电子技术综合训练课程设计报告-风速与风向的测量.doc

电子技术综合训练设计报告题目：风速与风向的测量姓名： 学号： 班级： 电气二班 同组成员： 指导教师： 日期： 2011年12月28日 （二）摘要利用已有的电子技术知识，设计风速和风向测量的电子线路。霍尔磁敏原件感应出的信号是正弦波信号，我们需设计一个整形电路，将该正弦波信号转化为同频率的方波信号作为被测脉冲，然后测量出该信号在0.1s中的频率即为风速。 风向用七位二进制码表示，通过电子线路上的发光二极管可以直观的读出与当前风向对应的一组七位二进制码，然后通过查表最终确定风向。风速测量电路和风向测量电路工作正常，性能稳定，达到了预期结果。这说明这个设计方案思路正确，可行性较高。关键字：风速风向测量 时基电路 锁存 计数 （三）目录1 设计任务和要求 1.1设计任务 1.2设计要求2 系统设计 2.1系统要求 2.2系统工作原理 2.3方案设计3 单元电路设计 3.1 单元电路a(单元电路的名称) 3.1.1电路结构及工作原理 3.1.2电路仿真3.1.3元器件的选择及参数确定 3.2单元电路b(单元电路的名称) 3.2.1电路结构及工作原理 3.2.2电路仿真3.2.3元器件的选择及参数确定4 系统仿真5 电路安装、调试与测试 5.1电路安装 5.2电路调试 5.3系统功能及性能测试 5.3.1测试方法设计5.3.2测试结果及分析6 结论7 参考文献8 总结、体会和建议 附录1设计任务及要求1.1设计任务：利用已有的电子技术知识，设计风速测量的电子线路，要求能够连续测量风速，并采用led显示测量值。设计风向测量的电子线路，要求测量电路上显示一组七位二进制码，找出二进制码与风向角之间的对应关系，通过查表的方式求出风向角度，最终确定风向。1.2设计要求：设计风速测量的电子线路；设计风向测量的电子线路；给出有关器件的选型和参数整定依据；画出系统详细的硬件连线图；完成实验室仿真、模拟调试，实现主要功能要求；完成设计说明书；答辩中能比较准确地回答所提出的问题；分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施。2系统设计 2.1系统要求：当风速大于0.4m/s时，它能够连续测量风速的大小，测量周期为0.1s，并将前一个周期测量的结果进行锁存并显示在led显示屏上。风向用七位二进制码表示，通过电子线路上的发光二极管可以直观的读出与当前风向对应的一组七位二进制码，然后通过查表最终确定风向。2.2系统工作原理：1.风速测量电子线路的原理已知风速的计算公式为：v=0.1f其中v：风速,单位：m/s;f:脉冲频率，单位：hz常用的风速传感器的感应组件为三杯式风杯组件，当风速大于0.4m/s时就产生旋转，信号变换为霍尔集成电路。在水平风力驱动下风杯组旋转，通过主轴带动磁棒盘旋转，其上的数十只小磁体形成若干个旋转的磁场，通过霍尔磁敏原件感应出脉冲信号，器频率随风速的增大而线性增加。由于霍尔磁敏原件感应出的信号是正弦波信号，我们需设计一个整形电路，将该正弦波信号转化为同频率的方波信号作为被测脉冲，然后测量出该信号在0.1s中的频率即为风速。时基电路（产生0.1s的标准时间信号）脉冲整形电路闸门电路计数器译码器译码显示器逻辑控制电路图1 风速测量原理方框图计数0.1s锁存清零时基信号被测信号锁存信号清零信号图2 各信号时序图2风向测量电子线路的原理风向信号是通过风向传感器输入电路的，风向传感器的感应组件为前端装有辅助标板的单板式风向标。角度变换采用的是七位格雷码光电码盘。当风向标随风旋转时，通过主轴带动码盘旋转，每转动2.815，位于码盘上下两侧的七组发光与接收光器件就会产生一组新的七位并行格雷码，经过整形倒相后输出。将格雷码转换成二进制码，通过查表的方式求出风向角度，最终确定风向。2.3方案设计图3 风向测量电路图4 风速测量电路3.单元电路设计3.1 555时基电路 3.1.1 电路结构 图5 555时基电路图3.1.2电路工作原理及参数的确定：时基电路是由555定时器构成的振荡器，其功能为产生0.1秒的标准时间脉冲。电阻电容的计算公式：脉冲周期为t:t=t1+t2高电平周期为t1：t1=0.7(r1+r2)c低电平周期为t2：t2=0.7r2c注：r1和r2均应大于1k小于3.3mk经计算，要产生t1=0.1s，t2=0.025s的脉冲信号r1=11k，r2=3.6k3.1.3电路的仿真：图6标准时间信号（高电平周期）图7 标准时间信号（低电平周期）3.2 脉冲整形电路 3.2.1电路结构图8 脉冲整形电路图3.2.2电路工作原理及参数确定脉冲整形电路是由二极管和555电路组成的，当输入信号为为正弦波时，经过二极管整流，输出为同频率的方波信号经计算r5=r8=1k,r7=r11=10k,r6=2k,c1=10nf,c2=1uf 3.2.3 电路的仿真图9 输入信号波形图10 输出信号波形3.3 逻辑控制电路 3.3.1 电路结构图11 逻辑控制电路图 3.3.2 电路工作原理及参数确定根据图二所示波形，在每个时基信号的的下降沿需产生一个锁存信号，锁存信号的下降沿需产生一个清零信号，脉冲信号和可由两个单稳态触发电路sn74123n产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。设锁存信号和清零信号的脉冲宽度tw相同，如果要求tw=0.0045s,则得tw=0.45rc=0.0045s。若取r=10k，则c=0.45/r=1uf。由sn74123n的功能可知，当1clr=1b=1触发脉冲从1a端输入时，在触发脉冲负跳变的作用下，输出端1q可获得一正脉冲，其波形正好满足图1所示的波形要求，把-1q获得的脉冲信号作为第二个sn74123n的输入，其输出端-1q获得的脉冲信号正好满足波形的要求。3.3.3 电路仿真图12 555时基电路产生的0.1s标准时间脉冲图13 锁存信号图14 清零信号图15 时基信号 锁存信号 清零信号3.4 闸门电路 3.4.1电路结构 计数脉冲输出 时基电路信号被测信号图16 闸门电路图 3.4.2 电路工作原理 闸门电路实际是一个与非门，当时基电路信号与被测信号同为高电平时闸门开启，有一个输入信号为低电平时闸门关闭，这样就能产生一个计数脉冲。 3.4.3 电路仿真图17 计数脉冲3.5 计数、锁存、清零及显示电路 3.5.1电路结构图18 计数、锁存及显示电路图 3.5.2电路工作原理 计数清零部分由两个74ls160d级联组成，当计数脉冲输入到74ls160d的clk端时计数器开始工作。当清零信号输入到74ls160d的clr端时计数器清零。 锁存功能由74ls273完成，当锁存信号输入到74ls273的clk端时锁存电路在清零信号之前完成对当前数值的锁存。 译码显示功能由4511bd译码器和数码显示管完成。3.5.3 仿真结果显示图19 当被测风速频率为240hz,测量结果为风速24m/s3.6 格雷码转换二进制码电路 3.6.1 电路结构图20 格雷码转换二进制码电路图3.6.2 电路工作原理1、二进制格雷码转换成自然二进制码 二进制格雷码转换成自然二进制码,其法则是保留格雷码的最高位作为自然二进制码的最高位，而次高位自然二进制码为高位自然二进制码与次高位格雷码相异或，而自然二进制码的其余各位与次高位自然二进制码的求法相类似。 3.6.3 电路仿真结果4.系统仿真图21 风速测量系统仿真 设定被测风速频率为200hz,测量结果为20m/s图21 风向测量系统仿真 （设定输入格雷码为1001010 则输出二进制码为1110011）5 电路安装、调试与测试5.1电路的安装根据设计方案列出所需器件，然后购买器件。在购买器件时应注意各器件多买一个备用。在多功能板上安装各器件时，应先确定好各器件的位置，然后将器件先焊在板子上。在multisim上查找各器件的引脚图，并在纸上画出。这样做是为了保证各器件之间连接正确。最后连线。5.2 电路的调试 由于设计电路复杂，所以在板子上每焊好一个单元电路时，都要对它进行调试。调试分为电路连接调试，和波形调试。电路连接调试使用的工具是万用表，万用表用来测量各点是否虚焊。首先给电路通电，然后将万用表打到电流表，测量各点电流，如果一个点没有电流或者通过电流过小时，则证明这个点虚焊，应及时修改。波形调试使用的工具是示波器和信号发生器，它们用来测量每个单元电路是否正常工作。首先给电路通电，然后给单元电路的输入端加一个输入信号，在输出端接示波器，观察示波器上的波形是否与仿真波形相同。5.2.1 单元电路调试555时基电路的波形调试 见附录二单稳态触发电路锁存信号调试 见附录三单稳态触发电路清零信号调试 见附录四5.3系统功能及性能测试 5.3.1测试方法设计 风速测量电路测试方法设计：给风速测量电路通电，设定函数信号发生器输出为200hz的方波信号，加在闸门电路的输入端，观察显示结果是否为20。风速测量电路测试方法设计：随便给风向测量电路输入端加一组七位格雷码，与格雷码与二进制码转换表对照观察输出端输出的二进制码是否正确。 5.3.2 测试结果及分析 测试结果：风速测量电路锁存数码显示管上显示的锁存数值在21到20之间波动。计数数码显示管上从零开始计数然后到20或者21后自动清零。 风向测量电路的格雷码与二进制码转换完全正确。 结果分析：由于计时脉冲的误差和实际电路的延迟，导致测量结果在21到20，之间波动属于正常现象。6 结论风速测量电路和风向测量电路工作正常，性能稳定，达到了预期结果。这说明这个设计方案思路正确，可行性较高。7 参考文献 电子技术基础数字部分（第四版）主编 康华光 副主编 皱寿彬 数字逻辑电路 科学出版社 杨文霞 孙青林 电工电子技术实践教程机械工业出版社 袁桂慈 主编8 总结体会和建议自从接到这个设计任务开始，我们就积极开展各项工作。从确定设计思路到完成整体方案的设计，我们组的成员都付出了巨大的努力，前前后后设计的方案不下三种，电路图、仿真图不下十张，经常熬夜到很晚，直到电脑没电。在设计过程当中，我们也遇到了很多的挫折，仿真不出结果是我们最痛苦的事情。一次次的尝试，一次次的失败，对我们的耐心和毅力都是极大的考验。但是经过这次课程设计，我们也收获了很多很多。一个团队之间的团结、配合是达到成功最重要的因素。在这里我要首先谢谢我的同组队员们，没有他们我们的任务就不会完成。其次我要谢谢教过我们知识的老师：杨新华老师，王晓兰老师，袁桂慈老师，陈伟老师，李文辉老师，王惠中老师，张宏亮老师等等，是他们让我拥有了知识和能力，他们的敬业让我感动，在这里我要真诚的说一句谢谢，谢谢你们无私的付出。我们会更加努力，以优异的成绩报答你们。其中要特别感谢王晓兰老师的辛勤指导，她的指导给了我们很大的帮助。最后我要感谢学校给了我们这次锻炼自己的机会，这样的机会让我们学到了很多知识，明白了许多道理，提高了我们的设计能力，动手能力，团队协作精神。这对我们以后的工作都有莫大的帮助。最后祝愿老师们身体健康、阖家欢乐，母校繁荣昌盛，鼎盛千秋！附录表1 方位角度格雷码进制码对照表方位角度格雷码二进制码方位角度格雷码二进制码130000001000000123650011100001011126000001100000102468001010000110003800000100000011257000101010011001411000011000001002673001011100110105140000111000010127760010110001101161700001010000111287900100100011100720000010000010002982001001100111018230001100000100130840010001001111032500011010001010318700100000011111102800011110001111329001100000100000113100011100001011339301100010100001123400010100001100349601100110100010133700010110001101359801100100100011143900010010001110361010110110010010015420001000000111137104011011101001011645001100000100003810701101010100110174800110010010001391100110100010011118510011011001001040113011110001010001953001101000100114111501111010101001205600111100010100421180111111010101021590011111001010143121011111001010112262001110100101104412401110100101100续表 方位角度格雷码二进制码方位角度格雷码二进制码45127011101101011016819111001101000100461290111001010111069194110011110001014713201110000101111701971100101100011048135010100001100007120011001001000111491380101001011000172203110110010010005014101010110110010732051101101100100151143010101001100117420811011111001010521460101110011010075211110111010010115314901011110110101762141101010100110054152010110101101107721711010111001101551550101100011011178219110100110011105615801001000111000792221101000100111157160010010101110018022511110001010000581630100111011101081228111100110100015916601001100111011822311111011101001060169010001001111008323311110101010011611720100011011110184236111111010101006217401000010111110852391111111101010163177010000001111118624211111011010110641801100000100000087245111110010101116518311000011000001882481110100101100066186110000111000010892501110101101100167188110001010000119025311101111011010续表 方位角度格雷码二进制码方位角度格雷码二进制码9125611101101211011114321100101111100109225911100101011100115323100101011100119326211100111011101116326100111011101009426411100011011110117329100111111101019526711100001011111118332100110111101109627010100001000000119335100110011101119727310100011000001120338100010011110009827610100111000010121340100010111110019927810100101000011122343100011111110101002811010110110010012334610001101111011101284101011111001011243491000010111110010228710101011100110125352100001111111011032901010100110011112635410000011111110104293101110011010001273571000000111111110529510111011101