温声光报警及数码显示控制系统

0科学 技 术 学 院SCIENCE & TECHNOLOGY COLLEGE OF NANCHANG UNIVERSITY工 程 训 练报 告REPORT ON ENGINEERING TRAINING题 目 温超声光报警及数码显示控制系统 学 科 部 、 系 ： 专 业 班 级 ： 学 号 ： 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 1起 讫 日 期 ： 2014.10.202014.10.29 0温声光报警及数码显示控制系统专业： 学号： 学生姓名：指导教师：摘要日照环境下物体表面温度超温声光报警及数码显示控制系统主要有三个部分组成，温度检测比较部分、震荡电路发生于分配部分和数字显示部分。主功能：白天有光照的环境下，物件表面温度超过一定的温度值时通过热敏电阻阻值的变化使得电压变化比较器的输出变化使得震荡电路和数字显示电路工作，可以灵敏稳定进行蜂鸣器声音报警以及 LED 发光二极管 X 形的字样流水报警，同时通过数码管可以清晰稳定的记录报警的次数。而在晚上无光照的条件下，因为物件不工作，即使物体表面的温度超过了规定的温度值时也不会进行报警和计数。该作品可以实现报警的温度值的设定，也可以设定声音的急促的程度同时 LED 灯的流水速度也可以进行控制。关键词：温度检测与比较、震荡电路、数码显示电路1目录摘要 1第一章 方案选择与确定 31.1 方案的选择 .31.2 方案的确定 .3第二章 温控报警系统的原理与设计 22.1 温度检测与比较 .22.2 震荡电路及流水灯 22.3 数码显示电路 .3第三章 系统调试 53.1 protues 软件的仿真调试 .53.2 硬件调试 .5第四章 总结 8参考文献（References）： 80第一章 方案选择与确定1.1 方案的选择物体表面温度超温报警，采用热敏电阻控制。热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC） 。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。负热敏电阻特性：随着温度的增加，热敏电阻的电阻阻降低。报警温度的设定可以采用分压模式，热敏电阻串联一个电阻来控制报警温度。LED 发光二极管 X 字形闪烁报警，采用 CD4017 来控制。CD4017 是一个十进制的计数芯片。它有十个引脚轮流输出脉冲。可以对 LED 发光二极管进行 X 型流水报警。超温故障次数进行计数及 LED 数码管清晰、稳定显示。CD40192 是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。CD4511 是 BCD 锁存/7 段译码器/驱动器，常用的显示译码器件，MAX7219 和他功能差不多。CD4511 的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码 七段码译码器，特点：具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动 LED 显示器。晚上无光照环境下，报警系统不作业。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些材料在特定波长的光照射下，产生载流子参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。1.2 方案的确定本系统主要是由热敏电阻、光敏电阻、CD4017、CD40192、CD4511、CD4011、LM358、NE556 等组成。热敏电阻和光明电阻作为控制信号，经过 LM358 放大器进行放大。再经过 CD4011 对两个信号进行与非的变换来到达晚上无光照环境下，系统不作业此功能。用 CD40192 进行超温报警次数的计数，在经过CD4511 驱动共阴极 LED （数码管）显示器进行超温报警次数的显示。用 NE556 做成一个振荡器，来控制蜂鸣器声音报警的急促及 LED 发光二极管 X 字形闪烁报警的快慢。CD40192来控制 LED 发光二极管 X 字形闪烁报警。1第二章 温控报警系统的原理与设计2.1 温度检测与比较热敏电阻和光敏电阻分别通过 LM358 的两个运算放大器进行比较，在经过 CD4011 进行与非来控制晚上不工作。通过调节电位器的阻值大小改变运算放大器的比较电压，从而改变温度报警的温度大小。白天：热敏电阻随着温度的增加，增加到一定的温度时经过运算放大器输出高电平；光敏电阻白天电阻极小，经过运算放大器的放大输出高电平；经过两个与非门来控制蜂鸣器声音报警及 LED 发光二极管 X 字形闪烁报警。经过四个与非们来控制超温故障次数进行计数，并通过 LED 数码管清晰、稳定显示。晚上：光敏电阻无光时电阻阻值到达很大，经过运算放大器比较输出低电平。此时不管温度多高，振荡器不工作蜂鸣器声音报警及 LED 发光二极管 X 字形闪烁报警都不进行报警。超温故障次数计数器不进行计数。电路图：图 12.2 震荡电路及流水灯2NE556 双定时器电路是高稳定控制器，能产生精确时间延迟或振荡，NE556 含两个NE555，对定时功能用一只外接电阻和电容，两个定时器共用一电源和地，相互独立工作。该电路能在下降波形触发与复位。输出端可吸收或供给 200mA 电流。用 NE556 做成一个振荡器，作为信号来控制蜂鸣器声音报警及 LED 发光二极管 X 字形闪烁报警。通过调节电位器来改变振荡器的频率从而改变蜂鸣器声音报警的急促及 LED 发光二极管 X 字形闪烁报警的快慢。CD4017：十进制计数器/脉冲分配器 CD4017 是 5 位 Johnson 计数器，具有 10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输 cd4017 入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器，提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每 10 个时钟输入周期 CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。通过 CD4017 来控制 LED 发光二极管 X 字形闪烁报警，NE556 控制蜂鸣器声音报警。电路图：图 22.3 数码显示电路CD40192 是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。当清除端 CR 为高电平“1”时，计数器直接清零；CR 置低电平则执行其他功能。当 CR 为低电平，置数端 也为低电平时，数据直接从置数端 J1、J2、J3、J4 置入计数器。CD45113是 BCD 锁存/7 段译码器/驱动器，常用的显示译码器件，MAX7219 和他功能差不多。CD4511的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动 LED 显示器。CD40192 是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。通过 CD40192 进行计数并通过 CD4511 驱动共阴极 LED （数码管）显示器。实际电路图如下：电路图：图 3由以上各模块得到完整电路图如下：图 4 4第三章 系统调试3.1 protues 软件的仿真调试设计好了方案之后，可以使用 protues 软件进行仿真。Protues 仿真软件是一个侧重于数字电路仿真与单片机仿真的一个软件同时也具有绘制 PCB 板的功能。在 protues 软件中我们可以找到所有要用的元件，按照设计的方案将其连接后如图 5 所示，点击运行图标，仿真中用两个电位器代替光敏电阻和热敏电阻，通过调节电阻 RV2 值的大小从而模拟白天和晚上，通过调节 RV3 来模拟温度正常和超过额定情况，观察现现。图 5在仿真时我们发现在点击开始仿真按键后，系统还未出现温超的情况就出现了流水灯未在初始位置，数码管有数字等现象，分析其原因，由于 CD4017 和 CD40192 上电没有自动复位导致的，故在电路上增加了由电阻和电容组成的微分电路，分别在电阻和电容之间引接导线至芯片的清零端，上电的瞬间微分电路出现的高电位实现了上电复位，消除了该现象。电路如图 5 红色圈出部分。53.2 硬件调试利用 Altium designer 软件按照设计画出原理图，如图 6 所示，将其导入 PCB 绘制出PCB 板如图 7 所示。图 6图 7通过打印、热转印、腐蚀、钻孔焊、安装元器件后得到硬件如图 8 所示。6接通电源，先在有光的条件下，即系统工作，当温度超过额定值时会产生报警和计数，用电烙铁加热热敏电阻模仿温度超过额定值，观察现象。之后将光敏电阻用黑胶带包裹模仿晚上的环境，再次用电烙铁加热热敏电阻，观察现象。如果各项功能正常的话，在第一种条件下加热热敏电阻应当是蜂鸣器发出一定频率的声音，流水灯与蜂鸣器的相同频率流水，同时加热一次数码管的数值加一。在第二种情况下加热热敏电阻电路应该没有任何反应。实际测试时基本的功能都能得以实现，但是在有光的条件下，在用电烙铁加热热敏电阻时稍微遮住光线就发生了数码管乱显示以及流水灯错乱。通过分析以上现象，得出出现该现象的原因主要是因为光敏电阻对光线过于敏感的原因造成的，而造成光敏电阻过于敏感是因为光敏电阻的变化范围造成的分压正好在比较电压的附近，只要光线稍微变化光敏电阻上的分压就可轻易越过比较电压的比较线，造成电路的不稳定。在实际电路中我是以两个电阻对电源电压进行串联分压得到的基准电压，已知电源电压 5V，则比较电压为 2.5V，而通过测量我们可以得到光敏电阻在有光无光之间的电阻分别为 2K 和 50K,通过原理图可知我们的取样电压也是通过串联分压得到的，故要使得光敏电阻上的微弱光线变化对电路不造成影响则我们取 47K，即只有在光线完全没有时电路才不工作。再次测试电路，该现象已经消除，电路稳定工作。图 8系统功能描述：1.通过调节与热敏电阻串联的电位器能够很好是实现温度值的设定。2.通过调节振荡器的电位器系统能够很好的调节蜂鸣器声音报警的急促及 LED 发光二极管X 字形闪烁报警的快慢。3.显示模块能够实现复位功能。4.晚上不作业功能很好。7第四章 总结经过两周的工程训练，首先我们学会了利用各种 EDA 软件如仿真用的 protues，绘制电路板用的 Altium Designer，并且利用软件中仿真出了实验结果使得我们的设计更加优化。Altium Designer 软件是一个功能很强大的软件，能够用该软件进行原理图的绘制，实物封装的制作，以及由原理图导成 PCB 图等。这两个软件可是在电子领域享有名气的EDA 软件，它们可以设计几乎所有的电路，以及对这些电路图进行调试和仿真，生成 PCB图等等。这两个软件是电子领域人员必须会熟练使用的两个软件。我们这次学习这两个软件为我们以后不管是学习还是工程训练或是做产品都打下了良好的基础。另外此次工程训练我们制作的东西是一个数字电路的东西，它的信号简单，只有 0、1，即高低两种电平，不存在很复杂的原件参数的计算，但是我们制作时就发现在 LM358 部分我们就要通过一个简单的计算使得我们能够得到一个稳定的数字信号。工程训练使得我们在课本上的知识在实践中得以利用得以巩固，同时也让我们学到了一些课本上学不到的东西，以及一些课本上没有提到的问题，如在这次工程训练中我们也亲自动手制作了 PCB 板。解决了 PCB 板在制作中出现的一系列的问题，培养了我们遇到问题解决问题的能力。这次的工程训练也让我们知道书本知识是远远不够的，我们必须具备一定的自学能力。电子行业知识更新换代是很快的，这就要求我们有更多更丰富