8路巡回检测报警系统的设计与实现教学试题

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：学号：姓名：成绩：日期：教学#类别 摘要随着电子技术的发展，家用电器和办公设备的智能化、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，对其的测量和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、拨码开关和数据选择电路、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 录目 录31 设计任务41.1 设计选题41.2 设计任务要求 42 方案设计与论证 52.1 方案一52.2 方案二63 单元电路的选定和设计73.1拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路 73.2循环计数器和译码显示电路 93.3时钟发生电路93.4窗口电压比较器电路.113.5温度传感器电路.124 装配与调试 .144.1装配注意事项 .144.2测试仪器 .154.3拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路的测试.154.4循环计数器、译码显示电路的测试 .164.5时钟发生电路的测试.174.6窗口电压比较器电路的测试 .174.7温度传感器电路的测试 205 实验总结 215.1完成情况 215.2问题及对策 215.3收获与体会 226 参考文献227 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 261.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，并且发出报警和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 和 74ls151 的 A,B.C 端口。计数器一直在 07 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 07 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和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和驱动蜂鸣器报警。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和一个数码管即可。但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 单元电路的选定和设计3.1 拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路 图3.1 拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路 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1K10K,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 循环计数器和译码显示电路 图3.2循环计数和译码显示电路如图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，显示部分使用的是共阳数码管，74ls47的AG输出端分别对应接数码管的ag,，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Pt100R,Pt100R时输出为高电平,Pt100=R时输出为低电平。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：Pt100R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：EM1712 DC； （3）信号源： (4)示波器：TDS3502B 500MHz4.3 拨码开关电路、数据选择器和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，然后检测的是输出端Y的电平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中可以看出，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，可以看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07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。从图中可以看出方波频率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18位拨码开关1共阳数码管（5101BH）1Pt100热电阻1蜂鸣器174LS151（8选1数据选择器）174LS160（十进制计数器）174LS04（6非门）174LS47（译码器）1NE5551LM3241电容0.01uF1电容0. 1uF1C9013（三极管）11N4148（二极管）420k电位器1DIP163DIP142DIP83110电阻3330电阻71K电阻13510电阻110K电阻23.3K电阻1750K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，并且发出报警和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、仿真和模块测试方法，焊接布局）2检查学生的器件手册，单元电路设计和模块测试方法，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、数据选择器和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、电容和电阻”，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、验收和回收元件