电子技术课程设计.docx
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电子技术课程设计
课程设计说明书
课程名称:
电子技术课程设计
专业:
测控技术与仪器班级:
073052
姓名:
学号:
指导教师:
成绩:
完成日期:
2009年1月14日
任务书
题目:
楼道触摸延时节能灯
设计内容及要求:
设计触摸延时开关式节能灯,手触摸开关的感应金属片后,灯立即点亮。
人通过楼道一定时间后,灯自动熄灭。
设计要求
1、设计出楼道触摸延时节能灯的电路图。
2、说明电路的组成结构和电路的工作原理。
3、计算满足要求的各元器件的数值及选择的实际元件的型号。
4、用元件连接成电路,并调试成功。
5、研究灯点亮延迟时间的调整。
列出灯点亮延迟时间10秒、30秒、60秒、90秒、120秒、180秒时,有关元件的数据。
设计环境:
在面包板上用元件连接电路,并用实验室的仪器进行调试。
实现目标:
1、完成电路的连接,并调试成功。
2、完成课题研究内容。
任务书
题目:
声控闪光电路
设计内容及要求:
设计声控闪光电路。
声音控制灯的闪光,灯的闪光随声音的强度改变亮度和闪光时间。
设计要求:
1、设计出声控闪光电路的电路图。
2、说明电路的组成结构与工作原理。
3、计算满足要求的各元器件的数值及选择的实际元件的型号。
4、用元件连接成电路,并调试成功。
设计环境:
在面包板上用元件连接电路,并用实验室的仪器进行调试。
实现目标:
完成电路的连接,并调试成功。
任务书
题目:
彩灯循环显示电路
设计内容及要求:
设计彩灯循环显示电路。
控制十只彩灯顺序轮流点亮,并且一直循环。
暂停按钮控制循环停止与循环继续。
设计要求
1、设计出彩灯循环显示控制电路的电路图。
2、说明电路的组成结构和电路的工作原理。
3、计算满足要求的各元器件的数值及选择的实际元件的型号。
4、用元件连接成电路,并调试成功。
5、研究循环速度的调整方法。
设计环境:
在面包板上用元件连接电路,并用实验室的仪器进行调试。
实现目标:
1、完成电路的连接,并调试成功。
2、完成课题研究内容。
任务书
题目:
抢答器
设计内容及要求:
设计抢答器电路。
抢答器有四路输入,抢答器有复位功能,最先抢答一路为红灯显示和声音显示,同时互锁其它各路输入。
设计要求:
1、设计出抢答器的电路图。
2、说明电路的组成结构与工作原理。
3、计算满足要求的各元器件的数值及选择的实际元件的型号。
4、用元件连接成电路,并调试成功。
5、研究如何加入抢答显示功能,用数码管显示第几路优先抢答。
设计环境:
在面包板上用元件连接电路,并用实验室的仪器进行调试。
实现目标:
1、完成电路的连接,并调试成功。
2、完成课题研究内容。
1楼道触摸延时节能灯
1.1总体方案的选择
三个组成部分:
触摸感应电路,开关电路和定时电路。
1.1.1触摸感应电路的选择
VT1为NPN,VT2为NPN,当M端悬空时,电信号为低电平,VT1,VT2处于截止状态;当M端导通,电信号为高电平,VT1处于放大状态,VT2处于饱和状态。
电路如图1.1所示:
图1.1触摸感应电路图
1.1.2开关电路的选择
VT3为PNP型三极管,悬空时VT3处于截止状态。
导通时,VT3处于饱和状态。
电路如图1.2所示:
图1.2开关电路图
1.1.3定时电路的选择
由电容C,R2和R3组成。
电路如图1.3所示:
图1.3定时电路图
1.1.4触摸延时开关的整体电路
把以上选择的各部分电路组合,就是确定的触摸延时开关的整体电路,如图1.4所示:
图1.4触摸延时开关电路图
1.2电路的工作原理
触摸感应电路的作用是将人体触摸转换成电信号,无触摸时电信号为低电平,有触摸时电信号为高电平。
人体本身带有一定电荷,当人的手接触导体时,这些电荷就经人体转移到导体上,形成瞬间的微弱电流。
这一微弱电流经过三极管放大后,就可以控制较大的负载开关动作。
此电路是由金属片M,三极管放大RC延时及三极管开关电路构成的触摸延时电路。
VT1和VT2组成直接耦合的两级放大电路,VT3构成开关电路。
当无触摸时,电信号为低电平,金属片M和限流电阻R6接在VT1的基极,当悬空时,VT1的发射结反偏,集电结反偏,所以VT1处于截止状态,VT2的发射结反偏,集电结反偏,VT2处于截止状态,因此VT3也截止,LED中无电流流过而不发光。
当人手触摸金属片M时,电信号为高电平,人体电荷经R6流入VT1基极,VT1迅速导通将此瞬间电流放大后驱动VT2饱和导通,使VT2的集电极电位降为低电平,并使VT3也随之导通,LED中有电流流过而发光。
此时,VT1的发射结正偏,集电结反偏,所以VT1处于放大状态,VT2的发射结正偏,集电结正偏,所以VT2处于饱和状态。
VT3同理VT2,处于饱和状态。
在VT2瞬间饱和和导通的同时,集电极电流对电容C快速充电至接近12V,但瞬间电流消失后,VT1和VT2截止,由于C分别与R3和VT3发射结及R2构成放电回路的时间常数较大,使C所储存的电荷放电比较慢,VT3在一段时间内仍保持导通,LED继续发光,知道VT3的集电极电流减小到不足以使LED发光。
VT3导通的延迟时间主要由R2,R3和C的大小决定。
如要进一步增大延迟时间,可加大C容量。
除上述主要因素外,VT2的β值大小.空气的适度对延迟时间也有影响,为保触摸时VT2迅速饱和,VT2管选择β值大的9013。
在实际应用中,用继电器.可控硅等执行原件取代R4,R5和LED,就可控制较大的负载。
1.3元件的计算及选择
1.3.1触摸感应电路元件的选择
(1)三极管的选择
为提高感应电路的灵敏度,VT2应选
高的三极管;VT1选择穿透电流(ICEO)小的三极管,否则不触摸时,也会使VT2导通工作。
(2)电阻的选择
R2应尽量大,这样才能使当有微弱的触摸信号时电路就达到饱和。
R2也是组成放大回路的元件,所以R2必须很大,R2取2.2MΩ。
VT2的集电极临界饱和电流:
Ics=Ucc/
=12/2200=0.005mA(1.1)
VT2的基极临界饱和电流:
IBS=Ics/β=0.005/100=0.05µA(1.2)
为保证VT1顺利导通,放大感应电流,并使其工作在放大状态,所以R1取值1KΩ,R6起保护作用,取1M
。
1.3.2开关电路元件的选择
(1)发光二极管的驱动电流
发光二极管的工作电流为5-10mA,导通压降为2-3V,R5为限流电阻约为300Ω。
(2)为使VT3导通时能向发光二极管提供足够的驱动电流,VT3由截止转换为饱和,R4应取足够大,约为51KΩ。
(3)VT3导通时,ICS为发光二极管的驱动电流10mA。
IBS=Ics/β=10/100=0.1Ma(1.3)
IB≥IBS时,保证VT3饱和导通,IB取0.11mA
R3=(12-0.6-0.3)/0.11≈100KΩ(1.4)
1.3.3定时电容的选择
电容的放电回路为R2,R3与C组成。
时间常数为:
(1.5)
当时间为
时,电容基本放电完毕,
C=30/3(R2//R3)≈105µF(1.6)
取C=100µF。
1.4元件表
表1.1触摸延时开关元件表
元件名称
符号
型号
数量
三极管NPN
VT
3DG6
1
三极管NPN
VT
9013
1
三极管PNP
VT
9012
1
电阻
R1
1KΩ
1
电阻
R2
2.2MΩ
1
电阻
R3
100KΩ
1
电阻
R4
51KΩ
1
电阻
R5
300Ω
1
电阻
R6
1MΩ
1
电阻
R7
1KΩ
1
电解电容
C
100
/16V
1
发光二极管
LED
任意
1
1.5组装与调试
1.5.1触摸感应电路的组装与调试
首先连接VT1,VT2,R1,R2,R6,R6悬空端连接一段导线代替金属片M。
接电源后,用电压表测量VT2的集电极电位,在手触摸M前后的变化,手触摸M前为高电平,手触摸M后为的电平。
1.5.2开关电路的组装与调试
前步调试好后,断开电源。
再连接VT3,R3,R4,R5,LED通电后,用手触摸M,LED应点亮。
1.5.3定时电路的组装与调试
前步调试好后,断开电源。
最后连接C。
通电后,用手触摸M,LED点亮后持续一段时间后熄灭。
1.6灯点亮延迟时间调整的研究
(1)论述灯点亮延迟时间与哪些元件有关?
答:
调整元件C、R2,R3将影响灯点亮延迟时间。
(2)列出LED点亮延迟时间10S,30S,60S,90S,120S,180S时,R2=3MΩ,R3=150KΩ元件取值的测试数据,见表1.2所示:
表2.2元件取值表
C
R3
R2
延迟时间
20μF
150KΩ
3MΩ
10s
60μF
150KΩ
3MΩ
30s
120μF
150KΩ
3MΩ
60s
180μF
150KΩ
3MΩ
90s
240μF
150KΩ
3MΩ
120s
360μF
150KΩ
3MΩ
180s
2声控闪光电路
2.1总体方案的选择
声控闪光电路包括三个组成部分:
发声电路、控制电路、发光电路。
2.1.1发声电路的选择
发声电路的作用是将人的声音信号转化为相应的电信号,然后经电容C1送到电路中,完成此功能只要一个电阻和一个电容。
电路如图2.1所示:
图2.1发声电路图
2.1.2控制电路的选择
控制电路的作用是把电信号经电容C1送至三极管VT1基极进行放大VT1、VT2组成两级直耦式放大器,选取合适的R2与R5使无声波信号时VT1刚好处于导通状态,VT1集电极即VT2基极为低电平有声波信号后就有音频信号注入VT1的基极,其信号负半周就使VT1退出饱和区其集电极即VT2基极电位升高,VT2导通。
电路如图2.2所示:
图2.2控制电路图
2.1.3发光电路
发光电路的选择是无声波信号时,发光二极管不亮,光接受到声波信号后发光二极管就点亮发光。
电路如图2.3所示:
图2.3发光电路图
2.1.4声控闪光电路的电路
把以上选择的各部分电路组合,就是确定的声控闪光电路,如图2.4所示:
图2.4声控闪光电路图
2.2电路的工作原理
声控闪光电路主要由拾音器,晶体管两极直接耦合放大电路和发光二极管等构成。
静态时,VT1处于临界饱和状态,
=0.3V,Vbe2=0,所以VT2截止,那么
=Vcc,所以LED不发光。
R1给电容话筒MIC提供偏置电流,当话筒拾取室内环境中的声波信号后即转为相应的电信号,经电容R1送至VT1基极进行放大。
VT1、VT2组成两级直接耦合放大电路,电路虽然简单,但设计巧妙。
选取合适的R2、R5,使无声波信号时,就有音频信号注入VT1的基极,其信号的负半周将使VT1退出饱和,VT1的集电极即VT2的基极电位升高,VT2导通,LED点亮发光。
当输入音频信号较弱时,不足以使VT1退出饱和区,LED仍保持熄灭状态。
只有信号较强时,发光二极管才点亮发光。
所以,LED能随着环境声音(如音乐)信号的强弱起伏而闪烁发光。
2.3元件的计算及选择
2.3.1发声电路的选择
只需微型MIC和使交流信号通过的电容R1,取4.7K和C1取1
。
2.3.2控制电路的选择
(1)三极管的选择
为使声控闪光电路的灵敏度高,VT1应选择
值高的三极管VT2选择穿透电流小的三极管,否则没有声音的时候VT1也将退出饱和状态。
(2)电阻的选择
为使声控闪光电路可靠的工作只要有微弱的声音VT1就到达饱和状态,电阻R2必须很大所以选1MΩ。
VT1的集电极饱和电流
(2.1)
为使VT1工作在放大状态所以R3选10KΩ,R4起分压的作用几KΩ范围内即可,所以选4KΩ。
2.3.3发光电路的选择
发光二级管的工作电流为5-10mA,导通压降为2-3V为使VT2导通时能向发光二极管提供足够的驱动电流并使VT2很容易由截止转换成饱和状态,R3取10KΩ。
2.4元件表
表2.1声控闪光电路
元件名称
符号
型号
数量
电阻
R1
4.7KΩ
1
电阻
R2
1MΩ
1
电阻
R3
10KΩ
1
电阻
R4
4KΩ
1
电容
C1
1
1
电容
C2
47
1
三极管
VT1
9013
1
三极管
VT2
9013
1
发光二极管
LED
任意
2
麦克
MIC
任意
1
2.5组装与调试
2.5.1发声电路的组装与调试
麦克的灵敏度和三极管的放大倍数
值是有一定的离散性的,离话筒0.5米左右,用普通大小声音讲话。
2.5.2控制电路的组装与调试
通电后先测试VT1的集电极电位,使其在0.2-0.4V之间,如果该电压太低,则施加声音信号后,VT1不能退出饱和,VT2则不能导通;如果该电压超过VT2的死区电压,则静态时VT2就导通。
2.5.3发光电路的组装与调试
连通电源后,发现发光二极管并没有发光,先用万用表检测发光二极管有没有损坏,若没有,在检测发光二极管的正负有没有接反。
待发光二极管亮了以后,发现它并没有因为声音的大小而引起发光二极管的变化,于是又用万用表测了扬声器有没有坏,也没坏;检查电路是否都导通。
用万用表连接扬声器的一端,扬声器没有响,说明没有焊接好,重焊,在检测。
最后当人的说话声低于一定值时,彩灯不亮;当人的说话高低于一定值时,彩灯会随着声音的有无而不断的闪烁。
说明设计完成。
2.6对本题目的研究内容
(1)针论述灯点亮延时时间与哪些元件有关?
答:
调整元件C、
、
将影响灯点亮延迟时间。
(2)对该电路的看法
答:
声控闪光电路是通过改变声音的大小和电路中电阻的阻值来完成的。
由于R2的阻值交大,所以我们可以改变的R2阻值,为了方便起见可以在其中接滑动变阻器RP,将RP从小到大慢慢改变,观察现象。
3彩灯循环显示电路
3.1总体方案的选择
三个组成部分:
振荡电路,计数器/译码分配器,显示电路。
3.1.1振荡电路的选择
主要用来产生时间基准信号(脉冲信号)。
因为循环彩灯对频率的要求不高,只要能产生高
低电平就可以了,且脉冲信号的频率可调,所以采用555定时器组成的振荡器,其输出的脉冲作为下一级的时钟信号,如图3.1所示
图3.1555定时器组成的振荡电路图
3.1.2计数器/译码分配器的选择
计数器是用来累计和寄存输入脉冲个数的时序逻辑部件。
在此电路中采用十进制计数/分频器CD4017,它是一种用途非常广泛的电路。
其内部由计数器及译码器两部分组成,由译码输出实现对脉冲信号的分配,整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平,宽度等于时钟周期。
CD4017有3个输(MR、CP0和~CP1),MR为清零端,当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平,其余输出端(O1~O9)均为低电平。
CP0和~CPl是2个时钟输入端,若要用上升沿来计数,则信号由CP0端输入;若要用下降沿来计数,则信号由~CPl端输入。
设置2个时钟输入端,级联时比较方便,可驱动更多二极管发光。
CD4017有10个输出端(O0~O9)和1个进位输出端~O5-O9。
每输入10个计数脉冲,~O5-O9就可得到1个进位正脉冲,该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
由此可见,当CD4017有连续脉冲输入时,其对应的输出端依次变为高电平状态,故可直接用作顺序脉冲发生器。
图3.2CD4017引脚图
3.1.3显示电路的选择
主要由发光二极管组成,如图3.3所示。
当CD4017的输出端依次输出高电平时,驱动发光二极管也依次点亮,产生一种流动变化的效果。
发光二极管要求驱动电压小一点,一般在1.66v左右,电流在5mA左右。
彩灯的循环速度由脉冲源频率决定。
R、C构成微分电路,用于上电复位。
如有兴趣也可以把发光二极管换成各种颜色的彩灯,这样循环起来就更加好看了。
图3.3CD4017与发光二极管组成的显示电路
3.1.4彩灯循环显示电路
把以上选择的各部分电路组合,就是确定的彩灯循环电路,如图3.4所示:
图3.4彩灯循环电路图
3.2电路的工作原理
通电后
电容经
,
充电,当大于2/3Vcc时,放电管导通,开始放电;当
上的电压小于1/3Vcc时,放电截止。
电容
又开始充电。
OUT从1→0→1振荡起来。
放电回路:
Vcc→
→
→
τ=0.7(
//
)(3.1)
放电回路:
→
→放电管的集电极
(3.2)
IC是一块十进制计数分频器CD4017数字集成电路,当CP端不断输入计数脉冲时,其输出端QO一Q9将会依次输出高电平,从而使晶闸管依次开通,所以彩灯VL1-VL10就会依次循环点亮,在视觉上就能形成流动感。
时钟脉冲发生器由555时基集成电路IC组成,用555构成多谐振荡器,是自激振荡电路,只要接通电压便可起振输出矩形脉冲信号,它只有两个整态,没有稳态,输出脉冲由第3脚输出直接送人IC的CP端,即第14脚,作为IC的计数脉冲。
3.3元件的计算及选择
3.3.1振荡电路元件的选择
用CC4011与非门和0.01uF的小电容与68KΩ的小电阻构成RC振荡电路。
其中CC4011的电压范围为3-15v,输入电压为0-VDDv.
3.3.2计数器/译码分配器元件的选择
计数器是用来累计和寄存输入脉冲个数的时序逻辑部件。
在此电路中采用十进制计数/分频器CD4017,它是一种用途非常广泛的电路。
其内部由计数器及译码器两部分组成,由译码输出实现对脉冲信号的分配,整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平,宽度等于时钟周期。
CD4017有3个输(MR、CP0和~CP1),MR为清零端,当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平,其余输出端(O1~O9)均为低电平。
CP0和~CPl是2个时钟输入端,若要用上升沿来计数,则信号由CP0端输入;若要用下降沿来计数,则信号由~CPl端输入。
设置2个时钟输入端,级联时比较方便,可驱动更多二极管发光。
CD4017有10个输出端(O0~O9)和1个进位输出端~O5-O9。
每输入10个计数脉冲,~O5-O9就可得到1个进位正脉冲,该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
由此可见,当CD4017有连续脉冲输入时,其对应的输出端依次变为高电平状态,故可直接用作顺序脉冲发生器。
3.3.3显示电路元件的选择
彩灯循环的周期T
Twh=0.7(R1+R2)*C(3.2)
Twl=0.7R2*C(3.3)
T=Twh+Twl=0.7(R1+2R2)*(3.4)
3.4元件表
表3.1彩灯循环显示电路元件表
元件名称
符号
型号
数量
电阻
R1
10K
1
电阻
R2
100K
1
电阻
R3
18K
1
电阻
R4
300Ω
1
电容
C1
4.7
1
电容
C2
0.01
1
电容
C3
0.1
1
开关
SB
1
发光二极管
VL1~10
10
555定时器
NE555
1
计数器
C4017
1
3.5组装与调试
3.5.1振荡电路的组装与调试
按多谐振荡电路工作的原理图接好。
接通电源,看多谐振荡电路是否正常工作,如果不工作检查RD端是否接高电平,RD端只有接高电平时555才工作。
3.5.2计数器/译码分配器的组装与调试
选用CD4017十进制计数器来进行十个彩灯的循环。
3.5.3显示电路的组装与调试
前步调好后断开电源,按计数器CD4017的工作原理图把十只发光二极管接入电路中,通电后,十只发光二极管循环点亮。
3.5.4电路调试的注意事项
第一:
测试之前要熟悉各种仪器仪表的使用方法,并仔细检查,避免由于仪器仪表使用不当或出现故障而作出错误的判断;
第二:
测试过程中,发现器件或接线有问题时,应首先切断电源,并作出相应的处理,检查无误后才能从新通电;
第三:
测试仪器仪表和被测电路应具有良好的共地。
只有使仪器仪表和电路之间建立一个公共地参考点,测试的结果才准确;
第四:
测试过程中,不但要认真观察和检测,还要认真记录;
第五:
安装调试应具有严谨的科学作风和态度。
3.5.5故障分析与处理
在电子技术课程设计和工程实践中,电路故障常常是不可避免的,分析故障现象和解决故障问题可以大大设计人员的实践和动手能力,首先要通过对原理图的分析,把系统分成不同功能的电路模块,通过逐一测试找出故障所在区域,然后根据该区域的原理在进行测量和分析,找出故障原因。
如果是原来正常运行的设备出现故障,起原因可能是元件损坏造成,或者发生局部短路或开路,也可能是使用条件发生变化影响电子设备的正常运行。
1.测试中常见的故障原因
a.实际电路与设计的原理图不符
b.元件不当
c.设计原理不满足要求
d.操作不当
2.查找模块内部故障的基本步骤如下:
第一步:
检查用于测量的仪器仪表是否适当;
第二步:
检查安装的线路与原理图是否一致;
第三步:
测量元件的电压;
第四步:
断开故障输出端负载,检查是否由于负载原因造成的故障;
第五步:
检查元件是否使用正确或已经损坏。
4四路抢答器
4.1总体方案的选择
4.1.1四路抢答器总体方案的设计
抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。
即当抢答开始后,选手抢答按动按钮,锁存器锁存相应的选手编码,同时用发光二极管把选手的编码显示出来,接通电源后,主持人将开关拨到“清除”状态,抢答器处于禁止状态,编号显示器灭灯;主持人将开关置“开始”状态,宣布“开始”抢答器工作。
选手在定时时间内抢答时,抢答器完成:
优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。
当一轮抢答之后,定时器停止、禁止二次抢答。
如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。
4.1.2四路抢答器的四个组成部分
抢答电路,自锁电路,报警电路,时序控制电路。
4.1.3抢答电路的选择
该电路完成两个功能:
一是分辨出选手按键的先后,并锁定优先抢答者的编号,同时发光二极管显示电路显示抢答的选手;二是要使其他选手随后的按键操作无效。
其工作原理为:
当主持人控制开关处于“清除”时,CP
端为低电平,四个输出端全被封锁在低电平,于是显示器灭灯,此时锁存电路不工作。
当主持人将开关SB拨到“开始”时优先编码器和锁存器同时处于工作状态,即抢答器处于等待工作状态,等待编码器的四个输入端输入信号。
当有选手按键时,CC4042的输出经译码后,对应的发光二极管显示所按键选手。
其他选手按键的输入信号不会被接收。
这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。
当选手回答完毕,主持人控制开关SB是抢答电路复位,以便进行下一轮抢答。
电路如图4.1所示:
图4.1抢答电路原理图
4.1.4自锁电路的选择
CC4042的四个锁存器电路,由公共时钟选通,每个电路有互补缓冲输出,所有输出电特性一致,输入端的数据在由M选择的CP电平期间传送至Q,输出端,当M=0,在0CP电平期间传送;M=1,为1CP电平期间传送,在
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