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文檔簡介
1、<p><b> 課程設(shè)計說明書</b></p><p> 題 目:化學(xué)反應(yīng)釜溫度電子控制器設(shè)計與實驗</p><p><b> 學(xué)生姓名: </b></p><p><b> 學(xué) 院: </b></p><p> 班 級:電子11-1</
2、p><p><b> 指導(dǎo)教師: </b></p><p> 二○一三年八月三十一日</p><p><b> 摘 要</b></p><p> 本次設(shè)計旨在將模擬電子技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)相結(jié)合,運(yùn)用放大電路、濾波電路、門電路、邏輯分析電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路的相關(guān)知識,解決集成電路
3、、數(shù)模和數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字電路中的若干實際問題,制作一個針對化學(xué)反應(yīng)釜溫度和反應(yīng)次數(shù)的控制器,控制器有高、低溫報警功能(VCC=5V,POM=1W)、報警和反應(yīng)次數(shù)的計數(shù)顯示功能,并且可顯示反應(yīng)時間、設(shè)定啟停溫度、存儲報警和反應(yīng)次數(shù),同時可提供控制器5V/2A直流電源電路。本設(shè)計經(jīng)multisim和實測驗證均可達(dá)到預(yù)期要求。</p><p> 關(guān)鍵詞:控制電路;溫度信號;報警;顯示;</p><
4、p><b> Abstract</b></p><p> The design aims at combining the analog electronic technology and digital electronic technology, with using the amplification circuit, filter circuit, circuit, log
5、ic circuit, combinational logic circuit and sequential logic circuit knowledge ,to solve the integrated circuits, analog and digital to analog conversion, some actual problems in digital circuit .To produce a chemical re
6、action kettle temperature and reaction times of the controller, the controller has the high and low temperature alarm</p><p> Key words: control circuit; Temperature signal; Call the police; Display; Storag
7、e;</p><p><b> 目 錄</b></p><p> 一、設(shè)計任務(wù)概述1</p><p> 二、設(shè)計方案論證及方框圖1</p><p> 1、題目要求簡析1</p><p><b> 2、電路分塊1</b></p><p
8、> 3、電路結(jié)構(gòu)方框圖2</p><p> 4、設(shè)計方案比對2</p><p> 三、電路組成及工作原理3</p><p> ?。ㄒ唬⑿畔⒉杉娐?</p><p> ?。ǘ?、信號處理電路4</p><p> (三)、狀態(tài)表示電路5</p><p> 1、計時顯示
9、部分5</p><p> 2、報警電路及報警計數(shù)電路6</p><p> 3、工作狀態(tài)控制電路7</p><p> 四 電路元器件選擇與實際測量8</p><p> 模擬電子技術(shù)部分8</p><p> ?。?)放大、濾波部分測量8</p><p> ?。?)比較器部分測量
10、10</p><p> 數(shù)字電子技術(shù)部分:11</p><p> (1)計時顯示部分測量11</p><p> (2)高、低溫報警計數(shù)部分測量13</p><p> (3)工作狀態(tài)控制部分測量14</p><p><b> 參考文獻(xiàn)17</b></p><
11、p> 設(shè)計所需儀器設(shè)備及元器件清單18</p><p><b> 一、設(shè)計任務(wù)概述</b></p><p> 設(shè)計并制作一個針對化學(xué)反應(yīng)釜溫度和反應(yīng)次數(shù)的控制器,也適用于大中小工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。其特點(diǎn)是靈敏、可靠;可是實時記錄反應(yīng)所需的具體時間。該該控制器能夠完成如下功能:</p><p> 當(dāng)溫度升高到150℃時反應(yīng)釜停止加熱,自
12、然冷卻至60℃時,啟動加熱器。</p><p> 反復(fù)加熱7次后控制反應(yīng)釜開始排料至下一工藝過程。</p><p> ?。?) 控制器有高、低溫報警功能(VCC=5V,POM=1W);報警和反應(yīng)次數(shù)的計數(shù)顯示功能。</p><p><b> 可拓展功能:</b></p><p> 反應(yīng)時間計時顯示、啟停溫度可設(shè)定、
13、報警和反應(yīng)次數(shù)的存儲,提供控制器5V/2A直流電源電路設(shè)計。</p><p> 二、設(shè)計方案論證及方框圖</p><p><b> 1、題目要求簡析</b></p><p> 本設(shè)計中傳感器(5~15mv電壓型)采集的信息與設(shè)計的信息系統(tǒng)有如下關(guān)系(表1);</p><p><b> 表1 設(shè)計要求簡析
14、</b></p><p> 擴(kuò)展功能:(1)反應(yīng)七次后停止化學(xué)反應(yīng)釜工作,秒表記時并顯示</p><p> ?。?)報警次數(shù)記錄并顯示,二極管閃爍</p><p> (3)可提供5V/1A直流電源電路</p><p><b> ?。?)啟停溫度</b></p><p><b&
15、gt; 2、電路分塊:</b></p><p> (1)信息采集電路:對傳感器輸出電壓進(jìn)行放大、濾波處理</p><p> (2)信息處理電路:化學(xué)反應(yīng)釜工作開始后,對信息采集電路傳出的信息進(jìn)行處理判斷,決定化學(xué)反應(yīng)釜工作狀態(tài)(報警,正常工作)</p><p> (3)狀態(tài)表示電路:秒表記時顯示電路、報警及報警次數(shù)記錄顯示電路,化學(xué)反應(yīng)釜工作開始
16、與停止控制電路</p><p> 3、電路結(jié)構(gòu)方框圖:見圖1</p><p> 圖1 電路結(jié)構(gòu)方框圖</p><p><b> 4、設(shè)計方案比對</b></p><p> 在對電路的毫伏級信號進(jìn)行放大時,因現(xiàn)實和理論可能出現(xiàn)的偏差,進(jìn)行了雙方案的選擇,對放大部分的子電路設(shè)計如下圖,運(yùn)用一個集成運(yùn)放設(shè)計的單級同相放
17、大電路見圖2;運(yùn)用三個運(yùn)放設(shè)計的三級同相放大電路見圖3。</p><p> 圖2單級同相放大電路</p><p> 圖3三級同相放大電路</p><p> 小結(jié):以上系實驗前對于電路整體的分析以及整合,并對此提出了方案以便進(jìn)行multisim仿真,因電路較為復(fù)雜,故在整體電路中將采取子電路的方式進(jìn)行連接,以減少整體電路中連接的錯誤并可實體線路連接時使方案更為明
18、晰。</p><p> 三、電路組成及工作原理</p><p> 總電路原理圖如下圖4。</p><p> 圖4 總電路原理圖</p><p> (一)、信息采集電路</p><p> 信息采集電路部分用于對電路的信號放大、濾波(見下圖5)此處將信號放大、濾波電路設(shè)置為子電路以方便管理。</p>
19、<p> 放大電路中,Uo=(R6/R7)(Uhigh-Ulow)(1+2R1/R2),當(dāng)Uhigh=Ulow=UIc時,R2中電流為零,輸出電壓Uo=0??梢婋娐纺芊糯蟛钅P盘?,抑制共模信號。差模放大倍數(shù)值越大,共模抑制比越高。當(dāng)輸入信號中含有共模噪聲時,也將被抑制。</p><p><b> 圖5.1放大電路</b></p><p> 低通濾波
20、電路中,特征頻率f0=1/(2πR2C),可得通帶放大倍數(shù)Aup=1+R3/R1。</p><p><b> 圖5.2濾波電路</b></p><p> (二)、信號處理電路</p><p> 信號處理電路(見圖6)用于對放大、濾波的信號進(jìn)行比較,判斷出此時的溫度處于那種狀態(tài)進(jìn)而有效的指示系統(tǒng)的下一部分如何去工作。利用單限比較器可直接比對
21、出系統(tǒng)的工作狀態(tài),比較的結(jié)果以TTL高低電平的方式輸出。經(jīng)此步驟以后,模擬信號已經(jīng)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。</p><p><b> 圖6 信號處理電路</b></p><p> ?。ㄈ?、狀態(tài)表示電路</p><p><b> 1、計時顯示部分</b></p><p> 計時顯示部分(見圖8)是由秒
22、脈沖,七段數(shù)碼管顯示部分構(gòu)成, </p><p><b> 圖8 計時顯示部分</b></p><p> ?。?)秒脈沖由555定時器和電阻,電容構(gòu)成,可產(chǎn)生均勻的方波脈沖,其子電路如圖9所示</p><p><b> 圖9 秒脈沖子電路</b></p><p> ?。?)七段數(shù)碼管顯示部分如圖
23、10,此處將四個計數(shù)顯示電路做成了一個子電路。</p><p> 圖10七段數(shù)碼管顯示部分</p><p> 2、報警電路及報警計數(shù)電路</p><p> ?。?)蜂鳴器聲音報警部分(見圖11),通過蜂鳴器鳴響實現(xiàn)報警功能。</p><p> 圖11 蜂鳴器聲音報警部分</p><p> ?。?)高溫報警計數(shù)部分
24、(見圖12),利用計數(shù)器計數(shù)、七段數(shù)碼管顯示,對化學(xué)反應(yīng)釜的高溫報警做明確的記錄。</p><p> 圖12 高溫報警計數(shù)部分</p><p> ?。?)低溫報警計數(shù)部分(見圖13),原理與高溫報警計數(shù)部分相同,這里不再贅述。</p><p> 圖13 低溫報警計數(shù)部分</p><p> 3、工作狀態(tài)控制電路</p>&l
25、t;p> 工作狀態(tài)控制電路通過鎖存觸發(fā)實現(xiàn)(如圖14), 通過狀態(tài)翻轉(zhuǎn),可控制計時電路精確、實時、有效的記錄反應(yīng)具體時間,并以此控制化學(xué)反應(yīng)釜的工作,這一部分也是整個電路的驅(qū)動電路。</p><p> 圖14 鎖存觸發(fā)部分</p><p> 四 電路元器件選擇與實際測量</p><p><b> 模擬電子技術(shù)部分:</b><
26、;/p><p> (1)放大、濾波部分測量:</p><p> 放大、濾波部分我們選用的是LM324四運(yùn)算放大器,因為實際情況,我們把放大電路、濾波電路放在一起測量。所用材料見表2</p><p><b> 表2 方案材料表</b></p><p> LM324內(nèi)部電路見圖15,管腳排列圖16 </p>
27、<p> 圖15 LM324內(nèi)部電路</p><p> 圖16 LM324管腳排列</p><p> 根據(jù)仿真圖5.1、5.2連接實物電路,實測結(jié)果如表:</p><p> 實測圖如下(輸入2mv,輸出2.09v):</p><p> 實測結(jié)果分析:通過實際測量,我們可以成功地將5-15mv的電壓放200倍,放大到1-3
28、v,以至于可以滿足我們的要求,繼而方便下一步驟的實驗.我們將8mv、1.25mv方大成1.6v、2.5v,這樣以后就可在此設(shè)定60ºC、100ºC所對應(yīng)的電壓,是比較器的部分更容易操作。</p><p> (2)比較器部分測量:</p><p> 為區(qū)分60ºC、100ºC所對應(yīng)的電壓,我們利用單限電壓比較器完成此部分設(shè)計。這里我們使用的芯片依然
29、是LM324。根據(jù)仿真圖6,連接實驗電路。實驗結(jié)果如下表。</p><p><b> 實測圖如下:</b></p><p> 實測結(jié)果分析:我們通過單限電壓比較器的比較,可以成功地區(qū)分60ºC、100ºC所對應(yīng)的電壓,這樣的比對,我們有效地完成了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。當(dāng)<60ºC時,系統(tǒng)傳出低溫報警信號,綠燈報警;當(dāng)>100º
30、;C,系統(tǒng)傳出高溫溫報警信號,紅燈報警。通過高地電平的輸出,我們把電信號傳遞到下級,從此我們的設(shè)計從模擬部分轉(zhuǎn)到數(shù)字部分。</p><p><b> 數(shù)字電子技術(shù)部分:</b></p><p> (1)計時顯示部分測量:</p><p> 對計時顯示部分,我們都采用NE555芯片、74ls160芯片、BCD七段數(shù)碼管顯示譯碼器,完成這部分
31、電路。NE555芯片內(nèi)部電路、管腳排列圖見圖17,74ls160芯片內(nèi)部電路、管腳排列圖、功能表見圖18,BCD七段數(shù)碼管顯示譯碼器真值表見圖19。方案所用材料見表3</p><p><b> 表3 方案材料表</b></p><p> 圖17 NE555芯片內(nèi)部電路、管腳排列圖</p><p> 圖18 74ls160芯片內(nèi)部電路、管腳
32、排列圖、功能表</p><p> 圖19 BCD七段數(shù)碼管顯示譯碼器真值表</p><p> 根據(jù)仿真圖8連接實物電路, 實測圖如下</p><p> 實測結(jié)果分析:當(dāng)啟動信號(第一次低溫報警)到來,開始計時;當(dāng)停止信號(第七次高溫報警)到來,停止計時;在我們這里,我們把七次加熱的總時間規(guī)定成反應(yīng)時間,利用七段數(shù)碼管顯示,通過這種方式,系統(tǒng)可以準(zhǔn)確記錄反應(yīng)時間
33、。</p><p> (2)高、低溫報警計數(shù)部分測量:</p><p> 高、低溫報警計數(shù)部分利用計數(shù)器計數(shù)、七段數(shù)碼管顯示,原理與計時顯示部分相同,這里不再贅述。方案所用材料見表4</p><p><b> 表4方案材料表</b></p><p> 根據(jù)仿真圖12物電路, 實測圖如下</p>&l
34、t;p> 實測結(jié)果分析:當(dāng)?shù)谝淮蔚蜏貓缶盘柕絹?,開始計計數(shù),接下來每次低溫報警,系統(tǒng)都會做出相應(yīng)的記錄;當(dāng)?shù)谝淮胃邷貓缶盘柕絹?,開始計計數(shù),接下來每次高溫報警,系統(tǒng)也都會做出相應(yīng)的記錄;同時利用七段數(shù)碼管顯示報警次數(shù)。利用計數(shù)器,我們成功實現(xiàn)了報警計次的功能。</p><p> (3)工作狀態(tài)控制部分測量:</p><p> 工作狀態(tài)控制電路通過鎖存觸發(fā)實現(xiàn),這里用到了74
35、ls76芯片芯片內(nèi)部電路、管腳排列圖見圖20。方案所用材料見表5</p><p><b> 表5方案材料表</b></p><p> 圖20 74ls76芯片芯片內(nèi)部電路、管腳排列圖</p><p> 根據(jù)仿真圖14連接實物電路,實測結(jié)果如圖:</p><p> 實測結(jié)果分析:我們將JK觸發(fā)器的J、K端都接高電平
36、,當(dāng)有下降沿信號時,Q端、Q*端狀態(tài)翻轉(zhuǎn),利用這個特性,我們將其設(shè)定為驅(qū)動電路的觸發(fā)裝置,我們將高溫報警信號和低溫報警狀態(tài)取與或,把其當(dāng)做時鐘信號,低溫報警信號到來,Q端狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成“1”,高溫報警信號到來,Q端狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成“0”。讓“1”、“0”高低電平來驅(qū)動電路,當(dāng)為“1”時,加熱開始,當(dāng)為“0”時,加熱停止,當(dāng)?shù)谄叽胃邷貓缶盘柕竭_(dá),Q端狀態(tài)變?yōu)椤?”,觸發(fā)器停止翻轉(zhuǎn),并且整個控制系統(tǒng),乃至加熱系統(tǒng)都停止工作,這標(biāo)志著整個反映的結(jié)束。
37、</p><p><b> 結(jié) 論</b></p><p> 在本次設(shè)計中,根據(jù)設(shè)計需求我們完成了相應(yīng)的任務(wù),首先我們成功的做到了當(dāng)溫度升高到150℃時反應(yīng)釜停止加熱,自然冷卻至60℃時,啟動加熱器;并在反復(fù)加熱7次后,成功地控制反應(yīng)釜開始排料至下一工藝過程。其中,拓展功能中的控制器有高、低溫報警功能(VCC=5V,POM=1W)、報警和反應(yīng)次數(shù)的計數(shù)顯示功能,
38、我們也相應(yīng)地完成。</p><p> 但在其中我們遇到了許多實際問題,首先放大、濾波電路由于電路的設(shè)計方法存在問題,所以導(dǎo)致我們的實際測試并不十分順利,但最后通過老師指導(dǎo),和同學(xué)們的相互探討,我們一一攻克了這其中的大多數(shù)問題。本次課程設(shè)計中,我們使用單限比較器的時候,電路的選擇給我們的時帶來巨大的困難,經(jīng)過我們的反復(fù)推敲,最后我們設(shè)計出了十分適合我們的電路。由于我們并不了解驅(qū)動電路的概念,所以在設(shè)計觸發(fā)改變電路
39、的時候,出現(xiàn)了困難,未能十分滿意的設(shè)計本部分電路。其次,我們所使用的元器件存在一定誤差,還有某些實驗器件的老化給我們也帶來了不必要的干擾,這是我們無法解決的問題。</p><p> 雖然溫度控制是比較簡單易行的一個實驗,但是完整的一個實驗過程也讓我了解了一個信息處理系統(tǒng)的設(shè)計過程,明白了各個環(huán)節(jié)的重要性,學(xué)會了如何去設(shè)計一個合理的、適合實際需求,也掌握了一些芯片的特點(diǎn)和用法,受益匪淺。</p>&
40、lt;p> 同時,在課程設(shè)計中遇到問題時,老師們悉心指導(dǎo)、同學(xué)們的熱心幫助,這些對我的進(jìn)步十分重要,在這里向老師們、同學(xué)們致謝。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> [1] 閻石.?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M].北京:高等教育出版社.2006</p><p> [2] 中國集成電路大全編委會.中國集
41、成電路大全—TTL集成電路[M].北京:國防工業(yè)出版社.1985: 567-600</p><p> [3] 房建東 荀延龍 王艷榮等.電子技術(shù)[M].呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué)出版社.2004</p><p> [4] 羅朝陽.?dāng)?shù)字邏輯設(shè)計基礎(chǔ).北京:人民郵電出版社.1982</p><p> [5] 朱單.Multisim電路設(shè)計及仿真.北京:電子工業(yè)出版社.
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