电子综合设计与工艺课件

电子综合设计与工艺课程目的建立整机设计思想，了解整机设计中的系统解决方案，外观设计，工艺设计，电路设计，抗干扰设计等要素。主要内容系统设计理念，各类传感部件，核心处理单元，功率执行部件，制板，软件设计方法，系统调试。电子综合设计与工艺电子综合设计与工艺（二）泰克示波器面板设计一、外观设计与工艺（三）ECU车用电控单元造型设计一、外观设计与工艺考虑坚固考虑电磁屏蔽考虑内部功率元件散热考虑防尘考虑接口牢固一、外观设计与工艺（四）机电一体化实验教学平台一、外观设计二、传感器及应用汽车电控系统汽车电控系统二、传感器及应用二、传感器及应用二、传感器及应用二、传感器及应用压阻式压力传感器压阻式压力传感器利用压阻效应将压力信号变换为电阻变化信号的传感器。利用检测电路把压阻式压力传感器的电阻变化转变为电压输出，即可被电子系统处理。检测电路通常是采用惠斯通电桥构成的。二、传感器及应用惠斯通电桥构成的恒压源电阻测量电路惠斯通电桥构成的恒压源电阻测量电路结论：结论：恒压源测量电恒压源测量电路输出电压与温度相路输出电压与温度相关，必须进行补偿，关，必须进行补偿，而恒流源测量电路无而恒流源测量电路无需温度补偿，因此采需温度补偿，因此采用恒流源激励是不错用恒流源激励是不错的选择。的选择。可以用恒流源供电！可以用恒流源供电！二、传感器及应用类型类型1：特征：特征：使用运放，高精度使用运放，高精度输出电流：输出电流：Iout=Vref/RsIout=Vref/Rs类型类型2：特征：特征：使用并联稳压器，使用并联稳压器，简单且高精度简单且高精度输出电流：输出电流：Iout=Vref/RsIout=Vref/Rs检测电压：检测电压：根据根据Vref不同不同（1.25V或或2.5V）恒流源参考电路恒流源参考电路二、传感器及应用根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应：如果把通有电流的导体放在垂直于它的磁场中，则在导体的两侧会产生一电势差，它与电流及磁感应强度成正比，与导体厚度成反比。霍尔传感器二、传感器及应用永磁无刷直流电机转角判断1线性霍尔传感器线性霍尔传感器1.1.SS49SS49系列系列SS49SS49系列具系列具有的特点：有的特点：是一种三端器件；电源电压范围为410V，随电源电压增加，输出信号幅度增大，但线性度却减小；在很宽的磁感应强度范围内有较好的线性度；静态工作电流较小，典型值为4mA，适用于便携式供电的场合；能有较大的电流输出能力(10mA连续，20mA最大)；尺寸小。SS49SS49系列具系列具有的特点：有的特点：是一种三端器件；电源电压范围为410V，随电源电压增加，输出信号幅度增大，但线性度却减小；在很宽的磁感应强度范围内有较好的线性度；静态工作电流较小，典型值为4mA，适用于便携式供电的场合；能有较大的电流输出能力(10mA连续，20mA最大)；尺寸小。霍尔传感器的典型应用霍尔传感器的典型应用调速把调速把电动摩托车调速把电动摩托车调速把霍尔传感器感测电流光电传感器将被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号的传感器。按光电元件输出量性质可分为模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器两类。开关式光电传感器红外遥控场合使用的接收器件被设计成只对38KHz调制的红外光信号敏感，如芯片DX2000L38，能消除环境可见光和红外光的影响。38KHz调制光电传感器调制光电传感器光敏三极管受光面通过电流，使T饱和，74HC4093输出高电平，圆盘转动输出脉冲序列，测得脉冲个数和圆盘每周孔数，即可算出旋转的转速及转角。n光敏三极管的应用电路光敏三极管的应用电路光电测速装置光电测速装置光电传感器补充：热释电人体红外传感器补充：热释电人体红外传感器基本原理：基本原理：利用人体发出的红外线进行检测，产生电信号输出。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。采用热释电元件制成的红外感应源在接收到人体红外辐射温度发生变化时输出0.110Hz，1mV左右的微弱信号，呈脉冲形式。n热释电人体红外传感器应用电路报警电路约约1.23.8V三、系统设计（一）超声测距系统设计1、声波的频率界限、声波的频率界限人耳听见的波称声波（机械波）频率在人耳听见的波称声波（机械波）频率在人耳听见的波称声波（机械波）频率在人耳听见的波称声波（机械波）频率在1620KHz1620KHz；次声波次声波次声波次声波低于低于低于低于20Hz20Hz；超声波；超声波；超声波；超声波高于高于高于高于20KHz.20KHz.101102103104105106107f/Hz声波次声波音乐语言探测超声波微波0.25106201062、人和部分动物发声频率和听觉频率界限、人和部分动物发声频率和听觉频率界限3、超声波的特点和应用、超声波的特点和应用方向性好；方向性好；方向性好；方向性好；穿透力强；穿透力强；穿透力强；穿透力强；易于获得较集中的声能。易于获得较集中的声能。易于获得较集中的声能。易于获得较集中的声能。（1 1）特点：）特点：（2 2）、应用：）、应用：1 1）声呐声呐声呐声呐距离的计算距离的计算距离的计算距离的计算（距离不同于路程距离不同于路程距离不同于路程距离不同于路程）超声波在海水中的传播速度超声波在海水中的传播速度v v为为1500m/s1500m/s，从海面发出超声，从海面发出超声到接受到回声的时间到接受到回声的时间t t为为4s4s，海深则为海深则为1500m/s4s1/2=3000m1500m/s4s1/2=3000m2 2）利用超声波）利用超声波穿透能力强穿透能力强对金属探伤仪对金属探伤仪 超声波可穿透金属、陶瓷等坚硬材料。材料内部缺超声波可穿透金属、陶瓷等坚硬材料。材料内部缺陷对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受陷对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测可以获取材料缺陷的位置和程影响程度和状况的探测可以获取材料缺陷的位置和程度。度。缺陷的位置（直声束）S：声程C：声速（材料的特性，钢纵波5900m/s、瓷的纵波声速53006900m/s）t:时间（声时），从仪器的计时电路获取缺陷的检测探头：发射/接收超声波缺陷波：缺陷反射回波缺陷：有无、大小、位置缺陷的位置（斜声束）C：声速（需要知道波型：横波、纵波、表面波等）钢：纵波5900m/s 横波3230m/s 3 3）B B型超声波诊断仪（型超声波诊断仪（型超声波诊断仪（型超声波诊断仪（B B超）超）超）超）医院利用医院利用B B型超声波诊断仪型超声波诊断仪做胃部、做胃部、腹部检查，还可以观察胎儿的发育情腹部检查，还可以观察胎儿的发育情况。况。4）超声波碎石）超声波碎石声能易于声能易于集中集中利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎4 4、倒车雷达（超声波测距）系统设计、倒车雷达（超声波测距）系统设计（1）系统结构（2）测距机理在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）由于超声波也是一种声波，其传播速度C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，其与环境温度T()的关系式如下：选发射频率为40KHz,则发送接收过程为（3）硬件设计 1）超声发射电路设计 由单片机产生的40kHz的方波，通过放大，驱动超声波传感器发射超声波。超声波发射电路超声波发射电路 方案一方案一由单片机产生 40KHz的方波，并通过单片机的P1.0口接到 CD4069非门构成40KHz频率信号驱动电路，超声波传感器产生谐振。运放U6B构成同相放大电路，对P1.0口输出的TTL电平进行放大。当P1.0输出1时，运放U6A的输出电压 VA=+15V;P1.0=0时，VA=-15V。所以在超声传感器两端得到两个极性完全相反的对称波形其两端的电压可达到30V，提高了超声波发送距离。超声波发射电路超声波发射电路 方案二方案二超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大、滤波和整形。2 2）超声波接收电路设计）超声波接收电路设计超声波接收电路超声波接收电路 方案一方案一A）采用3级放大，放大倍数可达2000-5000，放大倍数够。B）由于没有带通滤波，放大倍数又高，对噪声非常敏感，抗干扰能力差。C）整形电路比较器和稳压管简单易行。D)放大倍数固定，强弱信号难以兼顾。超声波接收电路方案一评价：超声波接收电路方案一评价：超声波接收电路超声波接收电路 方案二方案二超声波接收电路使用了集成电路cx20106A。该芯片是用于红外遥控系统中作接收用的双极型集成电路.Cx20106A可用来完成信号的放大、限幅、带通滤放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形波、峰值检波和波形整形等功能 Cx20106A前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载;带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高；接收电路集成度高，抗干扰能力强、体积小、可靠性高。超声波接收电路方案二评价：超声波接收电路方案二评价：3 3）显示电路设计）显示电路设计倒车雷达一般采用两位数字显示预报车尾和障碍物的距离。P2口8位输出通过4511译码，静态显示。4 4）温度补偿电路设计）温度补偿电路设计 DS18B20DS18B20内部结构介绍内部结构介绍 48位产品序列号8位产品序号8位CRC编码检验a）64位光刻ROM b)非挥发的温度报警触发器(上限温度TH和下限温度TL)。可通过软件程序写入设定用户所要求的报警上下限温度值。c)高速暂存器，可以设置DS18B20温度转换的精度。d）内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。DS18B20高速暂存RAM的结构为9字节的存储器 序号寄存器名称作用0温度低字节以16位补码形式存放 1温度高字节6 2TH/用户字节1 存放温度上限值 3HL/用户字节2 存放温度下限值 4、5保留字节1、2 6计数器余值 7计数器 8CRC值DS18B20DS18B20温度转换分辨率及时间表温度转换分辨率及时间表R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750一部分温度对应值表一部分温度对应值表温度/数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+1250000 0000 1111 101000FAH+250000 0000 0011 00100032H+0.50000 0000 0000 00010001H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1111FFFFH-251111 1111 1100 1110FFCEH-551111 1111 1001 0010FF92H5 5）晶振电路和复位电路设）晶振电路和复位电路设计计（4）软件设计定时器T0作为超声波发射-接收时间测量；定时器T1作为40KHz信号发生。三、系统设计(一)、基于单片机的电感测微仪设计 1、技术指标和主要功能 该设计采用电感传感器作为敏感元件，用于对工件加工精度的测量。测量结果用单片机进行数据处理，结果有LCD显示器给出。仪器测量范围：0.2mm 仪器分辨率：0.0001mm 测量误差：0.0004mm 仪器主要功能正峰值测量，负峰值测量，峰-峰值测量，跟踪测量。2 电感传感器外观及内部结构3 电感传感器工件测量4 电路原理结构设计5 硬件电路设计（1）传感器电路传感器要求正弦波激励频率为10KHz左右。传感器输出采用电桥形式，Z1和Z2是L-R电路，也可以是纯电阻。由于是双臂工作形式当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则有：同理，当衔铁上移时，则有：（2）正弦波发生电路设计1)RC串并联选频电路 RC串并联网络串并联网络方案一、RC正弦波振荡电路)j1/(+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+=+=1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+=0谐振频率为:f0=当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为:幅频特性:相频特性:当当时的反馈系数：时的反馈系数：且与且与频率频率的大小无关。此时的相角的大小无关。此时的相角 F=0。RC串并联网络的频率特性曲线2）RC正弦波振荡电路设计由谐振频率表达式f0取10KHz，先C取0.01uf，可得R=1.6k。R和C数值大小均比较合适。b）频率稳定度问题 频率的稳定度取决于RC，所以电子用精密电阻，电容用聚酯乙稀，聚苯乙稀等材料电容。几个关键问题a）选频网络参数选择 c）输出电压幅值稳定度问题 由于要稳定输出电压，必须采用电压负反馈。本设计采用有源反馈，灵敏度高，效果好。RC振荡器和传感器连接1）LC选频电路 有损耗的谐振电路并联谐振电路的品质因数等效阻抗等效阻抗谐振频率谐振频率：方案二、LC正弦波振荡电路 从谐振曲线可见，Q值越大，曲线越陡，峰值越大，相角变化越快，选择性越好，频率稳定度越高。并联谐振电路的谐振阻抗为谐振时谐振时LC并联谐振电路并联谐振电路相当一个电阻。相当一个电阻。2）LC正弦波振荡电路设计电感线圈电感线圈L1、L2构成电感三个点与电容构成电感三个点与电容C构成选频构成选频网络。通过磁芯耦合，负边网络。通过磁芯耦合，负边L3输出正弦信号。输出正弦信号。谐振频率：谐振频率：铁心选择导磁率高，磁损耗小的材料；导线尽可能粗一些，减少导线电阻，提高Q值。电容用聚酯乙稀，聚苯乙稀等材料电容。LC振荡器和传感器连接(a)串串联联型型f f0 0=f fs s（b）并并联联型型f fs sf f0 0f fp p 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1）石英晶体LC振荡电路 利用石英晶体的高品质因数的特点，利用石英晶体的高品质因数的特点，构成构成LC振荡电路，如图所示。振荡电路，如图所示。石英晶体的电抗曲线石英晶体的电抗曲线方案三、石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路与传感器连接6、交流放大电路设计交流放大电路采用数据放大器，R1可调整放大倍数.采用数据放大器的好处是输入适合电桥输出电路，抗共模信号能力强，放大倍数调节方便。7、传感器与交流放大电路连接8、相敏检波电路设计 相敏检波电路的功能是能检出传感器磁芯偏离中心点位置和大小。电路原理：设传感器磁芯下移使vi1和vi2同相，vi2通过比较器使vo1输出同相位方波。vi2正半周，T导通，vo2=0，使vo3输出倒相；vi2负半周，T截止，vo3输出同相位半波。设传感器磁芯上移使vi1和vi2反相。当vi1为负半周，vi2正半周使T导通，vo2=0，vo3=-vi1；vi1正半周则vi2为负半周T截止，vo3=vi1。9、交流放大电路与相敏检波器的连接当当f=0时时，电电容容器器可可视视为为开开路，通带内的增益为路，通带内的增益为一阶低通滤波器的传递函数为一阶低通滤波器的传递函数为10、低通滤波电路设计取取f0=100Hz，C取取0.1uf，则算出则算出R=16k。11、相敏检波器与的低通滤波器连接12、A/D转换器选择和电路设计 1）测量范围：0.2mm和分辨率：0.1um，需12位；A/D转换器选择依据 2）本仪器用于测量显示，非实时控制，对A/D速度要求不高，所以可以选择MC14433或AD574。3）MC14433是一种双积分型3位半A/D转换器，转换速度为3-10次/S,价格低廉。4）AD574是一种逐次逼近型12位A/D转换器，转换速度为每次25us/S,价格较贵。由此，实选MC14433。双积分双积分A/D转换器实例转换器实例-TC14433(MC14433)3-1/2 Digit Analog-to-Digital ConvertersPIN DESCRIPTIONSFUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM千位千位百位百位十位十位十位十位13、A/D转换器电路连接基准电源A/D中断14、LCD显示器 LCD12864是一款具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。并行接口说明并行接口说明8位并口读和写操作时序 D0D7接单片机P2口，RES接高电平，RS、RW、LCD-E分别接P0.7，P0.6，P0.5口。液晶电路接口液晶电路接口15、按键接口正峰值测量，负峰值测量，峰-峰值测量，跟踪测量16、电源设计 电源采用双5V供电，采用双抽头变压器，副边电压为2X7.5伏标准变压器,功率30瓦；整流桥选额定电流2A，稳压用集成稳压芯片7805和7905产生5V.17、软件设计1、主程序流程中断程序流程