8路巡回检测、报警系统的设计与实现

1、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，

2、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。目录目 录 31 设计任务 41.1 设计选题 41.2 设计任务要求 42 方案设计与论证 52.1 方案一 52.2 方案二 63 单元电路的选定和设计 73.1 拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路 73.2 循环计数器和译码显示电路 93.3时钟发生电路 93.4窗口电压比较器电路 113.5 温度传感器电路 124 装配与调试 144.1 装配注意事项 144.2测试仪器 154.3 拨码开关电路、数据选择器和

3、蜂鸣报警电路的测试 154.4 循环计数器、 译码显示电路的测试 164.5时钟发生电路的测试 174.6窗口电压比较器电路的测试 174.7 温度传感器电路的测试 205 实验总结 215.1 完成情况 215.2 问题及对策 215.3 收获与体会 226 参考文献 227 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 . 261. 设计任务1.1 设计选题8 路巡回检测报警系统的设计与实现1.2 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

4、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。20（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 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

5、状态测量。2方案设计与论证2.1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bed码到74ls47 和 74ls151的A,B.C

6、 端口。计数器一直在07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07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2.1所示。图2.1系统方框图2.2 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

7、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3.

8、1拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路VcC>1-2 - :Rl<Fs.R-. I.Ls4LS1B10XMMIL1SUZZE f图3.1拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路如图3.1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。

9、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1K10K,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:門日 IIS1Mn I:<GI J9 - - JXMII；L-一：-.BUZzlERaoHz3.2循环计数器和译码显示电路如图3.2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俞出BCD码到74LS47的A,B,C,D端，数

10、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AG输出端分别对应接数码管的 ag,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VCC Vf 5 166电压为1.66V ,工作电流为10mA。上拉电阻阻值计算为：R5334Ion0.01根据实验室提供的电阻，选用 R=330欧。3.3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，D

11、IS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T相同，以便使所形成的波形为占空比为50%勺方波，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：Tl n2*C1*R1放电时间：T2 In2* C1* R2振荡周期：T TI T2 ln2*C1*(RI R2)故取：C1=0.1uF, C2=001uF, Ri 750k , R2 750 k电路及仿真波形如下图所示7 SOQ1»R2 <7500图331时钟发生电路图3.3.2仿真波形3.4窗口

12、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。VCC * (R2R23V上限电压：Ri下限电压:VCC* R22VRiR 510 ,R2 1K ,R3 1K5.V-RGJcha KT-A 0¾At510Q'':AWtr*414S LM324AD.-±-cc ：.：.：；r , . . . . s, 罗.UZA -'DZ -IhHl4«LM324AD；:EBM -

13、LA输入低于下限电压 2V时万 3?-XWM41.154 V方,1Sxm:JlI<X-M E输入高于上限电压 3V时万 *XlMilM釘【即IaHK2打 IiE-XlMMSL*J 1J lJ曲1.434 V-1 仙 EVI ? V-tN4l4 :IJMi24A>-J方 R*KMiMl.K*AL£2 I-TlIrr 用 s-r-r?" . H " l3.5温度传感器电路采用R1,R2,R3,Pt100构成单臂测量电桥，当PtIOO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

14、中R7=R6,R仁R4放大倍数=R6R1,运放采用单一 5V供电。PtIOO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<R时输出为高电平,PtIOO=R时输出为低电平。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pt1OO阻值为1O7欧姆，故选取电桥电阻R=11O欧姆。放大倍数：AU R6RlU1-e* R4R电桥输出电压：R IRPt100 RI电路如下图所示： R5R2I .1 B K I .1 I Btle B I B 4 B IaIlaaliJ I. K I B 4 Kla Illa

15、 IIelJB B I 4 B H *-jW1JwIlaa : ÷iiqq :万用-XMMlLM324ADR5Ra d >:-j Ld Bldkla L .，LjWX1IW：Morft ；【T IlorQ3.566 VPtIooVR 时PtIoo>R 时.i, . . VCC ,.Pt . :R3 ,.'y - j - IV11O 95¾ IIaaB1 r I I 1 Pr BIf I SrKey=A*IaKlJ -< I IJii | - R：；网 ikVA:：1KQ : B -：ft4R7-VV E5. OVUIAXMMiI: 1 :R5 R2

16、IIrl-I ,r IBrnrlL-VA-W伯（Jg :吉一 IIotn -LM3MAD4装配与调试过程4.1装配注意事项1、注意电路布局；2、尽量少用跳线；4.2测试仪器（1）万用表；（2）直流稳压电源：EM1712 DC;（ 3）信号源：（4）示波器：TDS3502B500MHZ4.3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4.1所示。数据选择器检测

17、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431 （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4.3.1中可以看出，输出端 W的电压为0.20V,可认为低电平，与 Y端输出相反。3、从图4.3.2 （右图）可得，W端电压为4.43V，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

18、求。4.4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441图442图443图441中显示为数字6,可以看到数码管有两处不能正常显示， 图442中的数字O亦如此, 但不影响其正常功能， 我们依旧可以观察到数码管 07的数字显示，所以，此单元测试符合要求。4.5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4.5所示。

19、从图中可以看出方波频率f=8.013HZ ,经计算，满足巡回检测周期不超过8s的要求。ajlz-MU iUrm* T.UI币"斗56U WOV广严皿“3警g_ fTtw 夂曲U NFrP1 电 ！岂沁咚丄選竺， flJh-56lJ IPrd-124. g JCnj>=5e6 0*h" 4.4U(Fr*0 13hI-CIiJtw»<5-42,*V Ti»* 2*K *-*«0«I£4.6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

20、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“低电平一一高电平一一低电平”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4.6温度传感器电路的测试如下图左上方5 实验总结5.1 完成情况5.2 问题及对策5.3 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

21、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VCCIOVHRlbmiihe75(JQ7sm555 VIRTUALm1N414SC4XO-OiFViM4R5 -2CI W-A'X'此

22、亡： ' ' ' »*11'(M414ILM324AD- Dl> 1lhM14HLM324AD+R3 IWa : R5L-VAR2:11oP : 25 %Key=AJ6Rl IOkQIM1： : R4WV ;JknI XMMI附录二元器件清单8路温度状态巡回检测、报警系统一 元器件清单兀器件数量万用板18位拨码开关1共阳数码管 （5101BH）1PtIOO热电阻1蜂鸣器174LS151 （8选i数据选择器）174LS160 （十进制计数器）174LS04 （6 非门）174LS47 （译码器）1NE5551LM3241电容0.01UF1电容0.

23、1 UF1C9013 （三极管）11N4148 （二极管）420k电位器1DIP163DIP142DIP83110 电阻3330 电阻71K 电阻13510 电阻110K 电阻23.3K 电阻1750K 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一一一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