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

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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

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:5 1.66

3340.01

CC f

on

V V R I --=

=

=Ω 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:111**2R C In T = 放电时间:212**2R C In T =

振荡周期:)(**221121R R C In T T T +=+= 故取:C1=0、1uF,C2=0、01uF,1750R k =,2750R k = 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:

V R R R R R VCC 3)

(*3

2132=+++

下限电压:

V R R R R VCC 2*3

212

=++

取

Ω

=Ω=Ω=K R K R R 1,1,510321

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

放大倍数:1

6

R R A u =

电桥输出电压:

|

|*41001R R R R R

E

U Pt -=??=

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:EM1712 DC; (3)信号源: (4)示波器:TDS3502B 500MHz 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。