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邵阳学院专业综合实验报告第一部分 整体方案设计与比较一、实验目的1.掌握系统整体方案设计和进行需求和可行性分析2.运用所学知识对系统设计方案的分析、确定要选用的设计系统。二、实验内容针对本次课题，进行需求和可行性分析，提出几种总体设计方案，画出系统框图，并综合考虑其优缺点，如系统的复杂程度、调速的精度误差、时间误差和系统的性价比，最终确定一套方案为本课题采纳的方案。三、实验原理与方法本次所设计的风扇电子调速系统，目的就是实时精确控制风扇的转速。风扇是电机拖动的产物，对于小功率直流风扇来说其实质就是直流电机。四、实验步骤1.方案设计目前，各种风扇动力部分都采用的是电动机，电机调速控制模块主要有以下三种方案： （1）采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；电机电源模块数字电位器图1 方案一框图（2）全功能红外遥控电风扇系统由遥感控制转速，从而达到目的；方案二图如下：主令控制器微处理器红外发射电路主令控制器微处理器红外发射电路图2.1 红外线发射电路方框图红外接收电路微处理器风扇控制电路图2.2 红外线接收控制部分方框图（3）采用由PWM电路。用单片机控制使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。达林顿管驱动芯片单片机控制电机图3 方案三系统框图五、实验记录与结论通过对本次课题的调查和分析，总结出了三种方案。然后再对这三种方案的优缺点进行比较，最后确定采用第三种作为本次设计的方案。在第一套方案中，主要采用了数字电位器，数字电位器是一种用数字信号控制其阻值改变，从而改变电机两端的电压值，数字电位器具有噪声小、寿命长、抗环境污染等重要优点，但是，数字电位器额定阻值误差大、电路复杂、温度系数大，这在很大程度上影响了速度控制的精度，所以不采纳这种方式。在第二套方案中采用的电风扇是采用全功能红外遥控的电风扇电路，有正常风、自然风、睡眠风三种功能，控制自动摇头，但利用红外线来发射的话，存在很多的不足，因为它是利用砷化钾发光二极管来控制的，它所发射出的光波在0.93微米左右。发射和接收红外线也由相应的集成电路来完成，同时在红外线的传播中，它存在灵敏度不高、非得对准等缺陷。本次设计采用的第三套方案，利用单片机高分辨率计数器，产生精确的脉冲信号，并且对脉冲信号中的占空比进行精确控制，从而达到了精确控制电机转速的目的。同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强，从而控制的效率也非常高。所以综合比较这几种设计方案，方案三最符合此次设计要求。4第二部分 系统所用软件介绍与训练一、实验目的1.掌握绘制原理图的方法和Proteus软件的使用、了解仿真软件，SystemView仿真软件的使用方法和各软件的基本功能。2.掌握各种软件的基本操作，仿真系统。二、实验内容练习使用Proteus软件，以单片机控制交通灯为例，用常用的仿真方法和步骤进行仿真。练习使用systemView软件，对该软件有一个感性的认识，了解SystemView设计窗口和SystemView图符库三、实验原理与方法本次实验主要用到了Proteus软件和SystemsView软件。 (一)Proteus软件介绍：Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。(二)SystemView软件介绍：SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。使用它，用户可以用图符（Token）去描述自己的系统，无需与复杂的程序语言打交道，不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。SystemView的图符资源十分丰富，特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。还可进行CDMA通信系统和数字电视业务的分析；用户还可以自己用C语言编写自己的用户自定义库。SystemView能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。在系统设计和仿真方面，SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形，也可完成对仿真运行结果的各种运算、频谱分析、滤波。四、实验步骤 (一)使用Proteus仿真的步骤1. 添加元件；添加本次仿真所需要的元件到元件列表。2. 放置元件；将添加进来的元件，放置到原理图编辑区中。3. 电路图布线；将所需的各个元件用线路连接起来。4. 系统仿真；导入程序文件，进行仿真，观察结果。(二)SystemView软件的使用：1.安装SystemView，对该软件有一个感性认识运行svu_32.exe启动安装程序，根据SystemView安装软件说明，在安装开始界面上选择“Install SystemView”选项，按照提示选择“NEXT”就可以完成安装。安装完后选择Professional项，输入注册码将其激活。至此SystemView软件在电脑上安装完毕。2.了解SystemView设计窗口启动SystemView后就会出现系统设计窗口。它包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计窗工作区。其中设计窗口工作区是用于设置、连接各种图符以创建系统，进行系统仿真等操作；提示栏用于显示系统仿真的状态信息、功能快捷键的功能信息提示和图符的参数显示；滚动条用于移动观察当前的工作区域。当鼠标器位于功能图符上时，则该图符的具体参数就会自动弹出显示。3.了解SystemView图符库、SystemView分析窗口SystemView图符库在系统设计窗口左侧，它提供了9个基本的图符库和6个扩展的图符库。使用这些图符时只需用鼠标器拖动放入设计工作区即可，也可直接在该图符图标上双击鼠标器。在设计工作区内双击图符，则可以定义该图符的具体功能和参数。分析窗口是用户观察SystemView数据输出的基本工具。提示信息区显示分析窗口的状态信息、坐标信息和分析的进度指示；活动图形窗显示输出的各种图形，如波形图、功率谱、眼图等。五、实验记录与结论使用Proteus设计的交通灯显示实例截图：图1 proteus软件中单片机数码管显示仿真图SystemView系统设计截图：图2 SystemView系统设计窗口第三部分 系统程序设计及硬件设计一、实验目的掌握系统硬件电路部分设计的思路和单元模块设计的方法、理解模块化编程的概念、编出简单系统程序。二、实验内容设计该风扇电子调速系统硬件电路，分模块设计，电路模块包括驱动电路模块，单片机控制模块和电源模块，使用proteus软件制作原理图中需要的元件，并画出原理图。用Keil软件，设计出系统软件的C语言程序代码。使用模块化编程的方法，程序模块分为定时模块，PWM信号产生模块，各个模块之间连接紧密。最后编译通过生成.HEX文件。再把编译的程序加载到设计的芯片中。三、实验原理与方法系统硬件电路模块设计：1.驱动电路模块，如下图：图1 电机驱动电路ULN2003A功能介绍ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。经常在以下电路中使用，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、直流电机、步进电机驱动等电路中。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。由于输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7k的电阻，可直接与TTL或5V CMOS器件连接。ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。2.控制模块，如下图：图2 单片机控制部分PWM控制信号由80C52单片机产生，8052单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 图3 单片机内部框图3.时钟、复位模块，如下图：图4 电源、复位部分电路单片机的时钟是由12MHZ的晶振提供，复位电路用来实现上电自动复位的功能，电路如图所示。系统软件部分的设计：1.PWM信号的产生与控制原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如下图所示：图 5 PWM信号示意图设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。程序的思路是：用定时器T1来产生时钟信号，通过改变PWM信号输出引脚高电平时间来控制占空比。T1定时器中断是让一个I0口输出高电平，在这个定时器T1的中断当中改变IO口的电平，也是让IO口输出低电平，通过按键来控制改变定时初值，就可以控制占空比。从而控制电机的转速。四、实验记录与结论硬件原理图如下：图6 电路原理图程序源代码如下：#include unsigned char timer1;int time; sbit PWM=P12;void system_Ini() TMOD = 0x10;TH1 = 0xfe; TL1 = 0x33;TR1 = 1; IE = 0x8A;/*Function: delay_us();Description:延时 单位：微秒/*/void delay_us(unsigned int x) unsigned int i=0; for(i=0;ix;i+) ; main() time=50; system_Ini(); while(1) P2|=0xff;if(P2=0xfe&time0) delay_us(1200); if(P2=0xfd) time-=1;if(timer1100) timer1=0; if(timer1time) PWM=0; else PWM=1; /* t1 (0.5ms)中断 中断中做 PWM 输出 -1000/(0.02ms*250)=200Hz*/void T1zd(void) interrupt 3 /3 为定时器1的中断号 TH1 = 0xfe; /11.0592TL1 = 0x33; timer1+;6第四部分 电路在Proteus中仿真及修改一 实验目的为了检测所设计的实验电路的可行性以及实验电路与实验所编写的实验程序是否能正常运行，检查实验电路是否含有错误或者不合理之处。实验所编写的实验程序是否与实验电路匹配，所以必须对实验电路进行仿真。二 实验内容利用Proteus软件绘出系统仿真图，检查电路错误，同时导入程序编译生产的.HEX文件，运行并观察仿真电路，记录仿真结果，并且使用Proteus中自带的调试工具，修改设计过程中的错误，观察电路输出的波形，验证电路的正确行，确定系统运行的精度及误差。掌握操作过程中的各项步骤，认真修改成符合设计要求电路及仿真。三 实验原理与方法用Proteus软件画出仿真图，如下图：图1 系统仿真图四 实验记录及结果在Proteus软件加载好程序后，点击仿真控制面板中的全速运行，观察仿真结果，如下图：图2 仿真运行图由仿真图可知此时电机的转速是102 r/min,点击仿真图中的加速按钮，电机速加快。打开数字示波器的窗口，观察P1.2口的PWM信号。输出信号如下图：图3 IO口PWM信号波形图2第五部分 PCB图的绘制及电路制版一 实验目的1.掌握PCB制版的全过程。2.根据实验电路所设计的功能，把电子元器件按照一定结构焊接在PCB上，组成一个完整的电路系统。二 实验内容使用Protel软件绘制出PCB电路板中所需要的元件封装，绘制好原理图，并生产网络表，分析PCB板电气性能，确定PCB板的层数、大小，焊盘大小和导线的宽度，使其符合设计要求，最后布线生成PCB板，输出板图：将绘制好的PCB板，打印到热转纸上面，进行下一步的PCB板的制作。三、实验原理、方法与步骤1、元件布局先设计好一些特殊的元件器件，如接接插件，在主机设计中，把圆形电源插口PCB板的最器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。本电路中主机上的电压只有5V，比较安全可靠。因此不需要在此方面考虑很多。根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则： 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地或4:3 。电路板面尺寸大于200mm150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。从整体上考虑，主机PCB板的尺寸设计为150mm110mm。 重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些以大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元器件。 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。因此在设计中在主机PCB板上设计了四个定位孔。2、布线PCB的布线非常重要，关系着整机的性能，甚至关系着产品的成功与否。在布线上遵循了以下原则： 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平等最好加线间地线，以免发生反馈耦合。 印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的黏附强度和渡过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5mm、宽度为115mm时，通过2A的电流，温度不会高于3摄氏度。因此，导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.020.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，应尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板间黏合剂受热产生的挥发性气体。四 实验记录及结果最后绘制出来的PCB电路板如下图：图1 PCB电路图利用Protel中的3D预览功能，预览一下PCB成品的模样。如下图。图2 3D预览图的PCB板的正面图3 PCB板的背面4第六部分 系统的安装调试与故障排除一 实验目的 为了保证电子整机产品能够稳定、可靠地长期工作，我们需要对实验系统装置进行具体的元件安装过程, 掌握元件安装调试的方法、掌握调试过程中故障排除及系统功能和参数测试的方法二 实验内容打印出印制电路板的装配图，按图纸配料，然后进行PCB元件安装，焊接，调试，并且用电气法则检验PCB板的各项指标，使用万用表检查安装测试过程所出现的故障，并排除出现的故障。利用示波器，测速仪测试出系统的功能和各种系统参数，最后评估系统是否达到了预计的要求，写出总结。三 实验原理、方法与步骤(一)PCB板元件的焊接过程：1 、焊前准备首先要熟悉所焊印制电路板的装配图，并按图纸配料，检查元器件型号、规格及数量是否符合图纸要求，并做好装配前元器件引线成型等准备工作。2 、焊接顺序元器件装焊顺序依次为：电阻器、电容器、二极管、三极管、集成电路、大功率管，其它元器件为先小后大。3 、对元器件焊接要求：a.电阻器焊接按图将电阻器准确装人规定位置。要求标记向上，字向一致。装完同一种规格后再装另一种规格，尽量使电阻器的高低一致。焊完后将露在印制电路板表面多余引脚齐根剪去。b.电容器焊接将电容器按图装人规定位置，并注意有极性电容器其 “ ” 与 “ ” 极不能接错，电容器上的标记方向要易看可见。先装玻璃釉电容器、有机介质电容器、瓷介电容器，最后装电解电容器。c.二极管的焊接二极管焊接要注意以下几点：第一，注意阳极阴极的极性，不能装错；第二，型号标记要易看可见；第三，焊接立式二极管时，对最短引线焊接时间不能超过 2S 。d.三极管焊接注意 e 、 b 、 c 三引线位置插接正确；焊接时间尽可能短，焊接时用镊子夹住引线脚，以利散热。焊接大功率三极管时，若需加装散热片，应将接触面平整、打磨光滑后再紧固，若要求加垫绝缘薄膜时，切勿忘记加薄膜。管脚与电路板上需连接时，要用塑料导线。e.集成电路焊接首先按图纸要求，检查型号、引脚位置是否符合要求。焊接时先焊边沿的二只引脚，以使其定位，然后再从左到右自上而下逐个焊接。对于电容器、二极管、三极管露在印制电路板面上多余引脚均需齐根剪去。(二)系统硬件调试过程安装好各个元件之后，接下来就是检测电路板是否有明显的裂痕，有无短路，开路等现象，如果有必要的话，可以检查一下电源跟地线之间是否足够大。这里我们主要借助了万用表来检测。在检测过程中，我们发现其中一个电容的引脚又虚焊，于是我们对虚焊部位进行了加焊排除了故障。初步检测通过了之后，现在我们就开始上电对系统的功能进行了测试。在这个系统中主要是测试电机转速的范围。四 实验记录及结果总结：经过几个星期的综合课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有扎实的理论基础和自学能力，发现问题及时解决的求学精神。本产品虽实现了对直流电机的调速，基本符合设计要求但个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：这对电机的控制采用的是独立按键，而不是数字控制，在调速时不能准确调到想要的转速；同时对于电机的驱动电路的设计也不是很完美，存在缺陷。但总的来说此次的设计对我来说取得了一定的成就，增强了我对各种电子知识学习的能力也提高了我对知识的运用能力和各种电子软件操作的熟悉和运用，可以算这次设计还是令我自己比较满意。第七部分 功能及参数测试一 实验目的1.熟悉万能表的基本结构；2.掌握万能表测电阻、电容、电压、二极管等电子用件的测量及使用方法。二 实验内容掌握万能表的使用方法，运用万能表测电子器件参数及注意事项和基本操作。三 实验原理、步骤万用表的基本原理 万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头。当微小电流通过表头，就会有电流指示。但表头不能通过大电流，所以，必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压，从而测出电路中的电流、电压和电阻。测电阻原理。 如图1d所示，在表头上并联和串联适当的电