8路巡回检测报警系统的设计与实现.docx
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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
班级：
学号：
姓名：
成绩：
日期：
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3
1设计任务4
设计选题4
设计任务要求4
2方案设计与论证5
方案一5
方案二6
3单元电路的选定和设计7
拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路7
循环计数器和译码显示电路9
时钟发生电路9
窗口电压比较器电路....................................................................................................11
温度传感器电路............................................................................................................12
4装配与调试..............................................................................................................................14
装配注意事项..............................................................................................................14
测试仪器......................................................................................................................15
拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路的测试.................................................15
循环计数器、译码显示电路的测试............................................................................16
时钟发生电路的测试....................................................................................................17
窗口电压比较器电路的测试......................................................................................17
温度传感器电路的测试20
5实验总结21
完成情况21
问题及对策21
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
设计选题
8路巡回检测报警系统的设计与实现
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
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,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。
系统方框图如图所示。
图系统方框图
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
拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路
图拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路
如图所示，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：
循环计数器和译码显示电路
图循环计数和译码显示电路
如图所示，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，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。
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：
放电时间：
振荡周期：
故取：
C1=，C2=，
，
电路及仿真波形如下图所示
图时钟发生电路
图仿真波形
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
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：
Pt100Pt100>R时
4装配与调试过程
装配注意事项
1、注意电路布局；2、尽量少用跳线；
测试仪器
（1）万用表；
（2）直流稳压电源：
EM1712DC；（3）信号源：
（4）示波器：
TDS3502B500MHz
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（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、从中可以看出，输出端~W的电压为，可认为低电平，与Y端输出相反。
3、从图（右图）可得，~W端电压为，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。
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：
图图图图中显示为数字6，可以看到数码管有两处不能正常显示，图中的数字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0~7的数字显示，所以，此单元测试符合要求。
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电路输出波形如图所示。
从图中可以看出方波频率f=，经计算，满足巡回检测周期不超过8s的要求。
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
温度传感器电路的测试
如下图左上方
5实验总结
完成情况
问题及对策
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
1
8位拨码开关
1
共阳数码管（5101BH）
1
Pt100热电阻
1
蜂鸣器
1
74LS151（ 8选1数据选择器）
1
74LS160（十进制计数器）
1
74LS04（6非门）
1
74LS47（译码器）
1
NE555
1
LM324
1
电容
1
电容0.1uF
1
C9013（三极管）
1
1N4148（二极管）
4
20k电位器
1
DIP16
3
DIP14
2
DIP8
3
110
电阻
3
330
电阻
7
1K
电阻
13
510
电阻
1
10K
电阻
2
电阻
1
750K
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
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