電子設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)易式LED溫度監(jiān)測(cè)器報(bào)告

1、簡(jiǎn)易式LED溫度報(bào)警器電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告簡(jiǎn)易式LED溫度報(bào)警器姓 名： 學(xué) 院：物理與機(jī)電工程學(xué)院系：機(jī)電工程系專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化年 級(jí)：2010學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：關(guān)明杰目錄一、 設(shè)計(jì)目的與意義3二、 設(shè)計(jì)要求3三、 自行設(shè)計(jì)方案3(一) K型熱電偶信號(hào)發(fā)生電路5(二) 放大電路5(三) 模數(shù)轉(zhuǎn)換及LED顯示電路6(四) 比較、報(bào)警電路8四、 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案91. 原理方框圖102. 各單元電路原理介紹11a) 溫度檢測(cè)電路11b) 溫度轉(zhuǎn)換電路11c) 顯示電路12d) 報(bào)警電路13五、 元器件清單13六、 PCB布線圖14七、 硬件制作與調(diào)試14八、 結(jié)論與心得15九、 成果圖展示

2、16一、 設(shè)計(jì)目的與意義1） 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)親身操作之后，初步熟悉并學(xué)會(huì)了電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer的使用，了解了這一款軟件對(duì)于電路板設(shè)計(jì)的重要作用，這對(duì)于日后的學(xué)習(xí)及應(yīng)用有很大的幫助；2） 掌握電路設(shè)計(jì)的方法和技巧。將學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中去，做到能夠活學(xué)活用，深入的了解電子元器件的使用方法，了解各種元器件的基本用途和方法，能夠靈活敏捷的判斷電路中出現(xiàn)的故障，學(xué)會(huì)獨(dú)立設(shè)計(jì)電路，積累更多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)焊接能力和技巧，完成基本的要求；3） 本次課程設(shè)計(jì)的產(chǎn)品簡(jiǎn)易式LED溫度報(bào)警器，可以應(yīng)用于金屬熱加工時(shí)金屬溫度的測(cè)量。二、 設(shè)計(jì)要求通過(guò)本設(shè)計(jì)熟悉撥碼開(kāi)關(guān)、數(shù)值比較器

3、、A/D轉(zhuǎn)換器等器件的功能及使用方法；熟悉溫度傳感器的使用方法。1. 基本要求 實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。 利用8只發(fā)光二極管以8位二進(jìn)制形式顯示監(jiān)測(cè)溫度。 系統(tǒng)的溫度檢測(cè)時(shí)間間隔設(shè)定為0.52秒可調(diào)。2. 系統(tǒng)溫度的給定值由撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定，當(dāng)所監(jiān)測(cè)溫度大于給定值時(shí)將報(bào)警燈點(diǎn)亮，小于或等于給定值時(shí)報(bào)警燈熄滅。三、 自行設(shè)計(jì)方案如圖1所示，電路包括K型熱電偶信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換及LED顯示電路和比較、報(bào)警電路。應(yīng)用到了電阻、電容、電位計(jì)、發(fā)光二極管、熱電偶、運(yùn)算放大器、ADC0809CCN模數(shù)轉(zhuǎn)換器、8位數(shù)字比較器和撥碼開(kāi)關(guān)等元器件。K圖1·自行設(shè)計(jì)方案電路原理圖(一) K型

4、熱電偶信號(hào)發(fā)生電路K1) K型熱電偶可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中從0到1300范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。2) K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.24.0mm。圖2· K型熱電偶信號(hào)發(fā)生電路3) 正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=92：12，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-2001300。4) K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中廣

5、泛為用戶所采用。5) K型熱電偶輸出電壓計(jì)算公式 U=41V×(tR-tAMR）。(二) 放大電路如圖3所示，放大電路利用運(yùn)算放大器，使脈沖電壓放大480倍，使信號(hào)更容易識(shí)別。R11為100，R1F為4.8 K，R12為100。放大倍數(shù)為-(R1F/ R11=)-48倍。R21為100，R2F為 1 K，R22為100。放大倍數(shù)為-(R2F/ R21=)-10倍?？偡糯蟊稊?shù)A=-48×-10=480倍。圖3放大電路(三) 模數(shù)轉(zhuǎn)換及LED顯示電路1) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809CCN各管腳連接圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換及LED顯示電路ACD0809CCN的各管腳連接如圖4所示，各管腳功能

6、為：a) IN0IN7：8路模擬量輸入端。b) D1D8：8位數(shù)字量輸出端。c) ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路d) ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。e) START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。f) EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。g) OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。h) CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端

7、。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。i) REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。j) Vcc：電源，單一+5V。k) GND：地。2) 555定時(shí)器時(shí)間控制電路圖5 555定時(shí)器時(shí)間控制電路i. NE555D接法為多諧振蕩器：放電時(shí)間常數(shù)分別為tPH0.7×（R1+R2）×C1tPL0.7×R2×C1振蕩周期T和振蕩頻率f分別為T(mén)=tPH+tPL0.7×（R1+2R2）×C1f=1/T1/0.7×（R1+2R2）×C1ii. U3與ADC0809CCN的START管腳相連，用于控制ADC的工作間隔，通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)RN

8、11從而達(dá)到檢測(cè)間隔0.52s的要求。iii. U4與ADC0809CCN的CLK管腳相連，為ADC提供時(shí)鐘信號(hào)，設(shè)計(jì)為300KHz。iv. NE555D管腳功能為：a) Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。b) Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。c) Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。d) Pin 4 (重置) -一

9、個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。e) Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。f) Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。g) Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。h) Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源

10、電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。(四) 比較、報(bào)警電路如圖6所示，比較電路主要器件是SN74HC682八位數(shù)位比較器，該芯片主要功能是比較兩端輸入的數(shù)字量的大小。在該設(shè)計(jì)中P0-P7與ADC0809CCN輸出端依次相連，Q0-Q7與撥碼開(kāi)關(guān)輸入高電平連接，比較P端輸入與Q端輸入的數(shù)字量大小，當(dāng)P端輸入大于Q端輸入時(shí)，在1管腳輸出一個(gè)低電平，之后發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)光，達(dá)到檢測(cè)的目的。圖6 比較、報(bào)警電路另外撥碼開(kāi)關(guān)的原理為：每一個(gè)鍵對(duì)應(yīng)的背面上下各有兩個(gè)引腳，撥至ON（1）一側(cè)，這下面兩個(gè)引腳接通；反正則斷開(kāi)。這四個(gè)鍵是獨(dú)立的，相互沒(méi)有關(guān)聯(lián)。此類(lèi)元件多用于二

11、進(jìn)制編碼。本設(shè)計(jì)中使用DIP平型腳距為2.54mm，采用頂撥直插式（DIP)、平型,屬于兩態(tài)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力度在各系列中最大至800gF，外殼、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用PBT，UL94V-0材質(zhì)。觸點(diǎn)及端點(diǎn)均鍍金，可靠性強(qiáng)。工作溫度在-40至85度，適于工業(yè)級(jí)。四、 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案如圖7所示，電路包括溫度檢測(cè)電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及報(bào)警電路四部分。圖7 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案原理圖1. 原理方框圖圖8 原理方框圖如圖8所示，電路各部分工作原理及作用如圖所示。2. 各單元電路原理介紹a) 溫度檢測(cè)電路圖9 溫度檢測(cè)電路 主要元件為4558，4558是雙通道運(yùn)算放大器，其中在該設(shè)計(jì)中使用到1、2、3、4、8管腳進(jìn)行

12、運(yùn)算放大，1、2管腳為輸入端；3、8管腳分別接地和VCC；4管腳為輸出端，與ADC0809CCN的IN0管腳相連。 在本設(shè)計(jì)中，采用反相放大電路的接法，放大倍數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。b) 溫度轉(zhuǎn)換電路圖10 溫度轉(zhuǎn)換電路溫度轉(zhuǎn)換電路的主要元件為ADC0809CCN模數(shù)轉(zhuǎn)換器及兩個(gè)NE555D計(jì)時(shí)器。ADC0809CCN、NE555D的管腳功能已在自行設(shè)計(jì)方案中詳細(xì)描述，此處不再贅述。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用是將放大器送來(lái)的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)通過(guò)D0-7逐位輸出給發(fā)光二極管，以二進(jìn)制形式輸出。計(jì)時(shí)器NE555D有兩個(gè)，功能分別為：為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供起動(dòng)信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)定的時(shí)

13、長(zhǎng)來(lái)控制檢測(cè)器檢測(cè)的頻率；為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘信號(hào)。c) 顯示電路圖11 顯示電路根據(jù)設(shè)計(jì)要求，顯示電路最終顯示方式為：通過(guò)發(fā)光二極管的亮或滅表示0或1，以二進(jìn)制的形式輸出數(shù)值。d) 報(bào)警電路比較電路主要器件是SN74LS85四位數(shù)位比較器，該芯片主要功能是比較兩端輸入的數(shù)字量的大小。在該設(shè)計(jì)中P0-3與ADC0809CCN輸出端D0-3依次相連，Q0-3與撥碼開(kāi)關(guān)輸入高電平連接，比較P端輸入與Q端輸入的數(shù)字量大小，當(dāng)P端輸入大于Q端輸入時(shí)，在1管腳輸出一個(gè)低電平，之后發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)光，達(dá)到檢測(cè)的目的。撥碼開(kāi)關(guān)已在自行設(shè)計(jì)方案中詳細(xì)描述，此處不再贅述。五、 元器件清單如表1所示，共用到元器

14、件50個(gè)。表1 元器件清單元器件序號(hào)型號(hào)封裝數(shù)量備注R0125(由24代替)R11(2)5K(兩個(gè)10K并聯(lián)代替)R2、R3220KR4、R5、R10、R12410KR7、R9VR52100K電位計(jì)R6VR5110K電位計(jì)R8、R112100R13-R2191KR22-R254200DU1、DU2IN4007DIO10.46-5.3x2.82二極管C1RAD-0.3147FC2、C4103RAD-0.320.01FC3101RAD-0.31100pFD1IN4733ADIODE-0.71穩(wěn)壓二極管DS0-DS8SMD _LED9發(fā)光二極管U04558DIP81運(yùn)算放大器U1、U2NE555DD

15、IP82計(jì)時(shí)器U3ADC0809CCNDIP281模數(shù)轉(zhuǎn)換器U5SN74LS85NDIP161數(shù)位比較器S2DIP101撥碼開(kāi)關(guān)Rt1熱敏電阻六、 PCB布線圖如圖12所示，用電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer設(shè)計(jì)原理圖并生成PCB文件后，對(duì)元器件位置及線路走向進(jìn)行布置，最終結(jié)果如下。圖12 PCB布線圖七、 硬件制作與調(diào)試在電源輸入端輸入9V電壓，首先，觀察輸出LED燈的亮滅情況；然后，用吹風(fēng)機(jī)加熱熱敏電阻，觀察輸出LED燈的變化；最后，改變撥碼開(kāi)關(guān)的對(duì)應(yīng)數(shù)值，觀察報(bào)警燈工作情況。在調(diào)試中，遇到了以下問(wèn)題：1）接通電源后，輸出LED燈全亮或全不亮；2）加熱熱敏電阻，輸出LED燈變化不

16、正確；3）改變撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)數(shù)值，報(bào)警燈沒(méi)有做相應(yīng)的變化。解決方案：1）換LED燈；2）檢查電路，查看是否所有線路都連接完全，是否有引腳沒(méi)有接通；3）檢查是否焊接不好，線路中有斷路情況；4）調(diào)節(jié)電位計(jì)電阻大小，使運(yùn)算放大器放大倍數(shù)正確。八、 結(jié)論與心得這一次的電子課程設(shè)計(jì)主要分成兩大部分：電路設(shè)計(jì)部分和電路板制作部分。在第一部分設(shè)計(jì)電路中，我們的題目是簡(jiǎn)易式LED溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)，在指導(dǎo)老師為我們講解了設(shè)計(jì)內(nèi)容后，感覺(jué)這個(gè)題目的設(shè)計(jì)不難，所使用的芯片都比較直觀。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)插到我們?cè)O(shè)計(jì)中需要使用的芯片的具體用法及管腳連接方式。在最初原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，原本打算使用Multisim軟件，然后發(fā)

17、現(xiàn)該軟件內(nèi)含芯片不足以提供我們的設(shè)計(jì)，所以改用Altium Designer的DXP進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，對(duì)于這個(gè)陌生的軟件，感覺(jué)上手比較容易，在有Multisim的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，很容易掌握這個(gè)新軟件。在第二部分電路板制作時(shí)，學(xué)校統(tǒng)一發(fā)給我們一套電子器件，并給我們統(tǒng)一的電路圖，在這一部分，我們主要是進(jìn)行焊接電路的實(shí)踐。首先要進(jìn)行的就是PCB布線，我們熟悉并掌握了Altium Designer的DXP進(jìn)行PCB布線部分的使用，了解了一些實(shí)際制作電路板時(shí)會(huì)存在的問(wèn)題，比如：在元器件布局的時(shí)候，應(yīng)把在一個(gè)電路內(nèi)的元器件放在一起，盡量按照電路功能布局；在布線過(guò)程中，不能交叉導(dǎo)線，所以會(huì)遇到有連線沒(méi)法布置的情況，這時(shí)候就需要跳線，跳線可以用導(dǎo)線，導(dǎo)線最好連在正面板上，跳線也可以用零歐電阻，能夠避免在正面板連接導(dǎo)線。實(shí)際的焊接，是考驗(yàn)我們實(shí)際動(dòng)手操作能力的時(shí)候，多數(shù)同學(xué)都沒(méi)用使用過(guò)電烙鐵，剛