的输入端，D1作为预制温度电信号的输入端，Y作为此双向开关的输出状态。
在上述的连接情况下，假设初始状态下Q输出为0，则
=1，对于74LS151，其选择输入为000，Y输出信号为D0输入信号，即测量的实际系统的温度；
当控制电键按下时D=
，D触发器触发，使得Q=D=1，
=0，此时74LS151选择输入端为001，选通D1，Y输出为D1，即预制温度电信号。
如此重复，即可在按下电键时选通预置、测量二者之一输出的目的。
3.1.5A/D转换器
A/D转换器是将模拟信号转换位数字信号，以方便进行数字显示，比较直观的进行温度检测。
在此实验中我们选用LCL7107型号的A/D转换器。
ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器电路，它包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。
ICL7107可以直接驱动发光二极管（LED）。
ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10V的自动校零功能，零漂小于1V/C，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。
真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。
在用于测量负载单元、压力规管和其他桥式传感器时会有更突出的优点。
只要用十个左右的无源元件和一个LCD屏就可以与ICL7107构成一个高性能的仪表面板，实现了低成本和单电源工作。
ICL7107的功能组成可以分为一下几个部分：
1模拟部分
ICL7107的模拟部分如图2所示的每个测量周期分为三个阶段，他们分别为1）自动校零阶段（A~Z）；2）信号积分阶段（INT）和3）反向积分阶段（DE）。
2、自动校零阶段；3信号积分阶段；4反向积分阶段；5差动输入；6差动参考源；7模拟公共端；；8测试管脚；9数字部分
图2
ICL7107和ICL7106的管教图如下图3所示：
图3
ICL7107的典型应用与测试电路如下：
（各引脚外接电阻、电容及其数值如图）
图4ICL7107测试线路和典型应用线路（200mV满量程）
3.1.6直流电源
直流电源，是维持电路中形成稳恒电流的装置。
对于本实验，系统的各个元器件（如：
74LS151，集成D触发器，A/D转换器等）都需要直流电源为其提供电能，在次试验中我们要求的是幅值为6V的电源，即电源要求的取值电压为-6V和6V两个。
我们所得到的电源主要经过降压、整流、滤波、稳压、输出几个部分。
降压主要通过变压器来完成（将220V交流电压将为幅值为6V的小交流电源），整流则需要整流桥来完成，滤波要有电容电阻并联完成，进行滤波后既得到我的所需要的输出直流电为了得到我的所需要的输出电压值或稳流电流值，我们还需要对输出的电压值和电流值进行取样检测并将其传送到控制/保护电路，控制/保护电路将检测到的输出电压值钱和电流值与电压/电流设定电路所设定的值进行比较分析后驱动预稳压电路和大功率调整管使直流稳压电源能输出我们所设定的电压和电流值，同时当控制/保护电路检测到异常的电压或电流值等情况下将启动保护电路使直流电源进入保护状态。
稳压电路是对所要的输出电压进行初步稳压,其目的是降低大功率调整管的输入与输出之间的管压降，减少大功率调整管的功耗，提高直流电源的工作效率，稳压部分我们主要用到稳压管（7806和7906两种，经7806稳压后输出电压为+6伏，经7906稳压后的输出电压为-6伏）。
我们设计的直流电压源如下图所示：
图5直流电压源（其中V+为+6V，V-为-6V）
方案一的总体设计电路原理图如附录一所示
方案二
方案二与方案一得总体布局相同，使用器件方面也基本相同，除电子双向开关之外其他系统期间基本相同，方案二中的电子双向开关不再使用集成D触发器和74LS151的组合，而是集成D触发器和CD4066的组合控制选择信号的通过。
3.2CD4066型电子双向开关
集成D触发器的使用方式相同，这里进介绍CD4066的用法以及其接入后的电路实现方式：
CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输，应用电路原理图如图6所示，预置电信号和测量电信号分别由1脚和3脚输入到CD4066，我们可以看到该CD4066是高电平有效，即只有控制使能端13脚或5脚为高电平输入时，预置或测量的电信号才会被选择通过，作为该双向电子开关的输出电信号。
该系统同时也选用了集成D触发器作为选通两个CD4066的选通开关，该方案双向选通输出信号的转换具体实现方式如下：
图6集成D触发器和CD4066组合而成的双向电子开关
集成D触发器的输出Q与
是两个不同的输出状态，若Q=1，则
=0，反之亦然，此系统利用了二者的这一特点使得两个CD4066在不同的时刻被选通，若Q=1，则预置端被选通，发光二极管L2（黄色）点亮，若
=1，则测量端被选通，发光二极管L1（绿色）点亮，Q与
的状态可以通过电建的闭合来控制，由此即实现了预置、测量的选通显示。
四、温控数显材料表
温控数显材料表
材料名称
器件型号
每组数量
A/D转换器
LM7107
1个
二极管
4148
2个
数码管
共阳极
3个
电位器
WR-10K
2个
电位器
1K
1个
电子开关
CD4066
2个
发光二极管
红
2个
发光二极管
黄
2个
发光二极管
绿
2个
D触发器
CD4013
1个
电容
0.22
1个
电容
0.01
1个
电容
0.47
1个
电容
100P
1个
电容
0.1uF
1个
电容
10uF
3个
电阻
10K
10个
电阻
47K
2个
电阻
1M
2个
电阻
2K
6个
电阻
1K
10个
电阻
100
2个
电阻
100K
2个
集成插座
DIP14
4个
集成插座
DIP40
1个
运放
LM324
1个
按键
1个
五、硬件系统的调试
1、首先是焊接的顺序问题。
当初板子经过腐蚀、打孔之后，我们先将集成插座和数码管焊接上，然后才焊接的电阻、电容，但是当我们在焊接飞线时发现，很多的插孔呗集成器件挡住，很难找到并将飞线引脚插入，所以说焊接的书按需很重要，应该是按功能划分的期间进行焊接，这样不但焊接起来方便，不必考虑因各引脚的接触而短接的问题，而其还有利于调试，有利于找到问题所在。
2、如果在调试按功能划分的器件上出现问题，可以按照以下步骤进行：
1）检查原理图连接是否正确
2）检查原理图与PCB图是否一致
3）检查原理图与器件的DATASHEET上的引脚是否一致
4）用万用表检查是否有虚焊、引脚短路现象
5）查询资料，确定器件的DATASHEET，分析时序是否出错
6）飞线。
用别的口线进行控制，看看能不能对其进行正常操作，多试验，才能找出问题所在
3、由于最初的我们组成员都未曾接受过元器件的焊接指导，所以焊接时出现了虚焊和出现毛刺的现象，这样对电路是不好的，所以几乎每一个引脚我们都要用上不少时间来使得引脚不虚焊、不与其他线路接触，很是费力，但是随着焊接的次数的增多，组员渐渐的摸到些门道，焊接也就不同层次的有了进步，为以后的调试争取了时间。
4、在确定元器件无损坏，电源无故障的前提下进行调试，基本按照原理图检查完毕，确定无遗漏器件，无元器件焊接错误后再进行调试。
六、课程设计体会
在指导老师王华老师的指导帮助下，组员之间互相帮助，相互协作，认真对待每一个任务，最终完美的完成了本次温控数显的课程设计，所以首先对指导老师和其他组员表示感谢。
通过这次制作，我更加意识到了实践的重要性，让我认识到了实践是检验真理的唯一标准的道理。
在实际制作过程中，设计电路图、学习电焊、各个元件的合理布置、对故障的分析和排除以及电路的调试，都需要付出努力，要求较强的动手能力。
同时，它培养了通过思考解决问题的能力，使得我对科学实践有了更深的认识。
另外，以前对自己学的专业了解的仅仅是一个概念，或者是说是一个框架，没有任何实在的内容。
通过这次课程设计了解到了网络、信息和电气设备基本工作情况。
也对自己在数字和模拟电子方面的能力有了更客观的评价，在这次设计过程中，从最基本的查元件，找资料做起，了解了完整的电子设计的一般步骤，也和同学们共同探讨研究，学到了很多课堂上学不到的东西，也遇到了各种各样从没想过的问题，并认真的解决了它们，这些知识为我今后的学习奠定了基础，激发了我继续学习的和探索真知的热情。
参考文献：
1、《新型电子通用单元电路》孙余凯吴鸣山等编著电子工业出版社出版2008年
2、《电子电路实验与课程设计》钱培怡杨柏林编地震出版社2002年
3、《电子元器件应用实践》胡斌编著电子工业出版社2009年
4、《电子技术基础-模拟部分》康华光陈大钦编著高等教育出版社2005年
5、《电子技术基础-数字部分》康华光陈大钦编著高等教育出版社2005年
6、《电子系统设计》，何小艇等编，浙江大学出版社，2000年
7．豆丁网
附一：
方案一电路原理图
附二：
方案二电路原理图
附三：
方案二PCB原理图
注：
温控数显部分
注：
直流电源部分
附四：
课程设计评语册
课程设计
评语
课程设计
成绩
指导教师
（签字）
年月日
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