8路巡回检测报警系统的设计与实现.docx
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8路巡回检测报警系统的设计与实现
电子电路实验3综合设计总结报告
题目:
8路巡回检测、报警系统的设
计与实现
班级:
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姓名:
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日期:
摘要
随着电子技术的发展,家用电器与办公设备的智能化、系统化已成为发展趋势,而这些高性能的设备几乎都要通过电子电路实现。
同时,温度作为与我们生活息息相关的一个环境参数,对其的测量与研究也变得极为重要。
本实验基于数字,模拟电子电路相关知识实现了8路温度巡回检测、报警系统。
此系统包括555时钟电路、计数与译码显示电路、拨码开关与数据选择电路、蜂鸣报警电路等模块。
各模块焊接前均用Multisim软件对电路进行了仿真。
8路通道用8个拨码开关实现对工作状态的模拟,该系统能对多个通道的运行状态进行巡回检测,当某一通道发生故障(既拨动对应通道的开关)时,由检测系统发出报警并显示发生故障的通道号,故障排除后,系统可继续进行巡回检测。
目录3
1设计任务4
1、1设计选题4
1、2设计任务要求4
2方案设计与论证5
2、1方案一5
2、2方案二6
3单元电路的选定与设计7
3、1拨码开关电路、数据选择器与蜂鸣报警电路7
3、2循环计数器与译码显示电路9
3、3时钟发生电路9
3、4窗口电压比较器电路、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、11
3、5温度传感器电路、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、12
4装配与调试、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、14
4、1装配注意事项、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、14
4、2测试仪器、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、15
4、3拨码开关电路、数据选择器与蜂鸣报警电路的测试、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、15
4、4循环计数器、译码显示电路的测试、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、16
4、5时钟发生电路的测试、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、17
4、6窗口电压比较器电路的测试、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、17
4、7温度传感器电路的测试20
5实验总结21
5、1完成情况21
5、2问题及对策21
5、3收获与体会22
6参考文献22
7附录22
附录1系统电路图22
附录2元器件清单24附录3实物照片25
附录4实验日志26
1、设计任务
1、1设计选题
8路巡回检测报警系统的设计与实现
1、2设计任务要求
设计一个8路巡回温度状态检测、报警系统,能够对8个测试区域的温度状态就是否正常进行巡回检测;当某一测试区域的温度超过正常范围时,由巡回检测系统发出报警并显示第几个测试区域出现故障。
1、基本要求:
(1)实现一个8通道状态巡回检测系统,该系统在正常状态下输入低电平,而高电平输入表示出现故障。
(2)巡回检测周期要求不超过8秒。
(3)当某一个通道出现故障时,停止检测,并且发出报警与显示故障通道的序号。
(4)电压比较器:
可设定上、下限电压报警值;当铂热电阻传感器调节电路输出电压超过上、下限值时,输出低电平。
(5)利用铂热电阻Pt100完成温度检测,实现温度量转换为直流电压,并要求温度变化20度时,检测电路输出的电压变化不小于1V。
2、扩展要求:
利用湿度传感器CM-R实现湿度状态测量。
2方案设计与论证
2、1方案一
基本要求部分,用八个拨码开关,模拟八路通道工作状态,闭合拨码开关时,74LS151对应输入端输入低电平,W输出高电平,驱动数码管,蜂鸣器响,74LS151芯片Y端口输出为低电平,计数器74LS160停止计数,QA,QB,QC输出数据保持为出现故障的二进制码,通过译码器得到数据在共阳数码管上显示的就是一个不变的值。
利用555震荡电路产生10Hz的计数脉冲,用于74ls160计数器计数工作,满足检测周期不超过八秒的要求。
当数据控制端处于高电平时,74ls160开始计数,通过QA,QB,QC,QD,输出bcd码到74ls47与74ls151的A,B、C端口。
计数器一直在0~7循环,出现7的时候,计数器74ls160芯片QA,QB,QC,QD分别显示1,1,1,0,接下来出现8的时候,QA,QB,QC,QD显示0,0,0,0,通过反相器输出一个低电平,计数清零。
译码器电路,采用74ls47d译码输出,通过数码管显示扫描结果,当无故障时,数码管一次显示0~7的数字,当某一路出现故障时,停止巡回检测,数码管时钟显示这一路对应数码。
采用电压比较器设定上、下限电压报警值;当检测电压超过设定上、下限值时,输出低电平,蜂鸣器报响。
系统方框图如图2、1所示。
图2、1系统方框图
2、2方案二
采用带有中断控制器的单片机来实现,利用软件定时来对八个通道逐次扫描与驱动数码管动态显示。
利用中断系统捕捉下降沿电平,当通道由高电平跳变为低电平时,单片机捕捉到下降沿,停止扫描,同时让数码管显示该通道与驱动蜂鸣器报警。
由于本题目有八路通道,故需要用到八路外部中断,因此需要采用较为高端的单片机,如STM32系列。
方案二电路简单,只需要单片机最小系统与一个数码管即可。
但就是编写软件的难度较大而且成本较高,电路板不适合自己动手焊接。
综上所述,从实验的要求,方案的难易程度以及方案就是否易于实施的角度考虑,采用方案一,此方案满足本选题的技术指标要求,难度较低,只涉及硬件电路部分,对于软件部分不做要求,易于实现。
3单元电路的选定与设计
3、1拨码开关电路、数据选择器与蜂鸣报警电路
图3、1拨码开关电路、数据选择器与蜂鸣报警电路
如图3、1所示,拨码开关一端与相接,另一端接数据选择器的通道引脚。
若拨码开关闭合,则该通道被认为接低电平,若断开,则该通道被认为接高电平。
数据选择器选用八选一芯片74LS151,通过控制地址端从而确定哪一路被选通,选通的那一路从Y端输出,~W端输出与其相反。
由于高电平为正常,低电平为异常。
在正常情况下蜂鸣器应该不响。
故蜂鸣器应接到~W端,一旦被选通的通道为低电平,~W端输出高电平,三极管导通,蜂鸣器响,发出警报。
TTL器件输入引脚悬空即为高电平,但实际测量发现其高电平与5V差的较大,故需要接上拉电阻,使系统稳定性提高。
根据经验上拉电阻一般取值为1K~10K,这里取1K,三极管实际选用9013,偏置电阻取
1K。
地址选择为100,开关断开时,~W端输出低电平,蜂鸣器不响。
开关闭合时,~W端输出高电平,蜂鸣器响。
仿真如下图所示:
3、2循环计数器与译码显示电路
图3、2循环计数与译码显示电路
如图3、2所示,在时钟信号作用下,当数据控制端ENP处于高电平时,74LS160开始计数,QA,QB,QC,QD输出BCD码到74LS47的A,B,C,D端,数码管实时显示当前检测的通道号。
计数到8时对应1000,QD端输出高电平,通过反相器74LS04输出一个低电平给74LS160的CLR端,计数清0,从0开始重新计数,实现0-7的循环八进制计数。
采用74ls47驱动显示译码电路,显示部分使用的就是共阳数码管,74ls47的A~G输出端分别对应接数码管的a~g,,通过上拉电阻对数码管进行分压限流。
LED数码显示模块的工作电压为1、66V,工作电流为10mA。
上拉电阻阻值计算为:
根据实验室提供的电阻,选用R=330欧。
3、3时钟发生电路
采用NE555接成多谐振荡器,RST为高电平时电路正常工作,DIS端为555芯片内部三极管的集电极,其中电容的充放电利用二极管使其相互分开,并令这两条回路的充放电时间常数τ相同,以便使所形成的波形为占空比为50%的方波,当输出为高时,DIS端电压被拉至0V,电容C1通过D2,R2放电,当输出低电平时,VCC通过R1,D1给C1充电。
充电时间:
放电时间:
振荡周期:
故取:
C1=0、1uF,C2=0、01uF,
电路及仿真波形如下图所示
图3、3、1时钟发生电路
图3、3、2仿真波形
3、4窗口电压比较器电路
窗口电压比较器有两个阈值,实验要求超过其上下限时输出低电平,所以用两片运算发大器接成具有不同阈值的电压比较器即可,这里的运算发大器采用的就是LM324,由于阈值的上下限可调所以用滑动变阻器构成的分压器电路。
上限电压:
下限电压:
取
输入低于下限电压2V时
输入高于上限电压3V时
3、5温度传感器电路
采用R1,R2,R3,Pt100构成单臂测量电桥,当Pt100电阻与R1,R2,R3不同时,电桥输出一个mV级的压差信号U1,U1,经过运放LM324放大后输出期望大小的电压U2,电路中R7=R6,R1=R4,放大倍数=R6/R1,运放采用单一5V供电。
Pt100随温度变化阻值发生改变后,U2大小正负也随之改变,因此,采用双LM324,可保证Pt100>R,Pt100 该输出电平的高低区分不明显,串联接入两个反相器。 经测试,实验室温度下pt100阻值为107欧姆,故选取电桥电阻R=110欧姆。 放大倍数: 电桥输出电压: 电路如下图所示: Pt100 Pt100>R时 4装配与调试过程 4、1装配注意事项 1、注意电路布局;2、尽量少用跳线; 4、2测试仪器 (1)万用表; (2)直流稳压电源: EM1712DC;(3)信号源: (4)示波器: TDS3502B500MHz 4、3拨码开关电路、数据选择器与蜂鸣报警电路的测试 在电路上电的情况下,拟给数据选择器一个地址输入,选通相应的数据通道,然后测量输出端Y的电平状态就是否与该通道的输入电平状态一致,若输入为高电平,蜂鸣器应该响起警报声,低电平时不响,只有满足上述条件才认为该部分电路设计正确。 具体的实物电路如图4、1所示。 数据选择器检测采用先设置74LS151的地址输入,即选定一个数据输入通道,然后检测的就是输出端Y的电平就是否随着该数据输入通道的电平变化而变化。 具体过程如下: 1、如图4、3、1(左图)所示,设置74LS151的地址输入为100(红线接地,TTL悬空为高电平),即选通的数据通道为D4;。 2、从4、3、1中可以瞧出,输出端~W的电压为0、20V,可认为低电平,与Y端输出相反。 3、从图4、3、2(右图)可得,~W端电压为4、43V,可认为就是高电平,Y端为低电平,此时蜂鸣器发出报警时,满足输入为高电平时报警的条件。 对于其余7路通道的检测,方法亦如此,只有改变输入地址即可。 最终检测结果就是该部分电路满足设计的要求。 4、4循环计数器、译码显示电路的测试 74LS160的就是时钟输入可以用信号发生器的方波替代,给电路上电,计数器在时钟信号的作用下开始循环记数,并将计数状态送给7447进行译码,结果在数码管上显示。 将计数器的ENP端接成高电平,观察数码管就是否循环显示,测试结果如下: 图4、4、1 图4、4、2 图4、4、3 图4、4、1中显示为数字6,可以瞧到数码管有两处不能正常显示,图4、4、2中的数字0亦如此,但不影响其正常功能,我们依旧可以观察到数码管0~7的数字显示,所以,此单元测试符合要求。 4、5时钟发生电路的测试 555时钟电路接入电源后,用示波器观察能显示出占空比为50%的方波。 实际555电路输出波形如图4、5所示。 从图中可以瞧出方波频率f=8、013HZ,经计算,满足巡回检测周期不超过8s的要求。 4、6窗口电压比较电路的测试 窗口电压比较器的测试方法为: 在确保电路已经上电的情况下,调节电容,使得该电路有两个不同的电压阈值,同时使输入电压从小于下限电压的值慢慢增大,直到大于上限电压为止。 观察其输出端就是否满足“低电平——高电平——低电平”的变化规律。 上限电压 下限电压 输入在阈值范围内 输出 输入在阈值范围外 输出 4、6温度传感器电路的测试 如下图左上方 5实验总结 5、1完成情况 5、2问题及对策 5、3收获与体会 本次实验中,运用自己所学的知识,独立的设计、仿真、焊接、调试电路,熟练了Multisim的应用,提高了我的动手能力以及分析、排除故障的能力,也让我更加熟练运用所学知识。 在焊接过程中我学到了很多,焊接前的合理布局,实验仪器的使用,遇到故障时的分析排查。 实验中,多数故障都就是因为焊接电路出错或芯片未正常供电导致,所以实验中,我们必须要细心,并且出现错误也不能着急,要静下心来逐一排错才行。 6参考文献 [1]阎石、数字电子技术基础(第5版)、清华大学电子学教研组,高等教育出版社(2006-05)、 [2]谢红、模拟电子技术基础(第3版)、哈尔滨工程能大学出版社(2013-01)、 [3]施齐云等、数字电子技术实践教程、哈尔滨工程大学出版社 [4]施齐云等、数字电子技术基础、哈尔滨工程大学出版社 7附录 附录一系统电路图 附录二元器件清单 8路温度状态巡回检测、报警系统—元器件清单 元器件 数量 万用板 1 8位拨码开关 1 共阳数码管(5101BH) 1 Pt100热电阻 1 蜂鸣器 1 74LS151( 8选1数据选择器) 1 74LS160(十进制计数器) 1 74LS04(6非门) 1 74LS47(译码器) 1 NE555 1 LM324 1 电容0、01uF 1 电容0、1uF 1 C9013(三极管) 1 1N4148(二极管) 4 20k电位器 1 DIP16 3 DIP14 2 DIP8 3 110 电阻 3 330 电阻 7 1K 电阻 13 510 电阻 1 10K 电阻 2 3、3K 电阻 1 750K 电阻 2 排针 若干 杜邦线(帽) 若干 导线 若干 焊锡 若干 附录三实物照片 附录四实验日志 (一)8路巡回检测、报警系统的设计与实现实验日志 指导教师: 实验时间: 学院: 专业: 班级: 学号: 姓名: 实验室: 实验题目: 8路巡回检测、报警系统的设计与实现 实验目的: 1、培养学生能够综合运用电子技术知识,独立设计综合性较强的系统级实验项目——一个多路温度状态巡回检测系统 2、培养学生能够根据项目需求,独立地查阅中英文资料(如电子器件手册等有关资料),并给出设计方案、完成设计任务。 3、掌握电子设计基本过程与方法,掌握各类基本单元的设计方法,进而利用单元模块实现电子系统设计,掌握电子系统的基本调试手段及测试指标。 4、提高书写综合设计性总结报告的能力。 实验要求: 设计一个8路温度状态巡回检测,能够对8个测试区域的温度状态就是否正常进行巡回检测;当某一测试区域的温度超过正常范围时,由巡回检测系统发出报警并显示第几个测试区域出现故障。 1、基本要求: (1)实现一个8通道状态巡回检测系统,该系统在正常状态下输入低电平,而高电平输入表示出现故障。 (2)巡回检测周期要求不超过8秒。 (3)当某一个通道出现故障时,停止检测,并且发出报警与显示故障通道的序号。 (4)电压比较器: 可设定上、下限电压报警值;当铂热电阻传感器调节电路输出电压超过上、下限值时,输出低电平。 (5)利用铂热电阻Pt100完成温度检测,实现温度量转换为直流电压,并要求温度变化20度时,检测电路输出的电压变化不小于1V。 2、扩展要求: (1)利用湿度传感器CM-R实现湿度状态测量。 实验主要步骤: 序号 实验内容 1 前导课(要求学生进实验室前,准备好器件手册,单元电路设计图、仿真与模块测试方法,焊接布局) 2 检查学生的器件手册,单元电路设计与模块测试方法,焊接布局。 3 发“拨码开关、74LS151数据选择器、三极管、蜂鸣器”,并检查元件。 拨码开关、数据选择器与蜂鸣报警电路焊接调试,验收 4 发“74LS160十进制计数器、74LS04六非门、74LS47译码器、共阳数码管”,并检查元件。 循环计数、译码显示电路焊接调试,验收 5 发“NE555定时器、IN4148二极管、电容与电阻”,并检查元件。 时钟电路焊接调试,验收 6 数字系统联调、验收 发“LM324运放、IN4148二极管、电位器”,并检查“LM324”。 电压比较器焊接调试,验收 7 发“PT100热电阻”,并检查PT100热电阻传感器调理电路设计。 温度传感调理电路焊接调试、验收 整体联调、验收与回收元件
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- 巡回 检测 报警 系统 设计 实现
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