数字电子课程设计论文Word格式.docx
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1.2论文题目及要求3
2原理叙述和设计方案3
2.1设计方案选择和论证3
2.2电路的功能框图及其说明4
2.3功能块及单元电路的设计、计算5
2.4总体电路原理图8
3电路的仿真与调试8
3.1电路仿真8
3.2调试中出现的问题及解决方法9
3.3测试数据的记录与分析10
4制作与调试10
4.1PCB版图和元件清单、实物照片10
4.2调试方法和过程、测试结果波形图10
4.3制作与调试过程中遇到的问题及解决办法11
5心得体会11
6参考文献12
水温控制系统
1设计任务、要求以及文献综述
1.1设计课题的重要性及意义
温度控制是无论是在工业生产过程中,还是在日常生活中都起着非常重要的作用,过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用,从而造成水资源的巨大浪费。
特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下,我们更应该掌握好对水温的控制,把身边的水资源好好地利用起来。
由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展,以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国外温度控制系统发展迅速,并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。
在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表,目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。
1.2论文题目及要求
要求设计一个水温控制系统,能正常控制和测量温度范围。
设计要求为:
(1)测温和控温范围:
室温~80℃(实时控制);
(2)控温精度:
±
0.5℃;
(3)控温通道输出为双向晶闸管或继电器,一组转换点为市电(220v,10A)。
2原理叙述和设计方案
2.1设计方案选择和论证
水温控制器的基本组成主要包括温度传感器、K-℃变换、温度设置、数字显示和输出功率等部件。
温度传感器的作用是把温度信号传唤成电流或电压信号,K-℃变换器是将温度K变换成摄氏温度℃。
信号经过放大和刻度标定(0.1/℃)后由三位半数字电压表直接显示温度值,并送入比较器与预先设定好的固定电压(对应控制温度点)进行比较,由比较器输出电平的高低变化来执行机构(如继电器)工作,实现温度的自动控制。
电源
2.2电路的功能框图及其说明
图2.1系统结构框图
2.3功能块及单元电路的设计、计算
图2.2温度传感器及ADC数模转换
图中温度传感器采用了AD590。
AD590适用于150°
C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用,具有低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点,片内薄膜电阻经过激光调整,可用于校准器件,使该器件在298.2K(25°
C)时输出298.2µ
A电流。
输出的电压经过同相比例放大电路,进入ADC数模转换器。
以下是ADC的引脚功能说明:
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
·
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE:
地址锁存允许信号,输入端,高电平有效。
START:
A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换)。
EOC:
A/D转换结束信号,输出端,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入端,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHz。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
单一电源,+5V。
GND:
数字地。
由上述说明可知,要使ADC工作就必须输入脉冲电压,这里的脉冲电压由555计时器产生。
图2.3温度控制装置
由于系统要求有人为的温度输入,及我们希望水的温度大小。
则这里就要设计一个预设值的输入装置,我们通过电位器调节电阻的大小,改变输出电压的大小,并通过数码管显示所设预设值的大小。
因为输入的电压值为模拟量,所以要经过ADC的模数转换。
此模块与图2.2的转换模块一致。
图2.3二—十进制转换及数码显示
因为74LS42D中出来的数值为二进制数,而数码管要求以十进制数显示,所以要通过加入与非门进行二—十进制的转换,再通过CD4511译码器进行译码,最后通过数码管显示温度值。
以下是CD4511和7位数码管的引脚说明
BI:
输出消隐控制端LE:
数据锁定控制端/LT:
灯测试端Ya~Yg:
数据输出端VDD:
电源正VSS:
电源负
图2.4比较电路
放大器的输出电压作为比较器的输入电压,7和11分别为滞回比较电路和一般单限比较电路的输出端。
此时放大器工作在非线性状态,
输出电压只有正或负两种饱和值。
若集成运放的输出电压ou的幅值为OMu±
,则当NPuu>时,OMuu=+0;
则当NPuu<时,OMuu=-0。
如图7所示,通过调节R4和滑动变阻器R5的阻值,可以改变29u的大小,即参考电压的大小。
参考电压生的功能是设定水温范围的上限值。
图2.5加热电路
当低压电源端开关接通后电磁铁由于电流产生磁性,吸住磁铁使高压电源的开关接通,实现了低压控制高压。
继电器选取的是额定电压为12V的常开型型号。
即在无电流通过继电器时,继电器高压端开关打开,加热电路不工作,当有一定的电流通过时,继电器产生磁性使高压端开关闭合,加热电阻是很简单的加热器串联电路,采用家用220V交流电源直接供电。
2.4总体电路原理图
3电路的仿真与调试
3.1电路仿真
如下图,我们把预设值设为63度,假设测得的实际水温为32度,我们可以看到加热模块在工作,指示灯亮着。
图3.1调试电路1
再如下图,当,预设值为25℃,水温为40℃时,我们可以看到,加热装置不工作,水温处于散热状态。
图3.2调试电路2
3.2调试中出现的问题及解决方法
在使用adc转换器与数码管时,我们遇到了数值的不匹配问题,也就是说adc转换器出来的数据是二进制而,数码管却要以十进制数显示。
这其中涉及到了二-十进制的转换,我们通过翻阅与查找相关资料和文献,了解到需要在译码器cd4511前添加诺干个与非门进行进制的转换。
在设计温度传感器时,我们需要把温度信号和电信号进行转换,也就是说为了在数码管上显示正确的温度值,我们必须在电信号输入adc之前进行信号的放大和温度的标定:
0.1v/℃。
就是要求在数码管显示0℃是电压值要为0.256v,并要求之后的电压值按照正确的变化率上升,再这样才能显示正常的温度值。
3.3测试数据的记录与分析
温度
25℃
30
40
50
60
电压
2.98V
3.03V
3.13V
3.23V
3.33V
这里只测试ADC的输入电压,比较器与预设值电压与此原理相同
分析:
其输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准,
每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在室温
25℃时,其输出电流Iout=(273+25)=298μA。
在电流回路中加上电阻10KΩ电阻,将电流信号改为电压信号,就满足了,ADC比较器等元件输入要求。
4制作与调试
4.1PCB版图和元件清单、实物照片
4.2调试方法和过程、测试结果波形图
因本实验无波形图,故此不做回答。
4.3制作与调试过程中遇到的问题及解决办法
在仿真和制版过程中,遇到很多问题,是以前我从没有接触过的,比如说在使用Protel
99
SE软件生成PCB的过程中经常出“Error:
Node
not
found”的错误提示,后来在我的指导老师——覃老师的帮助下,终于弄懂,原来是原理图中的元件引脚名与PCB分装里的名称不一样导致的,改正之后软件就再没有报错了。
5心得体会
从这次的课程设计中,我发现了想要做好一个设计不仅仅是熟悉课本知识点就能做到的,一个好的设计不管从任何方面来说都要求设计人具有很高的专业知识,对自身所学有很大程度上的理解。
只有这样才能将课堂所学的理论知识和实际要求联系起来,做到理论支撑实践,实践反馈理论,具有这样的能力才是国家和社会需要的人才。
而这此次的水温控制系统对于我这样学得一知半解的人来说,想要做好确实是件难事。
但是我还有我的同学,我们一起客服种种难题,这些难题并不是以往在学习上遇到的,你不知道何如解这道题或许看一下答案你就有思路了。
但这次不一样,我们没有答案,我们只有文献,只有参考书,所以当我们遇上管脚不会连接、芯片原理不清楚、设计思路不合理时,我们就会查阅文献,从文献中找到答案。
这样我们就学到了,如何自己动手解决遇到的问题,这对我们以后的社会工作产生了一定积极的影响。
虽然设计只有短短的两周时间,但这两周对我来说却如同一天那样短暂,每天过的都很充实,每天都会有新的任务,每天都要忙的不可开交,也只有这样你才能做好自己的设计。
最后我还发现了一个道理,那就是你心里明明觉得离成功已经很近了,但是就是那一小步你无论如何都迈不出那一小步。
在那一步之前你会遇上很多很多的问题需要解决,当你解决完之后,又会有其他的问题来阻止你迈出那一步。
所以,无论怎样我们都不能掉以轻心,在到成功之前。
6参考文献
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2006.5
[2]阎石.数字电子技术基础.北京:
[3]张莉萍等.电子技术课程设计实用教程.北京:
清华大学出版社,2014
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