桂林理工大学信息科学与工程学院“电子系统设计创新与实践”
实习指导书
适用于电子信息工程（四周）
桂林理工大学信息科学与工程学院
2015-5
目次
1．实习目的与基本要求 (1)
1.1 基本目的 (1)
1.2 基本要求 (1)
1.3 成绩构成 (2)
2．设计题目及基本要求 (3)
2.1 基于单片机和K型热电偶的温度测量仪表设计 (3)
2.1.1 基本功能与技术指标要求 (3)
2.1.2 一种参考结构 (3)
2.1.3 设计报告格式及内容 (6)
2.2 基于单片机的无线温湿度测量仪设计 (7)
2.2.1 基本要求 (7)
2.2.2 参考方案 (7)
2.2.3 设计报告格式及内容 (8)
2.3 脉宽调制型直流稳压电源设计 (9)
2.3.1 功能与技术指标要求 (9)
2.3.2 参考方案 (9)
2.3.3 设计报告要求 (11)
2.4 数控恒流电源设计 (12)
2.4.1 功能与技术指标要求 (12)
2.4.2 参考方案 (12)
2.4.3 设计报告 (14)
2.5 标准直流mV信号源设计 (15)
2.5.1 功能与技术指标要求 (15)
2.5.2 参考方案 (15)
2.5.3 设计报告 (16)
2.6 基于单片机的运算放大器性能测试装置设计 (17)
2.6.1 基本功能与技术指标要求 (17)
2.6.2 技术方案 (17)
2.6.3 设计报告基本要求 (19)
2.7基于单片机的基本逻辑门电路性能测试装置设计 (20)
2.7.1 基本功能要求与参数测试 (20)
2.7.2 参考方案 (20)
2.7.3 设计报告的基本要求 (20)
2.8 基于单片机的基本RS、JK、D触发器逻辑功能测试装置设计 (21)
2.8.1基本功能要求 (21)
2.8.2 参考方案 (21)
2.8.3 设计报告基本要求 (21)
2.9 基于单片机的晶体管基本参数测试装置设计 (22)
2.9.1基本功能要求 (22)
2.9.2 参考方案 (22)
2.9.3 设计报告基本要求 (22)
2.10 基于单片机的数字式小阻值电阻测量装置设计 (23)
2.10.2 参考方案 (23)
2.10.3 设计报告要求 (29)
2.11 具有温湿度测量功能的万年历设计 (30)
2.11.1 基本要求 (30)
2.11.2 参考方案 (30)
2.11.3 设计报告 (31)
2.12 基于单片机和红外传感器的心率检测装置设计 (32)
2.12.1 基本设计要求 (32)
2.12.2 参考设计 (32)
2.12.3 设计报告 (35)
2.13 基于单片机的无线鼠标设计 (36)
2.13.1 基本设计要求 (36)
2.13.2 参考方案 (36)
2.13.3 设计报告 (37)
2.14 基于ZigBee无线传感器网的家用照明控制器设计 (38)
2.14.1 基本要求 (38)
2.14.2 参考方案 (38)
2.14.3 设计报告基本要求 (39)
2.15 基于单片机的简易二极管伏安特性曲线测试仪设计 (40)
2.15.1 基本要求 (40)
2.15.2 参考方案 (40)
2.15.3 设计报告基本要求 (40)
2.16 基于单片机的数字显示简易频率计设计 (41)
2.16.1 基本要求 (41)
2.16.2 参考方案 (41)
2.16.3 设计报告基本要求 (41)
2.17 基于单片机的超声波测距仪设计 (42)
2.17.1 基本要求 (42)
2.17.2 参考方案 (42)
2.17.3 设计报告基本要求 (42)
2.18 基于CPLD/FPGA的程控信号发生器设计 (43)
2.18.1 功能与技术指标要求 (43)
2.18.2 参考方案 (44)
2.18.3 设计报告基本要求 (44)
2.19 基于单片机的程控信号发生器设计 (45)
2.18.1 功能与技术指标要求 (45)
2.19.2 参考方案 (46)
2.19.3 设计报告 (47)
2.20 基于单片机的可程控数字录放音机设计 (48)
2.20.1 功能与技术指标要求 (48)
2.20.2 参考方案 (48)
2.20.3 设计报告 (49)
2.21 基于电感传感器的路迹中心检测装置设计 (50)
2.21.2 参考方案 (50)
2.21.3 设计报告 (53)
2.22 基于单片机串行通信的无线发射极和接收机设计 (54)
2.22.1、功能与技术指标要求 (54)
2.22.2 参考方案 (54)
2.22.3、设计报告 (55)
2.23 基于单片机的黑白条纹检测装置设计 (56)
2.23．1功能与技术指标要求 (56)
2.23．2参考方案 (56)
2.23．3设计报告 (56)
2.24 基于单片机的正弦波有效值测量仪表设计 (57)
2.24.1基本功能与技术指标要求 (57)
2.24.2 一种参考结构 (57)
3设计报告格式及内容 (64)
2.25 基于单片机的智能台灯设计 (65)
2.25.1基本功能与技术指标要求 (65)
2.25.2参考方案 (65)
2.25.3设计报告基本要求 (65)
2.26 基于单片机的危害气体检测与报警装置设计 (66)
2.26.1 基本功能与技术指标要求 (66)
2.26.2 参考方案 (66)
2.26.3 设计报告基本要求 (66)
2.27 家用花盆智能浇水装置设计 (67)
2.27.1 基本功能与技术指标要求 (67)
2.27.2 参考方案 (67)
2.27.3 设计报告基本要求 (67)
2.28 具有光通信功能的发光二极管手电筒设计 (68)
2.28.1 基本功能与技术指标要求 (68)
2.28.2 参考方案 (68)
2.28.3 设计报告基本要求 (68)
2.29 直流稳压电源设计 (69)
2.29.1 基本功能与技术指标要求 (69)
2.29.2 参考方案 (69)
2.29.3 设计报告基本要求 (69)
2.30 基于单片机的无线投票器设计 (70)
2.30.1 基本功能与技术指标要求 (70)
2.30.2 参考方案 (70)
2.30.3 设计报告基本要求 (70)
附录1： (72)
1. 绪论 (75)
1.1 题目 (75)
1.2. 研究目标与意义 (75)
1.3. 相关技术的现状 (75)
2. 总体技术方案 (77)
2.1 技术方案比较 (77)
2.2 总体技术方案 (77)
3. 硬件系统设计 (78)
3.1 硬件总体原理框图 (78)
3.2 关键元件介绍 (78)
3.2.1 ****** (78)
3.2.2 ****** (78)
3.2.3 ***** (78)
3.3 硬件设计 (79)
3.3.1 ******电路设计 (79)
3.3.2 ******电路设计 (79)
3.3.3 *******电路设计*** (79)
4. 软件系统设计 (80)
4.1 软件功能介绍 (80)
4.2 程序设计总体方案 (80)
4.2.1 总体设计思路 (80)
4.2.2 程序流程框图 (80)
4.3 程序的实现 (80)
5. 装置样机的制作与调试 (81)
6. 实验测试 (82)
6.1 实验测试目的 (82)
6.2 *****测试 (82)
6.2.1 ***测试方法与步骤 (82)
6.2.2 ***测试方法与步骤 (82)
6.3 测试结果 (82)
7. 总结 (83)
参考文献 (84)
1．实习目的与基本要求
1.1 基本目的
本实习是毕业设计前的一次综合实习，通过实习，基本熟悉利用所学专业知识进行电子系统设计、制作、调试的基本方法，基本掌握设计报告的撰写方法。
1.2 基本要求
每个小组2人，以设计小组为单位，每组选择一个题目，按照各题目的功能、技术指标要求完成以下任务：
（1）查阅所选设计（或研究）课题的相关技术资料，通过阅读资料了解相关技术的历史、国内外的研究现状、发展趋势；
（2）通过阅读资料了解已有的主要技术方案，以及这些技术方案、相关产品所达到的技术指标；
（3）制定总体技术方案，完成电路原理设计、程序设计；
（4）完成样机实物制作，调试，校准；
（5）完成样机功能测试，技术指标测试；
（6）完成设计报告的撰写；
（7）提交样机和设计报告，要求设计报告每人一份。
注：设计报告要求每人一份，同一组2人在整个设计中分工合作共同完成整个设计任务，但每人的侧重点不一样，完成的具体工作有一定的差异，这些都需要在
设计报告中明确反映出来，每个人的设计报告除了共同的内容，还应该有自己的特点，不应全相同，不允许拷贝。
1.3 成绩构成
要求必须完成实物样机制作，样机能运行。没有完成样机制作，或样机不能运行，不予验收，无实习成绩。
在完成样机制作，样机能运行条件下，进行实习设计验收，实习成绩由以下三部分构成：
（1）实物测试成绩：41%
（2）设计报告：39%
（3）考勤：20%
其中实物测试中：
1）样机不能运行则实物测试成绩为0
2）样机能正常运行：60%
3）满足各项测试功能与指标：40%
设计报告中：
1）国内外相关情况概述：10%
2）技术方案与基本原理：40%
3）实验方法与测试数据及分析：40%
4）改进设想的提出：10%
2． 设计题目及基本要求
2.1 基于单片机和K 型热电偶的温度测量仪表设计
2.1.1 基本功能与技术指标要求
（1）温度测量范围：室温~200℃；
（2）温度检测元件：K 型分度号热电偶；
（3）具有热电偶冷端温度自动补偿功能；
（4）温度测量误差：≤1℃±FS*2%;
（5）测量值温度漂移≤100ppm/℃；
（7）温度显示：LED 或LCD 数字显示，显示分辨率0.1℃
（7）具有温度上限、下线设置功能，当温度测量值越限时，进行声光报警；
（8）电源：电网AC220V , 要求在电网电压变化±15%范围内能够正常工作。
2.1.2 一种参考结构
一种可供参考的功能结构框图如题2.1图1.
题2.1图1 一种温度测量仪表功能结构 热电势 放大器 ADC 环境温度测量 直流稳压电源 单片机 数字显示 上下限设置
声光 报警 片内或片外 U REF
（1）热电势放大器
K型热电偶分度表如下
表2-1：K型热电偶分度表
T/℃0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -300 -6.458 -6.441 -6.404 -6.344 -6.262 -6.158 -6.035 -200 -5.891 -5.730 -5.550 -5.354 -5.341 -4.913 -4.669 -4.411 -4.138 -3.852 -100 -3.554 -3.243 -2.920 -2.587 -2.243 -1.889 -1.527 -1.156 -0.778 -0.392
0 0.000 0.397 0.798 1.203 1.612 2.023 2.436 2.851 3.267 3.682
100 4.096 4.509 4.920 5.328 5.735 6.138 6.540 6.941 7.340 7.739 200 8.138 8.539 8.940 9.343 9.747 10.153 10.561 10.971 11.382 11.795 300 12.209 12.624 13.040 13.457 13.874 14.293 14.713 15.133 15.554 15.975 400 16.397 16.820 17.243 17.667 18.091 18.561 18.941 19.366 19.792 20.218 500 20.644 21.071 21.497 21.924 22.350 22.766 23.203 23.629 24.055 24.480 600 24.905 25.330 25.755 26.179 26.602 27.025 27.447 27.869 28.289 28.710
在要求的温度测量范围内，热电势0mV~8.2mV。为满足测量误差需要，ADC 的参考电压U REF.应该使用基准电源芯片产生（例如LM336-2.5），ADC满量程输入信号由ADC的基准电压U REF确定，依据热电势信号和ADC满量程输入信号值，计算热电偶放大电路的增益（最高测量温度对应的热电势，经放大后接近AD的参考电压值，这样就可以计算出放大器的增益）。为了减小干扰噪音对温度测量的影响，热电偶放大电路应该具有滤波功能，通常情况温度是缓慢变化的物理量，因此热电偶输出信号也是缓慢变化的信号，温度测量的噪音包括高频噪音和50Hz工频干扰，应该设计滤波方法（应该是硬件滤波和软件滤波相结合）滤除这些干扰信号。
（2）热电偶的冷端补偿
热电偶分度表是在冷端温度T0=0℃时给出的热电势E（T，0）与测量端（热端）温度T的关系，在实际使用中难以将热电偶的冷端（接入仪表的一端）保持在0°C，在冷端温度为T0°C时测得热电偶的热电势信号是E(T,T0)需要对电势
信号E(T,T 0)进行补偿，才能利用分度表获得被测温度值T °C 。利用计算机软件进行冷端温度补偿是计算机温度测量中一种常用的冷端补偿方法。补偿公式
)0,(),()0,(00T E T T E T E +=
其中：T ——热电偶热端温度，即待测温度；
T 0——热电偶冷端温度
E(T,T 0)——热电偶冷端为T 0℃，热端为T ℃时的热电势
E(T 0,0)——热电偶冷端为0℃，热端为T 0℃时的热电势 E(T,0)——热电偶冷端为0℃，热端为T ℃时的热电势
补偿电势E(T 0,0)可以通过以下方法得到：
① 利用半导体集成温度传感器（例如DS1 8B20等数字式集成温度传感器）测量热电偶冷端所处环境的温度T 0；
② 根据T 0利用K 型分度号热电偶分度表（或用分段线性化计算的方法）获得与之对应的电势信号E(T 0,0)。
冷端温度测量用传感器应该尽可能靠近热电偶接入仪表的接线端子处。
（3） ADC 的选择
温度测量的精确度1℃±1%FS ，实际上绝对误差达到2℃左右，ADC 的选择一般按照精度要求。温度测量的系统误差主要包括：热电偶的固有误差、放大电路的误差、ADC 参考电压误差、ADC 的量化误差、计算机运算时的舍入误差，其中热电偶固有误差影响较大、ADC 、放大器、运算的舍入可以由我们设计者控制。
依据设计指标要求选择合适的ADC 、基准电源和热电偶放大电路，在设计
报告中要求描写ADC位数、ADC参考电压误差、放大倍数误差对测量误差的影响，给出计算过程。
温度对测量误差的影响主要由ADC参考电压温度漂移、放大电路放大倍数漂移、热电偶冷端补偿误差造成。
显示分辨率可通过对AD信号的滤波获得提高（例如平均值），只要在数据处理中使用足够多个ＡＤ值，运算中保留到0.1℃，就可实现0.1℃的显示分辨率。（4）直流稳压电源电路
将220V交流电源转换为所需要的直流稳压电源。应该注意应该在电网电压变化±15%的情况下，仍然能够为测温仪表提供稳定的直流工作电源。
以上仅供参考。除了所要求的基本功能外，可以按兴趣扩展其他功能。2.1.3 设计报告格式及内容
设计报告的内容和格式要求见附录1.
注：同一组同学，分工不同，报告内容的侧重点亦可不同。
2.2 基于单片机的无线温湿度测量仪设计
2.2.1 基本要求
设计一个无线数据传输温湿度测量仪，基本功能：
（1） 由温湿度测量与无线发送装置和无线接收与显示装置组成
（2）温度测量分为：室温～50℃；
（3） 湿度测量范围：相对湿度20%～90%；
（4） 测量仪表利用LCD 显示温度和湿度，并具有无线数据传输功能，传输距离不小于10米；
（5） 无线接收模块接收测量模块的测量数据，利用LCD 显示温度和湿度。
2.2.2 参考方案
一种温湿度测量与无线发送、无线接收与显示装置参考方案如题2.2图1所示。
（a ）测量与无线发送装置P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 DA TA MOSI
MISO
SCLK
CSn 温度：****℃
湿度：** %
直流稳压电源，为各模块提供所需要的电源 P0.7 ～P0.0 P1.4－P1.7 DHT11 无
线收发
模
单片机
（b ）无线接收模块 题2.2图1 基于单片机的无线温湿度测量仪参考方案
针对具体的单片机和无线数据传输模块，改图应进行修改。
2.2.3 设计报告格式及内容
设计报告的内容和格式要求见附录1.
注：同一组同学，分工不同，报告内容的侧重点亦可不同。 P1.1 P1.2 P1.3 MOSI
MISO
SCLK
CSn 温度：****℃
湿度：** %
直流稳压电源，为各模块提供所需要的电源
P0.7 ～P0.0 P1.4－P1.7 无
线收发
模
单片机
2.3 脉宽调制型直流稳压电源设计
2.3.1 功能与技术指标要求
（1）输入电压：交流50V；
（2）输出电压：1~50V可调；
（3）输出电压纹波：100mV；
（4）负载电流：0 ~ 2A；
（5）要求在输入交流电压变化±15%时，输出电压变化不大于±1%；
（6）要求在负载电流在0~2A之间变化时，输出电压变化不大于±1%；
（7）电源效率：最恶劣情况下效率≥70%；
（8）具有过载保护功能，过载后关闭输出，红色过载信号灯量，排除过载故障后，手动按下清除故障重起按钮，或关闭电源重新开机，恢复输出
电压；
（9）数字设定（调整）输出电压，相邻两档电压增量粗调1V，细调0.1V；
(10) 数字显示输出电压、电流。
2.3.2 参考方案
一种参考方案如题2.3图1所示。
题2.3图1 PWM型可调直流稳压电源参考方案
（1）为了安全，利用工频隔离变压器获得AC50V电源作为本开关稳压电源的输入交流电源。
（2）AC50V电源经整流滤波得到直流主电源VZ，并由VZ获得PWM控制电路、单片机系统、AD、DA电路所需要的辅助工作电源；
（3）在PWM控制电路控制下，由PWM主电路将直流主电源VZ逆变为PWM 脉冲VHP；
PWM控制电路可以使用硬件PWM控制集成电路，也可以使用单片机直接产生PWM控制信号。单片机可以使用51系列兼容单片机，也可以使用STM32系列ARM核单片机或其他单片机。
（4）主电路输出的PWM脉冲VHP经滤波电路滤波，得到直流输出电压VO。（5）输出电压VO经电压检测电路检测，该检测值做为反馈信号VF，构成闭环PWM控制系统，实现输出电压的调压和稳压控制。同时电压检测信号经AD变换，用于显示；
当用单片机产生PWM控制信号时，电压检测信号送到AD电路，单片机根据检测信号来改变PWM控制信号的脉冲宽度，当输出电压VO大于要求的电压时，单片机通过执行程序减小PWM脉冲宽度，反之增加如果输出电压小于要求的电压，则由单片机执行程序增大PWM脉冲宽度，使电压增加。
（6）电流检测电路检测输出电流，用于显示和过载保护。电流检测作为可选内容。
2.3.3 设计报告要求
设计报告的内容和格式要求见附录1.
注：同一组同学，分工不同，报告内容的侧重点亦可不同。
2.4 数控恒流电源设计
2.4.1 功能与技术指标要求
（1）输入电压：交流24V；
（2）输出电流：0~500mA可调；
（3）电阻性负载，负载电阻范围：20Ω~1KΩ；
（4）负载电阻上最大输出电压：25V；
（限制最大功率，在功率允许范围内保证恒流指标）；
（5）要求在输入交流电压变化±15%时，输出电流变化不大于±2%；
（6）要求在负载电阻在20Ω~1KΩ之间变化时，输出电流变化不大于±2%；
（7）数字显示输出电流、输出电压；
（8）数字分档控制输出电流，相邻两档步进量1mA；
（9）具有输出开路（和输出电压过高）保护功能，负载开路时，红色故障灯亮，排除过载故障后，手动按下清除故障重起按钮，或关闭电源重新
开机，恢复输出；
2.4.2 参考方案
一种参考方案如题2.4图1所示。
题2.4图1 一种数控恒流源
（1） 控制部分供电电源
为全部控制电路提供工作电源，该组电源保证控制电路（单片机及全部控制电路）正常工作。
（2） 恒流部分供电电源
为恒流电路提供供电电源，要保证能够向负载提供最大输出电压（25V ），最大输出电流。
（3） 恒流源电路
可以使用场效应管线性恒流源，如题2.4图2所示。 放大电路A D C U R1D A C D 0D 1D n CS AD CS DA
I SET I T 电源电路+5V -5V
GND 7.5V 2只18650串或5节5号电池R X U T +
-A F B E
C D R C1+R W +R C2按键L C D
单片机R C1+R W +R C2R C1+R W +R C2R C1+R W +R C2R I
题2.4图2 场效应管恒流源原理示意图
在上图中，U S 为电流设定值，可以有DA 送来，OPA2输出电压U F 作为OPA1的负反馈电压。
OUT I F I R R R U R R U ??-=-=32
121 由于运放的开环增益很大（→∞），因此有
R W
R C1R C1
R W I T R C2电压测量R C2
H
G
式中US为电流给定信号，由单片机通过DA产生，只要改变US就可以改变恒流电路输出电流的值。只要选择稳定性较好的金属膜电阻，则电阻R1、R2、R3是恒定值，输出电流值只收控制电压U S的控制。
需要依据控制指标要求，计算场效应管T1的参数并选择合适的场效应管。计算场效应管的最大功耗和最大发热量，当功耗过大发热量大时，就需要给场效应管T1配置合适的散热器。如果自然冷却所需要的散热器太大，就应该考虑增加散热风扇（由于在电子系统中，风扇是可靠性最低的元件之一，为了提高电子系统的可靠性，建议在不是特别需要时尽量选择自然风冷）。
应根据需要选择合适的运算放大器，计算并选择电阻R1~R3。
也可以选择PWM控制方式的开关型恒流源电路或其他恒流控制电路。（4）单片机通过DA输出电流给定值，送到恒流源电路，产生所需要的恒流电流，DA电路将输出电流转换为数字信号，用于显示或闭环控制。
2.4.3 设计报告
设计报告的内容和格式要求见附录1.
注：同一组同学，分工不同，报告内容的侧重点亦可不同。
2.5 标准直流mV 信号源设计
精密毫伏直流输出信号的用途：在仪表校准中作为基准信号（标准信号），因此要求其精度高，稳定性好，纹波小。
2.5.1 功能与技术指标要求
（1）输入电压：交流24V ，为减小纹波，关键部分可以使用电池供电；
（2）输出电压：① 0~50mV 可调，步进量0.1mV ，误差≤0.1mV ② 50mV~500mV 可调，步进量1mV ，误差≤0.5mV
（3）输出阻抗：≤100Ω
（4）最大输出电流：10mA;
（5）输出电压纹波：<1mV;
（6）数字显示输出电压，显示分辨率 0.1mV
2.5.2 参考方案
一种参考方案如题2.5图1所示。 R C2
R C2
R C1I T 电压测量R C1R W R W R X
H
G
题2.5图1 数控恒流源