电子系统设计报告
8.2.2
□□□ | □□□□□□□ | 2015-9-14
目录
技术指标与系统结构 ..................................................................................................................................... 2 1.1功能要求 ................................................................................................................................................ 2 1.2系统结构 ................................................................................................................................................ 2 1.3技术指标 ................................................................................................................................................ 2 1.4设计材料清单 ........................................................................................................................................ 2 整体方案设计 ................................................................................................................................................. 3 单元电路设计 ................................................................................................................................................ 4 3.1温度传感器 ........................................................................................................................................... 4 3.2电压放大器 ........................................................................................................................................... 5 3.3 A/D转换 ............................................................................................................................................... 5 3.3.a主要性能： ................................................................................................................................... 6 3.3.b工作原理： .................................................................................................................................... 7 3.4 EPROM转码 ...................................................................................................................................... 8 3.5时钟 ...................................................................................................................................................... 9 3.6数据选择器 .......................................................................................................................................... 9 3.7数据比较器 .......................................................................................................................................... 9 调试 ............................................................................................................................................................... 10 4.1温度传感器 .......................................................................................................................................... 10 4.2电压放大器 ......................................................................................................................................... 10 4.3 A/D转换 .............................................................................................................................................. 11 4.4 EPROM .............................................................................................................................................. 11 4.5时钟发生器 ......................................................................................................................................... 12 4.6数据选择器 ........................................................................................................................................ 12 4.7数据比较器 ......................................................................................................................................... 13 4.8数字显示电路 ..................................................................................................................................... 13 设计小结 ....................................................................................................................................................... 14 5.1设计任务完成情况 .............................................................................................................................. 14 5.2问题及改进 ......................................................................................................................................... 14 5.3心得体会 ............................................................................................................................................. 15
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技术指标与系统结构
1.1功能要求
能够测量和用数字方式实时显示测量的温度值。当温度超过自己的设定值时，系统发出指示或报警。报警温度可以自行设定。
1.2系统结构
整体框图如图所示，其中S1为系统复位，S2为报警温度设定。
1.3技术指标
1. 温度测量范围：0~99℃。 2. 显示精度：1℃。 3. 测温灵敏度：20mV/℃。 4. 用四位数码管进行显示。
5. 用LED发光二极管或蜂鸣器进行温度报警。 6. 报警温度可以任意设定。
1.4设计材料清单
材料名称 LM35 LM324 LM339 ADC0809 4511 C392 数量 1 1 1 1 2 2 备注 温度传感器 运放 电压比较器 A/D转换器 七段显示译码器 七段共阴数码管 页 2
28C64 4029 74157 7485 7400 7420 555 LED 排阻1K*8 8位拨码开关 自复按键 51K电阻 5.6K电阻 0.01uF电容 1k,10k,300Ω，100K 0.01 u ,0.1u, 0.001u 1 2 2 2 1 1 1 8 1 1 3 1 1 2 各2个 各2个 *电源是±5V的双电源 EEPROM 4位二/十进制可逆计数器 四2选一数据选择器 4位比较器 2输入与非门 4输入与非门 定时器 发光二极管 电阻 电容 整体方案设计
通过之前给出的电子元器件，首先需要将各个元器件区分出来，分清楚哪些元器件负责整个系统哪一部分的工作。根据数据手册上给出的功能，我们可以知道，LM35负责温度测
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量，LM324负责将测量的模拟电压放大，ADC0809进行A/D转换，一路通过28C64的EPROM进
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行转码得出BCD码，两个4511七段显示译码器与两个C392七段共阴数码管负责显示温度数据，用一个74157负责动态显示。另一边，两个LM339四位比较器在4511前面，进行报警温度的比较。另一片74157实现数码管上的【测量温度】与【设定报警温度】之间的切换。报警温度是通过8位拨码开关与排阻共同协作设置的，使用7485比较器进行比较，优点是这样做能较为快速的调整所要设定的温度，整个系统结构较为简易。555定时器为整个系统提供时钟。
除此以外，还有其它方案。基于之前提出的方案，我们可以微调：比如说将之前的数字比较部分替换为模拟比较，AD0809后直接接28C64，AD0809负责温度传感器模拟量以及预设报警温度模拟量的转换。报警温度的比较用模拟比较的方式，即为LM339比较两个模拟量之间的大小，最后输出一个布尔型的比较结果。这个方法的好处是比较值更容易调整，所得出的比较结果更加准确。
最后，在详细地研究论证过后，我选择了第一种方案。因为第二种方案需要平滑地过度，所提供的元器件当中并没有电位器之类的可以让模拟量平稳过渡的元件。而且，使用数字型电路也满足要求的指标。综上，我选择第一种方案。
右图即为其中一种原理方框图。
单元电路设计
3.1温度传感器
使用LM35需要注意其灵敏度为10mV/℃。因为要求的测
量温度范围为0~99℃，所以采用双电源供电。
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3.2电压放大器
采用了LM324上面的两片运放，放大电压到两倍，这样电压放大器之后的灵敏度为
20mV/℃，满足了测温灵敏度的这项指标。下图为引脚功能图。（TL084用法相同）
3.3 A/D转换
将之前传导来的模拟量转化为8位的数字量，送到后方进行显示或比较。
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如左图所示，有两种封装形式，PDIP与PLCC。功能相同。
时序图如下图所示。
尽管提供的是八通道的A/D转换器，我们只需要使用一路转换即可。
此A/D转换芯片为逐次逼近式芯片，思想方法随后。
3.3.a主要性能：
（1）采用单+5V电源逐次逼近式A/D转换，工作时钟典型值为640KHz，转换时间约为100μs。
（2）分辨率为8位二进制码，总失调误差：ADC0809为±1LSB。
（3）当用+5V电源供电时，模拟量的输入电平范围0～5V，不需要零点和满度调节。 （4）具有8通道闩锁开关控制，可以直接接入8个单端模拟量。
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2（5）数字量输出采用三态逻辑，输出符合3TTL电平。 （6）容易与各种微处理器连接，也可以独立工作。 43.3.b工作原理： 假设D/A转换器的基准电压U'REF=8V，采样保持信号为UI=4.75V。 第一步：转换开始前先将逐次逼近寄存器清“0”； 第二步：第0个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压U'REF，并送到比较器中与UI进行比较。若UI 最后，使用ADC0809输出的值即为模拟值对应的数字量。 3.4 E2PROM转码 该款EPROM是28C64，13地址端输入，4地址端输出的数据存储器，含163=4096个单元的存储器，每个单元8bit。 2 页 8 此处28C64是用于将之前转换的数码变为4511可使用的8421BCD码。0000H→00H，0001H→01H，0002H→02H，……，0009H→09H，000AH→10H，000BH→11H，……，0063H→99H 只要地址端输入相应的数据时，数据端就会输出对应地址存储的数据。在这里就是用这种方式转码的。为了确保数据传输稳定，可以添加一片74573，确保数据传输的稳定。 3.5时钟 这里提供的NE555芯片负责整个系统的时钟提供。本套指标所需要的频率在10K~1280k Hz之间。这里有基础电路图如图所示： 3.6数据选择器 74157数据选择器用来切换显示【温度测控值】以及【报警温度值】，管脚图如下： 3.7数据比较器 7485为常见的4位数据比较器。通过级联方式变为8位数据比较器。此处数据比较器使用方式如下： 页 9 调试 4.1温度传感器 根据先前的温度传感器的datasheet，按照设计图进行连接，所得电路如下图所示： 其中，2脚输出的即为模拟电流，电流大小指示温度。 4.2电压放大器 电压放大器提供TLV084或者LM324，但是使用方法一样，可以使用同样的一套图设计。 根据电路图连线，前级接一个电压跟随器，后级接一个电流放大器。要求系统有 20mA/℃的精度，所以计算可得需要放大两倍。同时，需要注意阻抗匹配，这样的话才能够进行正常传输。于是设计的电路图如下： 页 10 4.3 A/D转换 将符合要求的电流转化为数字量，以方便之后的显示与比较。 因为是一路显示，所以在下面选择数据的端口都接地。电路图如下图所示。 LM35输出/mA 经过放大后的电流/mA 理论输出 实际输出 误差/℃ 251 503 25 25 0 280 562 28 28 0 301 598 30 29 1 误差在合理范围之内，可以使用此温度传感器搭配AD0809使用。 4.4 E2PROM 转化数据形式可以通过28C64进行，出来的为8421BCD码。 电路图如下图所示。 11 页 4.5时钟发生器 测试出来的波形如下图所示： 通过如图附的公式可以比较简单地计算出所 需要的电阻值。按照这样的方式，出来的是640kHz的方波。 此处T=1/640kHz。 4.6数据选择器 两个数据选择器是为了选择8位的二进制数。具体的选择动作由按键控制进行。 页 12 4.7数据比较器 两个数据比较器是为了比较8位的二进制数。 如上图，即为电路连接图。 Warning端输出【报警】信号，用于显示比较结果。 设定值/℃ 实际值/℃ 是否报警 24 25 是 25 25 是 26 25 否 根据如上表格， 4.8数字显示电路 ①.通过给所有的数码管供电测试看是否可以正常显示【8.】字符。 13 页 ②.通过向4511输入下列数值测试看是否能输出正常的数字。 检测用表格： 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 结论：两个数码管均能正常使用，同时，4511能正确将8421BCD码转化为可在数码管上显示的编码。 设计小结 5.1设计任务完成情况 在老师和同学们的帮助下，我完成了整个实验的设计，能够正常显示温度，温度比较部分可以正常工作。完成了实验当初设定的目标。 5.2问题及改进 在板子的设计与搭建的过程中，确实遇到了或这样或那样的困难，不过我在老师和同学们的帮助之下，的确解决了某些存在的问题。 起初，LM35搭建是顺利的。然而发现其后的电压放大部分有问题：放大端出来的是1.5V的恒压，完全不是预估值400mV左右的正常值。断开后发现电流输出200mV的电压，正 页 14 常。排查连线后发现是图纸当中TL084的引脚使用错误，在第一级误将地端的信号进行反馈，完全忽略了信号的传送。之后将图纸改好后连线，电路恢复正常。 之后也遇到了各种小问题：比如说管脚连接错误或者是管脚虚接。按照书中所说的“分段查找”的方式进行排查，结果发现确实是自己的连线出现了问题。排除错误后，还要照着刚刚的检查方式再查验一遍，以免忽略了还未暴露的问题。 另外，要十分注意短接的问题。遇到了短接，轻则烧坏连接线、电阻芯片，重则烧坏电路、电源。所以，如果遇到一些异常情况，一定要先排查是否是电路短接造成的，在造成无法挽回的影响之前将电路断掉。比方说，如果用学生电源来为整套电路供电，供电时电流过大或者是电压意外下降，都是因为电路当中的某部分短接。除了短接，若是某些芯片极性接反或是某些引脚接错，都会导致芯片温度急剧上升。若是没有及时切断电源，那么芯片就会报废。所以说，在检测设备的时候需要时刻注意芯片的温度动向。 在烧录28C64的时候，需要注意是否真正地烧录进芯片内了，需要再次进行验证。 在显示部分，最好能够独立测试一下，否则出现乱码无法搞清楚到底是前面的转码部分还是后面的译码部分出了差错。 通过这个实践周的安排，我们掌握了从设计实验图到出组建好的成品的几乎所有的步骤。我的方案并不是通过面包板实现的，因为我担心接线比较多，面包板可靠性并不是那么好，连接到后面可能会遇到或这或那的问题。然而通过焊接进行的话，可能会有虚焊，而且排错也比较困难。不过整个系统的稳定性还是可以保证的。 5.3心得体会 我在整个系统的制作过程中，的确遇到了挺多的问题。然而，通过之前的改进方式，可以基本上解决所有的问题，积累了宝贵的经验。同时，我在此次实验当中，使用了Altium Designer、Multisim等软件进行仿真以及设计。感觉在设计过程中，我遇到的问题基本上是操作不够熟练造成的。所以我希望能够有更多类似的实验周的机会，就像校级电赛、省级电赛、电赛国赛等等比赛那样，能够不断锻炼一个人的各方面的水平，让他的学习新鲜事物的技能得以提升，在以后的工作、学习当中，不管遇到什么困难，都能用自己的方式来解决困难，让自己的能力到达一个新的高度。 另外，同学们的互相帮助的作用也不能小视。大家虽然开始设计的图不尽相同，但是功能、系统架构等等都是差不多的。在遇到问题的时候，多去请教身边的良师益友，会有意想不到的收获。平常不算很显眼的同学，在实验周的设计过程当中，或许就会有他自己的闪光点。要善于沟通，善于吸取同学们的宝贵经验，这是让我们自己快速进步的一个最好的方法。 最后，还是要有一颗积极向上的心。如果自己不要好的话，再好的设计思路也没办法变成图纸，更不用说是作出实际产品了。要勤于思考，善于分析，将自己手边的资料有机地整合起来，加以自己对知识的应用，才会真正转变为有价值的成果。如果一味照搬他人的设计方案，那么自己永远也得不到锻炼，能力的提高也就无从谈起了。既然有了自己的目标，沿着自己规划的道路走下去，道路或许并不会那么通畅，不过沿途一定会有只有奋斗者才能欣赏到的，美丽的风景。 页 15 附1：PCB板图 页 16 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容