8路巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

電子電路實(shí)驗(yàn) 3 綜合設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告題目：8 路巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：成績(jī)：日期： 摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、系統(tǒng)化已成為發(fā)展趨勢(shì)，而這些高性能的設(shè)備幾乎都要通過(guò)電子電路實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，溫度作為與我們生活息息相關(guān)的一個(gè)環(huán)境參數(shù)，對(duì)其的測(cè)量和研究也變得極為重要。本實(shí)驗(yàn)基于數(shù)字，模擬電子電路相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)了8路溫度巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括555時(shí)鐘電路、計(jì)數(shù)與譯碼顯示電路、撥碼開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)選擇電路、蜂鳴報(bào)警電路等模塊。各模塊焊接前均用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真。8路通道用8個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)的模擬，該系統(tǒng)能對(duì)多個(gè)通道的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡回檢測(cè)，當(dāng)某一通道發(fā)生故障（既撥動(dòng)對(duì)應(yīng)通道的開(kāi)關(guān)）時(shí)，由檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并顯示發(fā)生故障的通道號(hào)，故障排除后，系統(tǒng)可繼續(xù)進(jìn)行巡回檢測(cè)。目 錄目 錄31 設(shè)計(jì)任務(wù)41.1 設(shè)計(jì)選題41.2 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 42 方案設(shè)計(jì)與論證 52.1 方案一52.2 方案二63 單元電路的選定和設(shè)計(jì)73.1撥碼開(kāi)關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路 73.2循環(huán)計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路 93.3時(shí)鐘發(fā)生電路93.4窗口電壓比較器電路.113.5溫度傳感器電路.124 裝配與調(diào)試 .144.1裝配注意事項(xiàng) .144.2測(cè)試儀器 .154.3撥碼開(kāi)關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路的測(cè)試.154.4循環(huán)計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路的測(cè)試 .164.5時(shí)鐘發(fā)生電路的測(cè)試.174.6窗口電壓比較器電路的測(cè)試 .174.7溫度傳感器電路的測(cè)試 205 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 215.1完成情況 215.2問(wèn)題及對(duì)策 215.3收獲與體會(huì) 226 參考文獻(xiàn)227 附錄22附錄 1 系統(tǒng)電路圖 22附錄 2 元器件清單24附錄 3 實(shí)物照片25附錄 4 實(shí)驗(yàn)日志 261.設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)選題 8路巡回檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)8路巡回溫度狀態(tài)檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)，能夠?qū)?個(gè)測(cè)試區(qū)域的溫度狀態(tài)是否正常進(jìn)行巡回檢測(cè)；當(dāng)某一測(cè)試區(qū)域的溫度超過(guò)正常范圍時(shí)，由巡回檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并顯示第幾個(gè)測(cè)試區(qū)域出現(xiàn)故障。1.基本要求： （1）實(shí)現(xiàn)一個(gè)8通道狀態(tài)巡回檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在正常狀態(tài)下輸入低電平，而高電平輸入表示出現(xiàn)故障。（2）巡回檢測(cè)周期要求不超過(guò)8秒。（3）當(dāng)某一個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，停止檢測(cè)，并且發(fā)出報(bào)警和顯示故障通道的序號(hào)。（4）電壓比較器：可設(shè)定上、下限電壓報(bào)警值；當(dāng)鉑熱電阻傳感器調(diào)節(jié)電路輸出電壓超過(guò)上、下限值時(shí)，輸出低電平。（5）利用鉑熱電阻Pt100完成溫度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)溫度量轉(zhuǎn)換為直流電壓，并要求溫度變化20度時(shí)，檢測(cè)電路輸出的電壓變化不小于1V。2、擴(kuò)展要求：利用濕度傳感器CM-R實(shí)現(xiàn)濕度狀態(tài)測(cè)量。2 方案設(shè)計(jì)與論證2.1 方案一基本要求部分，用八個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，模擬八路通道工作狀態(tài)，閉合撥碼開(kāi)關(guān) 時(shí)，74LS151 對(duì)應(yīng)輸入端輸入低電平，W輸出高電平，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，蜂鳴器響，74LS151 芯片 Y 端口輸出為低電平，計(jì)數(shù)器 74LS160 停止計(jì)數(shù)，QA，QB,QC 輸出數(shù)據(jù)保持為出現(xiàn)故障的二進(jìn)制碼，通過(guò)譯碼器得到數(shù)據(jù)在共陽(yáng)數(shù)碼管上顯示的是一個(gè)不變的值。利用 555 震蕩電路產(chǎn)生 10Hz 的計(jì)數(shù)脈沖，用于 74ls160 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)工作，滿(mǎn)足檢測(cè)周期不超過(guò)八秒的要求。當(dāng)數(shù)據(jù)控制端處于高電平時(shí)，74ls160 開(kāi)始計(jì)數(shù)，通過(guò) QA，QB，QC，QD，輸出 bcd 碼到 74ls47 和 74ls151 的 A,B.C 端口。計(jì)數(shù)器一直在 07 循環(huán)，出現(xiàn) 7 的時(shí)候，計(jì)數(shù)器 74ls160 芯片 QA， QB,QC,QD 分別顯示 1,1,1,0，接下來(lái)出現(xiàn) 8 的時(shí)候 ，QA,QB,QC,QD 顯示 0,0,0,0，通過(guò)反相器輸出一個(gè)低電平，計(jì)數(shù)清零。譯碼器電路，采用 74ls47d 譯碼輸出，通過(guò)數(shù)碼管顯示掃描結(jié)果，當(dāng)無(wú)故障時(shí)，數(shù)碼管一次顯示 07 的數(shù)字，當(dāng)某一路出現(xiàn)故障時(shí)，停止巡回檢測(cè)，數(shù)碼管時(shí)鐘顯示這一路對(duì)應(yīng)數(shù)碼。采用 電壓比較器設(shè)定上、下限電壓報(bào)警值；當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)設(shè)定上、下限值時(shí)，輸出低電平，蜂鳴器報(bào)響。系統(tǒng)方框圖如圖 2.1 所示。 圖2.1系統(tǒng)方框圖2.2方案二 采用帶有中斷控制器的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用軟件定時(shí)來(lái)對(duì)八個(gè)通道逐次掃描和驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。利用中斷系統(tǒng)捕捉下降沿電平，當(dāng)通道由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，單片機(jī)捕捉到下降沿，停止掃描，同時(shí)讓數(shù)碼管顯示該通道和驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。由于本題目有八路通道，故需要用到八路外部中斷，因此需要采用較為高端的單片機(jī)，如STM32系列。 方案二電路簡(jiǎn)單，只需要單片機(jī)最小系統(tǒng)和一個(gè)數(shù)碼管即可。但是編寫(xiě)軟件的難度較大而且成本較高，電路板不適合自己動(dòng)手焊接。 綜上所述，從實(shí)驗(yàn)的要求，方案的難易程度以及方案是否易于實(shí)施的角度考慮，采用方案一，此方案滿(mǎn)足本選題的技術(shù)指標(biāo)要求，難度較低，只涉及硬件電路部分，對(duì)于軟件部分不做要求，易于實(shí)現(xiàn)。 3 單元電路的選定和設(shè)計(jì)3.1 撥碼開(kāi)關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路 圖3.1 撥碼開(kāi)關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路 如圖3.1所示，撥碼開(kāi)關(guān)一端與相接，另一端接數(shù)據(jù)選擇器的通道引腳。若撥碼開(kāi)關(guān)閉合，則該通道被認(rèn)為接低電平，若斷開(kāi)，則該通道被認(rèn)為接高電平。 數(shù)據(jù)選擇器選用八選一芯片74LS151，通過(guò)控制地址端從而確定哪一路被選通，選通的那一路從Y端輸出，W端輸出與其相反。 由于高電平為正常，低電平為異常。在正常情況下蜂鳴器應(yīng)該不響。故蜂鳴器應(yīng)接到W端，一旦被選通的通道為低電平，W端輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響，發(fā)出警報(bào)。 TTL器件輸入引腳懸空即為高電平，但實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)其高電平與5V差的較大，故需要接上拉電阻，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)上拉電阻一般取值為1K10K,這里取1K,三極管實(shí)際選用9013，偏置電阻取1K。地址選擇為100，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，W端輸出低電平，蜂鳴器不響。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，W端輸出高電平，蜂鳴器響。仿真如下圖所示：3.2 循環(huán)計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路 圖3.2循環(huán)計(jì)數(shù)和譯碼顯示電路如圖3.2所示，在時(shí)鐘信號(hào)作用下，當(dāng)數(shù)據(jù)控制端ENP處于高電平時(shí)，74LS160開(kāi)始計(jì)數(shù)，QA,QB,QC,QD輸出BCD碼到74LS47的A,B,C,D端，數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前檢測(cè)的通道號(hào)。計(jì)數(shù)到8時(shí)對(duì)應(yīng)1000，QD端輸出高電平，通過(guò)反相器74LS04輸出一個(gè)低電平給74LS160的CLR端，計(jì)數(shù)清0，從0開(kāi)始重新計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)0-7的循環(huán)八進(jìn)制計(jì)數(shù)。采用74ls47驅(qū)動(dòng)顯示譯碼電路，顯示部分使用的是共陽(yáng)數(shù)碼管，74ls47的AG輸出端分別對(duì)應(yīng)接數(shù)碼管的ag,，通過(guò)上拉電阻對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行分壓限流。LED數(shù)碼顯示模塊的工作電壓為1.66V，工作電流為10mA。上拉電阻阻值計(jì)算為：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的電阻，選用R=330歐。3.3 時(shí)鐘發(fā)生電路 采用NE555接成多諧振蕩器，RST為高電平時(shí)電路正常工作，DIS端為555芯片內(nèi)部三極管的集電極，其中電容的充放電利用二極管使其相互分開(kāi)，并令這兩條回路的充放電時(shí)間常數(shù)相同，以便使所形成的波形為占空比為50%的方波，當(dāng)輸出為高時(shí)，DIS端電壓被拉至0V，電容C1通過(guò)D2，R2放電，當(dāng)輸出低電平時(shí)，VCC通過(guò)R1，D1給C1充電。 充電時(shí)間： 放電時(shí)間： 振蕩周期：故取：C1=0.1uF，C2=0.01uF，電路及仿真波形如下圖所示 圖3.3.1時(shí)鐘發(fā)生電路 圖3.3.2仿真波形3.4 窗口電壓比較器電路窗口電壓比較器有兩個(gè)閾值，實(shí)驗(yàn)要求超過(guò)其上下限時(shí)輸出低電平，所以用兩片運(yùn)算發(fā)大器接成具有不同閾值的電壓比較器即可，這里的運(yùn)算發(fā)大器采用的是LM324，由于閾值的上下限可調(diào)所以用滑動(dòng)變阻器構(gòu)成的分壓器電路。上限電壓：下限電壓：取輸入低于下限電壓2V時(shí)輸入高于上限電壓3V時(shí)3.5 溫度傳感器電路 采用R1,R2,R3,Pt100構(gòu)成單臂測(cè)量電橋，當(dāng)Pt100電阻與R1,R2,R3不同時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)U1，U1，經(jīng)過(guò)運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓U2，電路中R7=R6,R1=R4,放大倍數(shù)=R6/R1，運(yùn)放采用單一5V供電。Pt100隨溫度變化阻值發(fā)生改變后，U2大小正負(fù)也隨之改變，因此，采用雙LM324，可保證Pt100R,Pt100R時(shí)輸出為高電平,Pt100=R時(shí)輸出為低電平。該輸出電平的高低區(qū)分不明顯，串聯(lián)接入兩個(gè)反相器。經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室溫度下pt100阻值為107歐姆，故選取電橋電阻R=110歐姆。放大倍數(shù):電橋輸出電壓：電路如下圖所示：Pt100R時(shí)4 裝配與調(diào)試過(guò)程4.1 裝配注意事項(xiàng)1、注意電路布局；2、盡量少用跳線；4.2 測(cè)試儀器（1）萬(wàn)用表；（2）直流穩(wěn)壓電源：EM1712 DC； （3）信號(hào)源： (4)示波器：TDS3502B 500MHz4.3 撥碼開(kāi)關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路的測(cè)試在電路上電的情況下，擬給數(shù)據(jù)選擇器一個(gè)地址輸入，選通相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道，然后測(cè)量輸出端Y的電平狀態(tài)是否與該通道的輸入電平狀態(tài)一致，若輸入為高電平，蜂鳴器應(yīng)該響起警報(bào)聲，低電平時(shí)不響，只有滿(mǎn)足上述條件才認(rèn)為該部分電路設(shè)計(jì)正確。具體的實(shí)物電路如圖4.1所示。數(shù)據(jù)選擇器檢測(cè)采用先設(shè)置74LS151的地址輸入，即選定一個(gè)數(shù)據(jù)輸入通道，然后檢測(cè)的是輸出端Y的電平是否隨著該數(shù)據(jù)輸入通道的電平變化而變化。具體過(guò)程如下：1、如圖4.3.1（左圖）所示，設(shè)置74LS151的地址輸入為100（紅線接地，TTL懸空為高電平），即選通的數(shù)據(jù)通道為D4；。 2、從4.3.1中可以看出，輸出端W的電壓為0.20V，可認(rèn)為低電平，與Y端輸出相反。 3、從圖4.3.2（右圖）可得，W端電壓為4.43V，可認(rèn)為是高電平，Y端為低電平，此時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警時(shí)，滿(mǎn)足輸入為高電平時(shí)報(bào)警的條件。對(duì)于其余7路通道的檢測(cè)，方法亦如此，只有改變輸入地址即可。最終檢測(cè)結(jié)果是該部分電路滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。4.4 循環(huán)計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路的測(cè)試74LS160的是時(shí)鐘輸入可以用信號(hào)發(fā)生器的方波替代，給電路上電，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘信號(hào)的作用下開(kāi)始循環(huán)記數(shù)，并將計(jì)數(shù)狀態(tài)送給7447進(jìn)行譯碼，結(jié)果在數(shù)碼管上顯示。將計(jì)數(shù)器的ENP端接成高電平，觀察數(shù)碼管是否循環(huán)顯示，測(cè)試結(jié)果如下： 圖4.4.1 圖4.4.2 圖4.4.3圖4.4.1中顯示為數(shù)字6，可以看到數(shù)碼管有兩處不能正常顯示，圖4.4.2中的數(shù)字0亦如此，但不影響其正常功能，我們依舊可以觀察到數(shù)碼管07的數(shù)字顯示，所以，此單元測(cè)試符合要求。4.5 時(shí)鐘發(fā)生電路的測(cè)試555時(shí)鐘電路接入電源后，用示波器觀察能顯示出占空比為50%的方波。實(shí)際555電路輸出波形如圖4.5所示。從圖中可以看出方波頻率f=8.013HZ，經(jīng)計(jì)算，滿(mǎn)足巡回檢測(cè)周期不超過(guò)8s的要求。4.6窗口電壓比較電路的測(cè)試 窗口電壓比較器的測(cè)試方法為：在確保電路已經(jīng)上電的情況下，調(diào)節(jié)電容，使得該電路有兩個(gè)不同的電壓閾值，同時(shí)使輸入電壓從小于下限電壓的值慢慢增大，直到大于上限電壓為止。觀察其輸出端是否滿(mǎn)足“低電平高電平低電平”的變化規(guī)律。上限電壓下限電壓輸入在閾值范圍內(nèi)輸出 輸入在閾值范圍外輸出4.6 溫度傳感器電路的測(cè)試 如下圖左上方 5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)5.1 完成情況5.2 問(wèn)題及對(duì)策5.3 收獲與體會(huì) 本次實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用自己所學(xué)的知識(shí)，獨(dú)立的設(shè)計(jì)、仿真、焊接、調(diào)試電路，熟練了Multisim的應(yīng)用，提高了我的動(dòng)手能力以及分析、排除故障的能力，也讓我更加熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。在焊接過(guò)程中我學(xué)到了很多，焊接前的合理布局，實(shí)驗(yàn)儀器的使用，遇到故障時(shí)的分析排查。實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)故障都是因?yàn)楹附与娐烦鲥e(cuò)或芯片未正常供電導(dǎo)致，所以實(shí)驗(yàn)中，我們必須要細(xì)心，并且出現(xiàn)錯(cuò)誤也不能著急，要靜下心來(lái)逐一排錯(cuò)才行。6 參考文獻(xiàn)1 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第5版) .清華大學(xué)電子學(xué)教研組,高等教育出版社 (2006-05).2 謝紅.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第3版）.哈爾濱工程能大學(xué)出版社（2013-01）. 3 施齊云等.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐教程.哈爾濱工程大學(xué)出版社4 施齊云等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).哈爾濱工程大學(xué)出版社7 附錄附錄一 系統(tǒng)電路圖附錄二 元器件清單8路溫度狀態(tài)巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)元器件清單 元器件數(shù)量萬(wàn)用板18位撥碼開(kāi)關(guān)1共陽(yáng)數(shù)碼管（5101BH）1Pt100熱電阻1蜂鳴器174LS151（8選1數(shù)據(jù)選擇器）174LS160（十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）174LS04（6非門(mén)）174LS47（譯碼器）1NE5551LM3241電容0.01uF1電容0. 1uF1C9013（三極管）11N4148（二極管）420k電位器1DIP163DIP142DIP83110電阻3330電阻71K電阻13510電阻110K電阻23.3K電阻1750K電阻2排針若干杜邦線（帽）若干導(dǎo)線若干焊錫若干附錄三 實(shí)物照片附錄四 實(shí)驗(yàn)日志（一） 8路巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 實(shí)驗(yàn)日志指導(dǎo)教師: 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：學(xué)院: 專(zhuān)業(yè): 班級(jí): 學(xué)號(hào): 姓名: 實(shí)驗(yàn)室: 實(shí)驗(yàn)題目：8 路巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、培養(yǎng)學(xué)生能夠綜合運(yùn)用電子技術(shù)知識(shí)，獨(dú)立設(shè)計(jì)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 一個(gè)多路溫度狀態(tài)巡回檢測(cè)系統(tǒng)2、培養(yǎng)學(xué)生能夠根據(jù)項(xiàng)目需求，獨(dú)立地查閱中英文資料（如電子器件手冊(cè)等有關(guān)資料），并給出設(shè)計(jì)方案、完成設(shè)計(jì)任務(wù)。3、掌握電子設(shè)計(jì)基本過(guò)程與方法，掌握各類(lèi)基本單元的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而利用單元模塊實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握電子系統(tǒng)的基本調(diào)試手段及測(cè)試指標(biāo)。4、提高書(shū)寫(xiě)綜合設(shè)計(jì)性總結(jié)報(bào)告的能力。實(shí)驗(yàn)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)8路溫度狀態(tài)巡回檢測(cè)，能夠?qū)?個(gè)測(cè)試區(qū)域的溫度狀態(tài)是否正常進(jìn)行巡回檢測(cè)；當(dāng)某一測(cè)試區(qū)域的溫度超過(guò)正常范圍時(shí)，由巡回檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并顯示第幾個(gè)測(cè)試區(qū)域出現(xiàn)故障。1、基本要求： （1）實(shí)