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实验论文
第1部分:
系统整体方案设计与比较
实验目的:
为了明确比较完善的系统整体设计方案,本实验系统可采用超声波控制技术来控制电路的运行。
实验内容:
该系统整体电路既可按照系统默认的定时时间参数自动运行,也可由使用者随时通过按键输入设置新的定时时间参数;在整个定时时间内,既可选择风速的快慢也可以选择风的种类。
由于本电路的时钟是对晶振分频后获得的,具有极高的频率稳定性,且延时系统采用数字计数的方式进行,因而对时间的控制精度较高,可有效地避免普通RC延时电路控制时间不准确、不可靠的问题出现。
方案一:
设计一个电路,使其核心部件就是一个具有红外接收放大、解码、自动控制、手动操作、LED发光管工作状态指示、定时关机指示设定于一体的集成电路。
使得该电路外围元件较少,且十分简单、安装方便。
该电路由红外接收放大、解码、自动控制、手动、LED发光管工作状态指示器、定时关机指使电路组成。
方案二:
设计该系统由超声波发射电路、超声波接收电路、译码电路、控制电路、风扇和电源电路五部分组成。
它的系统原理为:
由接收电路接收信号,通过译码,然后由控制电路达到所需功能控制的目的。
实验原理、方法和步骤:
我们以第一种方案为实验操作,具体实现方法如下:
电路原理:
接收电路如图1,从电路图中我们可以看出,其核心部件就是一个具有红外接收放大、解码、自动控制、手动操作、LED发光管工作状态指示、定时关机指示设定于一体的集成电路。
使得该电路外围元件较少,且十分简单、安装方便。
220v经F、D1、R1、R2降压限流。
由D2、D3、C2、D4稳压形成+5V的直流提供给IC1(BA8206)的脚、脚和红外接收头(AX889W)。
红外接收头的2脚将红外接收头的信号输送到IC1的2脚,经解码后去控制各种动作。
每次功能的操作都由HD(22mm压电蜂鸣片)发出声响以提醒操作,印刷电路板本文从略。
操作步骤:
A1~A5分别为接收板上的手动微型轻触开关,A1为关机开关,它能切断风扇功能、摇头和已经设定的5~75小时关机时间,并能记忆关机前的运行方式,但定时方式和睡眠方式不被记忆,不能控制彩灯的开、关。
A2为定时关机的设定开关,每按动一次可分别设定0、5、1、2、4小时的累计定时,并由相对应的发光二极管指示时间的进度,最大可设定为75小时。
A3为开机和风扇速度调整开关。
A4为风扇摇头开关。
A5为彩灯开关,它的开、关是不受A3开关控制而独立操作的。
全功能红外遥控电风扇系统组成方框图如图1.1所示。
图1.1红外线发射电路方框图
图1.2红外线接收控制部分方框图
实验记录及结果:
根据2种方案的实验过程及有缺点比较,我们能得出以下实验结论:
第一种方案的优点是:
设计成的这种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、5~75小时的定时关闭功能,并且还有一个独立的夜间微光照明灯,制作容易,使用很方便。
但考虑红外线发射的局限性,次方案有存在一定缺点:
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,相应的电路比超声波电路复杂,因为在红外线的传播中,它存在灵敏度不高、非得对准等缺陷。
综上所述:
此方案相比较第一种,采用超声波遥控技术指标,工作性能较好,在技术上性能好,经济上比较合理,操作方便,易于实现。
考虑它的经济性、可行性,第二种方案在各方面都有其优势。
第2部分:
原理图绘制及仿真软件训练
实验目的:
明确PROTUEL软件在电风扇超声波控制装置原理仿真的应用,为下一步实现其超声波的发射部分和接受部分在电风扇的正常运行做铺垫,这需要结合电路原理图的绘制和PROTUEL仿真的方法。
实验内容:
为了实现超声波的发射部分和接收部分的电路原理图在本实验的绘制,我们需掌握本实验中的仿真技术。
下面先介绍PROTUEL软件仿真训练:
1添加元件库
在原理图中放置元件之前,必须先将该元件所在的元件库载入。
Protel自身提供大量原理图元件库,添加元件库的步骤如下:
1)双击设计管理器中的BrowseSch选项卡,然后点击Add/Remove按钮。
2)在DesignExplorer99\Library\Sch文件夹下选取元件库文件,然后双击鼠标或点
击Add按钮。
3)点击OK按钮,完成该元件库的添加。
2常用元件库
1)MiscellaneousDevices.ddb
顾名思义,含大量杂项元件,包括接口(CON系列,HEADER系列),开关(SW系列),分立元件(电阻,电容,电感,二极管,三极管,MOS管),晶振,逻辑门电路等。
2)ProtelDOSSchematicLibraries.ddb元件库也包含有常用的元件,它是为了与以
前的DOS版本的Protel兼容而保留的。
3)MotorolaMicrocontroller.ddb包含各种8位,16位,32位单片机。
(1)原理图只是表示一种电气连接,应该学会自己画元件,制作元件库(其实很简单),而没有必要为了一个器件到处找元件库。
注意保存好自己原来制作的元件库,在做其他工程的时候也许能用得上。
(2)用Find面板寻找器件时,输入器件名最好在前面和后面都加入通配符"*",如寻找三端稳压器7805,输入"*7805*",注意不包含双引号。
因为具体器件名通常都包含前缀和后缀,表示生产厂商,应用级别,封装等等。
(3)自制元件的时候画出元件的一些关键内部结构,虽然增加了制作时间,但是有利于提高原理图的可读性,方便原理图的理解和以后的查阅。
接下来再介绍systemview软件在原理图绘制的作用:
对于本系统,systemview软件在处理超声波的电路原理图的绘制,以及其相关的信号处理、通信系统模型为其提供了友好和功能齐全的窗口环境,也就是为电风扇的整体设计提供了一个精密的嵌入式分析工具。
systemview软件还提供了多种硬件设计工具的接口,可以将系统级仿真与电路级仿真结合起来。
在systemview中,具体的电路系统是由单独的模块组合成的,这些模块称为Token,每一个Token都有自己的定义输入输出,以及相应的参数,以实现特定的功能。
在本实验系统中,只要调出有关图符块并设置好参数,完成图符块间的连线后运行仿真操作,最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真结果。
实验原理、方法和步骤:
超声波工作原理:
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点,完成接收和产生超声波的这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头,当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。
系统组成及电气原理:
在本系统中,电风扇超声波控制装置它由超声波遥控发射器接收、译码控制电路两大部分组成,利用超声波单通道遥控方式,可实现电风扇的强、中、弱三挡风的变速,并伴有清脆的小鸟鸣叫声,有效遥控距离可达7米。
对于超声波发射器电路,IC是一块超声波振荡发射专用模块NYKO,其振荡频率40kHz。
系统工作原理:
BT是超声波发射换能器,它将NYKO输出的40kHz的振荡脉冲转换成将40kHz超声波信号转换成相应的电信号。
VT1,VT2等组成直接偶合式放大器和射随器,将放大后的信号加至IC1进行译码。
IC1是一块内含锁相环路(PLL)的音频译码器LM567(或ME567),其5、6脚外接的RC阻容元件可决定锁相环内部压控振荡器的中心频率.f。
f。
≈1/1.1RRP1C2
调节RRP1使f。
在40kHz左右。
LM567的可靠译码的信号幅值一般在100200mV。
平时,LM567的输出端8脚呈高电频,对后级电路IC2无作用;当一定幅值的40kHz电信号加至输入端3脚时,经IC1内部放大、相位锁定和正交相位检波后,其输出端转呈低电平逻辑输出,并触发IC2翻转置位。
IC2采用时基集成电路555,它和R5,C5等组成单稳态触发定时器,当有低电平(<3VDD)
信号触发时,偏翻转置位,其高电平脉宽即触发时时间,其大小为td=1.1R5C5
图示参数的定时宽度为6s.
IC2输出的正脉冲信号作为计数时钟加至IC3的CP端。
IC3采用十进制脉冲计数/分频集成电路CD4017,将其接成计数电路组成,且Q4端经VD1接至复位端R,使输出只在Q0~Q3间循环。
在电路刚通电时,由于C7、R6微分网为此,设计了R11,VDW1稳压网络,由2CW51稳压输出3V为其供电。
遥控发射器使用9V叠层电池。
BT、BR分别采用UCM-40T和UCM-40R,要配对使用。
LED1~LED3采用φ3mm绿色发光二极管;VS1~VS3选用1A/400V或1A/600塑封双向可控硅,如MAC94A4或MAC97A6等;B选用8Ω电动式扬声器,如YD57-2型等;C11为交流降压电容器,选用耐压不低于400V的无极性金属化涤纶电容器,容量在0.75~0.82μF
如CL11400V-0.75μF;C8选用CA型钽电解电容器;R12选用RJ-2W-820kΩ金属。
实验记录及结果:
原理图仿真图仿真结果,加一些解释说明。
第3部分系统的软件及硬件电路设计
实验目的:
设计本实验系统电风扇超声波控制装置的各单元电路,使其系统各单元元件顺利的运行控制。
这是实验系统控制装置的核心过程。
实验内容:
要设计系统装置的各单元电路,系统的软件及硬件电路设计是必不可少的部分,具体要涉及的设计对象包括:
传感器设计与选用、译码电路的设计、控制电路的设计及电源电路的设计等。
实验原理、方法与步骤:
1传感器的原理及组成:
(1)传感器的原理
能把被测物理量、化学量或生物量转换为与之有确定对应关系的电量输出装置称为传感器。
传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。
在这里我们是用传感器把人体的温度信号转换为最易于处理和便于传输的电信号。
(2)传感器的组成
传感器一般由敏感元件、传感元件、测量电路、和辅助电源四部分组成,如图4所示。
图3.1传感器组成方框图
2译码电路的设计:
(1)译码电路的组成及作用:
该译码电路由锁相环、直角相位检波器(正交鉴相器)、放大器和一个输出晶体管组成。
它将一定幅值的电信号经IC1内部放大、相位锁定和正交相位检波后,输出端转呈低电平逻辑输出,并触发IC2翻转置位。
(2)译码电路的设计:
锁相环内包含一个电流控制振荡器(CC0)、一个鉴相器和一个反馈滤波器。
VT1,VT2等组成直接偶合式放大器和射随器,将放大后的信号加至IC1进行译码。
IC1是一块内含锁相环路(PLL)的译码器LM567(或ME567),其5、6脚外接的RC阻容元件可决定锁相环内部压控振荡器的中心频率f。
f。
≈1/1.1RRP1C2
调节RRP1使f。
在40kHz左右。
LM567的可靠译码的信号幅值一般在100~200mV。
平时,LM567的输出端8脚呈高电频,对后级电路IC2无作用;当一定幅值的40kHz电信号加至输入端3脚时,经IC1内部放大、相位锁定和正交相位检波后,其输出端转呈低电平逻辑输出,并触发IC2翻转置位。
其译码图如图2.5所示:
图3.2超声波译码电路图
(3)译码电路工作原理:
LM567的输出端8脚呈高电频,对后级电路IC2无作用;当一定幅值的40kHz电信号加至输入端3脚时,经IC1内部放大、相位锁定和正交相位检波后,其输出端转呈低电平逻辑输出,并触发IC2翻转置位。
图3.3LM567封装结构图
LM567结构框图如图3.3所示:
3控制电路的设计:
(1)控制电路的组成及作用
该控制电路由集成块CD4017、放大器、555电路组成,主要作用是控制信号的有效输出。
(2)控制电路工作原理
当第计数脉冲到来时,CD4017计数输出端Y7、Y8、Y9依次输出的高电平控制CD4066开关D的接通,维持CD40174寄存器串行输入端的低电平。
当寄存器
的移位脉冲输入端依次接收到脉冲时,寄存器的输出状态则依次为“00011”、“00001”、“00000”,第3、4、5位的低电平控制晶闸管VS3、VS4、VS5依次阻断, 当计数器CD4017计数满10个脉冲时,其进位端{12}脚输出一个正脉冲,直接反馈到其复位端{15}脚,使计数器复位,然后开始下一轮的计数过程,这样
电路就周而复始地循环工作。
4元件介绍
CD4017有三个输入端(两个时钟输入端CP第{14}脚和EN第{1}脚与复位端Cr第{15}脚)。
有十个输出端Q0~P9(依次为第{3}、{2}、{4}、{7}、{10}、{1}、{5}、{6}、{9}、{11}脚。
还有一个进位端C0。
其功能是:
当复位端Cr加上高电平和正脉冲时,输出端Q0为高电平,其余九个输出端Q1~Q9均为低电平。
时钟输入端CP对输入时钟脉冲的上升沿计数。
NE则对时钟脉冲的下降沿计数。
Q0~Q9这十个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。
如从0开始计数,则输入第一个时钟脉冲时,Q1就变成高电平。
输入第二个时钟脉冲时,Q2变成高电平……直到输入第十个时钟脉冲,Q0变为高电平。
同时,进位端C0就输出一个进位脉冲,作为下一级计数的时钟信号。
Cr为复位端,也称为清零端。
当Cr输入高电平时,电路复位,即输出端Q0为高电平,Q1~Q9为低电平。
如此反复,只要集成块NE555第{3}脚送来的二进制信号不消失,CD4017将二进制信号转换成为十进制信号的计码工作就会反复进行下去。
555集成电路以及引脚功能介绍
555集成电路是单稳态触发器的重要组成部分,单稳态触发器具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。
在外界触发脉冲作用下,它能从稳态翻转到暂稳态,在暂稳态维持一段时间以后,在自动返回稳态。
图3.4555时基电路原理图和封装图
555集成电路内部是由上、下两个电压比较器、三个5kΩ电阻、一个RS触发器、一个放电三极管T以及功率输出级组成。
比较器C1的反相输入端5接到由三个5kΩ电阻组成的分压网络的2/3Vcc处(5也称控制电压端),同相输入端6为阀值电压输入端。
比较器C2的同相输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处,反相输入端2为触发电压输入端,用来启动电路。
555时基电路引脚功能如下表:
表:
555时基电路引脚功能
1脚
接地
2脚
低电平触发端
3脚
输出端OUT
4脚
总复位端
5脚
外部电压控制端
6脚
高电压触发端TH
7脚
放电端DIS
8脚
电源端Vcc
5电源电路设计
电源电路如图3.5所示,电源电路由变压器、整流电路、滤波电路和三端稳压器组成。
图3.5电源电路
1)技术参数:
(1)额定电压:
AC220V
(2)输出电压:
DC5V
(3)最大输出电流:
500mA
(4)输入电压允许波动范围:
85%~110%AC
(5)纹波系数:
Kr≤0.5
2)纹波系数计算
经整流后的输出电压,除了含有直流分量外,还含有较大的谐波分量,这些谐波分量总称为纹波,用纹波系数Kr来表示。
Kr=
(2.1)
而输出电压交流有效值Uor为
Uor=
(2.2)
对于桥式整流电路,Uo=0.9U2,故纹波系数为
(2.3)
=0.484≈0.5
3)元器件计算及选择
根据设计要求U01=+12V,所以稳压差为U11-U01≥2V,现取3V,故
U11=12+3=15V
稳压器的输入电流即为整流滤波电路的负载电流:
IL1′=Io(max)+ID=300+8=808mA(取Io(max)=800mA)
变压器第一个副边的电压U21=
=12.5V,现取U21=13V,故
RL1′=
=19.3Ω
根据设计要求U02=+5V,稳压差为U12-U02≥2V,现取3V,故
U12=5+3=8V
IL2′=Io(max)+ID=300+8=308mA(取Io(max)=300mA)
变压器第二个副边的电压U22=
=6.7V,现取U22=7V,故
RL2′=
=27.3Ω
4)变压器计算与选择
URM≥1.5×18=27V
平均电流ID(AV):
桥式整流电路中,每个二极管的平均电流是输出电流的一半,其值为:
ID(AV)=
=154mA
由于通过二极管的电流不是正弦波,起瞬时值比均值大得多,而且在电源接通瞬间有相当大的冲击电流通过。
因此,应选用比ID(AV)大0.5~2倍IF值的整流二极管。
现取1.5倍值,即:
IF=1.5ID(AV)≈1A
5)滤波电容计算与选择
滤波电容用来降低脉动成分,减少纹波。
滤波电容的选择遵循的原则是:
RLC≥(3~5)
T为交流电源周期,RL为负载电阻,C为滤波电容。
由上式计算得:
C1≈1554~2073μF,C2≈1000~1800μF。
电容耐压:
UC1>
U21≈1.4×13=18.2V
UC2>
U22≈1.4×7=10V
根据计算,C1取
,C2取
。
6).稳压块选择
稳压块选用W7805和W7812集成稳压块。
W7800系列集成稳压块主要技术参数:
输入电压:
DC3V~35V
W7800封装图如图3.6所示:
图3.6W7800系列封装
实验记录及结果:
第4部分 电路仿真及修改
实验目的:
根据本实验系统中的电路原理图,通过PROTUEL仿真过程得出电路仿真结果。
对电路进行验证和修改
实验内容:
哪些仿真哪些修改?
过程?
仿真图
第5部分 PCB图绘制及制版
实验目的:
根据电路功能,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。
实验内容:
在电风扇超声波控制装置中,要绘制和制版相应的PCB图,我们需要定义环境设置、载入网络表和元件封装、元件布局、规则设定、自动布线、手动调整、输出板图。
实验原理、方法与步骤:
1.PCB板的设计方法
在产品制作中,我们首先要对PCB板进行设计,要使产品有一个好的性能,一个PCB文档,打开后点击编辑区下方的KeepOut层标签,切换当前层为禁止布线层。
然后在上面绘制一个矩形板框。
(1)环境设置:
定义板框后我们进行环境设置。
因为设置PCB电路参数,是为了更好地进行设计。
首先执行[Tools][Preferences]命令或快捷键T+P将在弹出的Preferences对话框中进行设置,在该对话框中有六个选项卡分别为:
Option、display、Colors、Show/Hide、Defaults、SignalIntegrity选项卡。
在这里我们采用系统默认值。
(2)载入网络表和元件封装:
在载入时,我们首先添加元件封装库,然后导入网络表。
执行[Design][Netlist]命令打开载入网络表对话框,在NetlistFile选项中,输入所要载入的网络表文件名及路径,网络表没有错误后,按[Aduanced]载入网络表。
载入网络表后,电路板中会出现由元件封装和连接关系组成的一些凌乱的图形。
然后就把这些凌乱的图形放置到适当的位置,即元件布局。
(3)元件布局:
元件布局可采用自动布局和手动布局两种方式。
在这里我们采用手动布局的方式进行设计。
在布局时,我们根据原理图的位置进行布局。
(4)规则设定:
在布线前要进行规则设定,规则设定主要DesignRules对话框中进行。
执行[Design][Rules]打开设计规则对话框。
在这里我们将间距约束设置为10mil,布线拐角设定为45度拐角,导线宽度将穿过中心芯片引脚的导线设置成10mil,地线和电源线设置成20mil,+5的电源网络线设置成15mil,其它导线为根据布线的方便性和电气特性设置成10mil。
将Toplayer设置成Notused,Bottomlayer设置成Vertical,即把布线层设置在底层的单层板。
并对焊盘大小进行设置为3mm×2mm。
(5)自动布线:
布线规则设定好后,执行[AutoRoute][All]命令,进行自动布线。
(6)手动调整:
在自动布线的过程中线条较多,有时达不到布线要求,布线不完整,所以需要进行手动调整。
在调整过程中可将布线集中的部位适当放宽,有些线不能走通时,我们采用设置跳线。
(7)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。
2.PCB板的注意事项
(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。
1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。
2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。
3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。
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:
①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。
②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200mm×150mm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150mm×110mm。
(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:
①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。
②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1~15mm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0.02~0.3mm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。
对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小于5~8mil。
③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。
实验记录及结果:
第6部分 系统的安装调试与故障排除
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,安装与调试方法。
实验内容:
在本实验系统的安装调试与故障排除中,具体操作为元件的安装调试,元器件的检测与元器件项目表。
调试分为硬件调试与软件调试,两者是分不开的,但在此设计中只需硬件调试。
实验原理、方法与步骤:
1.元器件的检测:
(1)固定电阻器的检测
①将两表笔(不分正负)分别与电
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