電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告 定時(shí)關(guān)斷插座

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1、 河海大學(xué)計(jì)算機(jī)及信息工程學(xué)院（常州） 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 定時(shí)關(guān)斷插座 專業(yè)、學(xué)號(hào) 授課班號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 摘 要 本次課設(shè)是通過設(shè)計(jì)一個(gè)定時(shí)開關(guān)，預(yù)置一個(gè)時(shí)間，通過計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)方式進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)未結(jié)束時(shí)，發(fā)出信號(hào)“1”，主電路接通，電器的工作；當(dāng)定時(shí)結(jié)束后，發(fā)出信號(hào)“0”，主電路斷開，電器的不工作。 由555組成秒脈沖發(fā)生器[2]，由74192構(gòu)成

2、倒計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)器，由7448驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示當(dāng)前的時(shí)間，由繼電器控制插座關(guān)斷，并且由LM339構(gòu)成的電壓比較器實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)。 設(shè)計(jì)電路由這幾個(gè)功能模塊組成，在這個(gè)設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，運(yùn)用所學(xué)的數(shù)字電路的知識(shí)，并查閱相關(guān)的資料，逐漸解決了實(shí)踐中出現(xiàn)的各種問題，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了功能。 課程設(shè)計(jì)實(shí)踐促進(jìn)了對(duì)數(shù)字電路知識(shí)的理解；了解了理論和實(shí)際相結(jié)合的道理，體會(huì)到理論與實(shí)際的聯(lián)系與區(qū)別；鍛煉了動(dòng)手能力和獨(dú)立思考能力；促進(jìn)了專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。 關(guān)鍵詞： 秒脈沖發(fā)生器、74LS192、74LS48、數(shù)碼管、過壓欠壓

3、 目 錄 前言······························································1 第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求··········································2 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證與選擇 2.1 系統(tǒng)組成·····················································3 2.2 設(shè)計(jì)方案····················································3 2.3 方案論證與選擇 ·····

4、········································6 第三章 單元電路設(shè)計(jì) 3.1 秒脈沖發(fā)生電路··············································7 3.2 計(jì)數(shù)器······················································9 3.3 譯碼顯示電路···············································11 3.4 過壓和欠壓保護(hù)電路········································

5、·14 3.5 主電路·····················································19 第四章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及調(diào)試現(xiàn)象與分析····························21 結(jié)論······························································23 參考文獻(xiàn)·························································24 附錄一 系統(tǒng)PROTEL原理圖································

6、·······25 附錄二 系統(tǒng)PCB原理圖···········································26 附錄三 系統(tǒng)實(shí)物圖···············································27 前 言 現(xiàn)今市場(chǎng)上出售的國(guó)內(nèi)外各種品牌的電飯煲、電炒鍋、電磁爐等，其控器部分都是和煲體連在一起使用的，它雖體積小，方便好用[1]，卻有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是易燒毀，并且由于設(shè)計(jì)上的不足，毫無修復(fù)的意義，成本高不算，功率大，電流強(qiáng)，更易燒毀，同時(shí)還有漏電等不安全因素。 為實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源和增加使用壽命的目的，通過定時(shí)關(guān)斷插座的使用可

7、以減少不必要的用電時(shí)間，也可以避免忘關(guān)電器電源從而杜絕安全隱患，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電器通電時(shí)間的科學(xué)管理，大幅提高各種電器的使用壽命。同樣，工業(yè)生產(chǎn)中許多地方都需要對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，這樣數(shù)字式定時(shí)關(guān)斷插座便顯得特別重要。 ?本定時(shí)關(guān)斷插座設(shè)計(jì)以繼電器和時(shí)間定時(shí)控制器串并在電器電路上，啟動(dòng)時(shí)間控制器、電磁線匝動(dòng)作，吸動(dòng)繼電器中間斷開的雙向觸點(diǎn)接通，便可實(shí)現(xiàn)在同樣計(jì)時(shí)條件下長(zhǎng)時(shí)間向電器穩(wěn)定輸電。 它具有很高的實(shí)用價(jià)值，像現(xiàn)在的一些家電如全自動(dòng)洗衣機(jī)、空調(diào)等都需要實(shí)現(xiàn)定時(shí)關(guān)斷控制這樣的功能。還有一些設(shè)備如果在設(shè)計(jì)時(shí)加上數(shù)字定時(shí)技術(shù)便會(huì)更加提高設(shè)備的性能。 它設(shè)計(jì)科學(xué)、合理、功能可靠，裝有過壓

8、保護(hù)電路；它可保證電路出現(xiàn)過壓情況時(shí)，電路能夠及時(shí)斷開，安全可靠，使之更加自動(dòng)化、智能化，更方便使用和操作。 編號(hào)： 時(shí)間：2021年x月x日 書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟 頁碼：第30頁 共35頁 第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 1.1 設(shè)計(jì)要求 一、 基本要求 用仿真軟件設(shè)計(jì)并制作一數(shù)字定時(shí)關(guān)斷插座，此插座采用BCD撥盤預(yù)置插座通電時(shí)間。預(yù)置時(shí)間以后，按下另一個(gè)開關(guān)，電路通電。通電后，燈亮，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)采用倒計(jì)時(shí)的方式并通過七段數(shù)碼管顯示。，當(dāng)時(shí)間顯示為0時(shí)，插座發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，插座處于開態(tài)，供電結(jié)束，燈滅。再按開關(guān)

9、時(shí)，預(yù)置端復(fù)位，倒計(jì)時(shí)又開始。 用protel畫出電路原理圖，并將其轉(zhuǎn)換成PCB圖。 二、 提高要求 設(shè)計(jì)并制作過壓欠壓保護(hù)電路并將其接入電路中構(gòu)成一個(gè)整體。當(dāng)電路出現(xiàn)過壓或欠壓時(shí)，要求計(jì)時(shí)停止并且保持停止時(shí)的狀態(tài)以便正確信號(hào)輸入時(shí)計(jì)時(shí)器能夠從保持態(tài)開始計(jì)時(shí)，從而可以保證計(jì)時(shí)器記錄正確的通電時(shí)間。 圖1.1 定時(shí)關(guān)斷插座 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證與選擇 2.1 系統(tǒng)的組成 這一系統(tǒng)具體分為五大主要部分：主電路、秒脈沖發(fā)生器、定時(shí)器、譯碼顯示電路、過壓欠壓保護(hù)電路。這五部分都在整個(gè)電路中起到不可缺少的作用，但又起到各自不同的功能，其中秒

10、脈沖發(fā)生器又來產(chǎn)生脈沖，定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，譯碼顯示電路實(shí)現(xiàn)譯碼顯示功能，過壓欠壓電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，把他們互相之間配合起來組成整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字定時(shí)開關(guān)的功能。其系統(tǒng)功能組成圖如圖2.1所示。 秒脈沖發(fā)生器 （產(chǎn)生秒脈沖） 定時(shí)器 (定時(shí)功能) 譯碼顯示 （譯碼顯示時(shí)間） 過壓欠壓電路 （保護(hù)功能） 門電路 主電路 （繼電器控制插座關(guān)斷） 圖2.1 系統(tǒng)功能組成圖 2.2 主電路及過壓欠壓保護(hù)電路方案設(shè)計(jì) 一、方案設(shè)計(jì)一 由兩個(gè)LM339及其電阻 、電容、5V穩(wěn)壓源分別構(gòu)成過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)電路，將兩個(gè)保護(hù)電路74LS14的輸出

11、分別接到7411的1A、1B, 74LS32的輸出接到7411的1C，再經(jīng)過74LS11輸出并接到主電路中。其中，主電路有NPN型三極管、二極管、繼電器、插座和電源組成[3]。同時(shí)將過壓保護(hù)電路的反相端和欠壓保護(hù)電路的同相端與主電路的電源正極相接。圖2.1和圖2.2分別為主電路原理圖和過壓欠壓保護(hù)電路原理圖。 繼電器 電源 插座 與門 三極管 二極管 圖2.2.1方案一主電路組成圖 反相端 同相端 采樣電壓 參考電壓 5V穩(wěn)壓源 地 反相端 同相端 參考電壓 采樣電壓 5V穩(wěn)壓源 地 與門輸入 與門輸入 圖2.

12、2.2 方案一過壓保護(hù)電路（左）和欠壓保護(hù)電路（右）組成圖 二、設(shè)計(jì)方案二 有兩個(gè)LM339、電阻、繼電器和5V穩(wěn)壓源分別構(gòu)成過壓保護(hù)電路和欠壓保護(hù)電路。保護(hù)電路的輸出通過繼電器接入主電路中，其中主電路只由繼電器、插座和電源構(gòu)成，保護(hù)電路中的繼電器接中間觸點(diǎn)接主電路中電源的負(fù)極，常閉觸點(diǎn)接燈泡一端。圖2.3和圖2.4分別為主電路原理圖和過壓欠壓保護(hù)電路原理圖 (其他部分電路原理圖與方案一相同)： 7432輸出 繼電器 插座 電源 保護(hù)電路中繼電器常閉觸點(diǎn) 保護(hù)電路中繼電器常開觸點(diǎn) 圖2.2.3 方案二主電路原理圖 反相端 同相端 采樣電壓 參考電壓 5V穩(wěn)壓源

13、 地 反相端 同相端 參考電壓 采樣電壓 5V穩(wěn)壓源 地 繼電器 繼電器 圖2.2.4 方案二過壓保護(hù)電路（左）和欠壓保護(hù)電路（右）組成圖 2.3 方案選擇 比較方案一和方案二，方案二的主電路原理圖較簡(jiǎn)單，但其在主電路和保護(hù)電路中都用了繼電器，并且沒有用三極管與繼電器連接，即使電壓比較器輸出低電平，仍然會(huì)有數(shù)毫安的電流流過繼電器，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離；繼電器導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量大，且電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。在實(shí)際運(yùn)用中，過壓保護(hù)電路和欠壓保護(hù)電路難于同時(shí)接入電路。 綜合以上因素

14、等， 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇方案一。 第三章 單元電路設(shè)計(jì) 本定時(shí)關(guān)斷插座由秒脈沖發(fā)生器、定時(shí)器、譯碼顯示電路、過壓和欠壓保護(hù)電路、一些門電路以及繼電器和插座及電源組成的主電路所構(gòu)成的。其工作原理是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路作為秒脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，將此脈沖信號(hào)輸入計(jì)時(shí)電路，計(jì)時(shí)電路由74LS192構(gòu)成，利用74LS192的減計(jì)數(shù)端進(jìn)行倒計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)范圍是0—99，由于輸入的脈沖信號(hào)的頻率接近一秒，計(jì)數(shù)器是每秒減一計(jì)數(shù)，再通過74LS48譯碼器進(jìn)行譯碼由共陰數(shù)碼管顯示。主電路可由一個(gè)三輸入與門（74LS11）的輸出信號(hào)控制。7

15、411的三個(gè)輸入信號(hào)分別是譯碼輸出信號(hào)、過壓電路輸出信號(hào)和欠壓電路輸出信號(hào)。當(dāng)譯碼器的輸出端全為低電平時(shí)，數(shù)碼管上顯示的是“0”，而八個(gè)低電平信號(hào)經(jīng)過或門電路（74LS32）可以得到一個(gè)低電平來控制主電路關(guān)斷。這個(gè)低電平經(jīng)非門輸出高電平后能夠與秒脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)經(jīng)過或門電路輸出反饋到定時(shí)器的保持端，使得計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，數(shù)碼管的顯示停留在“0”。當(dāng)主電路出現(xiàn)過壓或欠壓情況時(shí)，保護(hù)電路輸出“0”信號(hào)，經(jīng)與門輸入到主電路，使得繼電器失電，主電路斷開，插座失電，從而達(dá)到保護(hù)作用。同時(shí)，過壓和欠壓保護(hù)電路的輸出均接到非門電路輸入端，與脈沖信號(hào)和譯碼輸出信號(hào)經(jīng)或門電路輸出接入定時(shí)器的保持端，以保證當(dāng)電

16、路在計(jì)數(shù)未結(jié)束過程中的任意時(shí)刻出現(xiàn)過壓或欠壓情況時(shí)，計(jì)數(shù)可以停止并且數(shù)碼管顯示保持停止時(shí)的狀態(tài)，而當(dāng)電路重新輸入正確信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器可以從保持態(tài)開始繼續(xù)計(jì)時(shí)，從而保證數(shù)碼管顯示正確的通電時(shí)間。整個(gè)電路用到一個(gè)按鈕控制計(jì)數(shù)器的異步并行置數(shù)端，使得再按按鈕時(shí)，倒計(jì)時(shí)又開始。以下是具體單元電路設(shè)計(jì)。 3.1秒脈沖發(fā)生電路 3.1.1 基本原理 秒脈沖發(fā)生電路采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器振蕩產(chǎn)生周期為1s的矩形脈沖[2]，從而為計(jì)數(shù)器提供觸發(fā)信號(hào)。其中，可通過R1、R2、C來控制充放電時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)采用電阻R1、R2(10K、10K)和電容C（47uF）控制周期為1s。其原理圖及其仿真輸出波

17、形圖如圖3.1所示. 圖3.1 秒脈沖發(fā)生器原理圖及其仿真輸出波形圖 3.1.2 有關(guān)參數(shù)及計(jì)算 1、理論數(shù)據(jù)： 多諧振蕩器的振蕩周期T1計(jì)算公式為： T1=(R1+2R2)*ln2*C 各參數(shù)的值： R1=10k R2=10k C=47μF 將各參數(shù)的值代入上面的計(jì)算公式得： T1=0.986s 2、實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)： T1=1.00s 3、誤差計(jì)算與分析： 誤差=(1.00—0.986)/0.

18、986=1.4%，由于ln2的存在，理論計(jì)算產(chǎn)生的結(jié)果不是精確值。 3.2、計(jì)數(shù)器 3.2.1 器件選擇 本定時(shí)關(guān)斷插座電路中計(jì)時(shí)器選用74LS192。 3.2.1 器件功能[4] 74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號(hào)如圖3.2.1所示： 圖3.2.1? 74LS192的引腳排列及邏輯符號(hào) （a）引腳排列??????? (b) 邏輯符號(hào) 圖中：為置數(shù)端，CPU為加計(jì)數(shù)端，CPD為減計(jì)數(shù)端，為非同步進(jìn)位輸出端， 為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計(jì)數(shù)器輸入端，為清除端，Q0、Q1

19、、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端，可由PL端和Q0、Q1、Q2、Q3完成數(shù)字定時(shí)功能。74LS192具體功能如表3.2.1所述。 表3.2 .1 74LS192 功能表 ????????????? 輸入 ???? 輸出 MR PL CPU CPD P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 × × × × × × × 0 0 0 0 ?0 ?0 1 ?× d c b a d c b a ?0 1 ? 1 × × × × ??? 加計(jì)數(shù) ?0 ?1 1 × × × × ??

20、? 減計(jì)數(shù) 3.2.3 基本原理 本定時(shí)關(guān)斷插座利用74LS192的減計(jì)數(shù)功能， 即5端（CPU引腳）接高電平，LD端經(jīng)上拉電阻接Vcc，由PL端和開關(guān)SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8分別控制的兩個(gè)74192（U1 、U2）的輸入端（A、B、C、D）完成數(shù)字定時(shí)功能，在0~99間任意置數(shù)。其輸出端(QA、QB、QC、QD)分別接入74LS48的輸入端（A0、A1、A2、A3）。74LS192由秒脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)觸發(fā)。其原理圖如圖3.2.2所示，其中左邊計(jì)數(shù)器控制個(gè)位數(shù)，右邊計(jì)數(shù)器控制十位數(shù)，左邊4端接秒脈沖發(fā)生器輸出端。 圖3.2.2計(jì)數(shù)器模塊原

21、理圖 3.3 譯碼顯示電路 3.3.1 器件選擇 譯碼顯示電路選用74LS48進(jìn)行譯碼，選用共陰七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 3.3.1 器件功能 一、七段發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管 LED數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器，圖3.3.1(a)、(b)分別為共陰管和共陽管的電路[5]，(c)為兩種不同出線形式的引出腳功能圖[5]。 共陰管陰極全部接“1” 電平驅(qū)動(dòng)，陽極接譯碼管輸出；共陽管陽極全部接“0”電平驅(qū)動(dòng)，陰極接譯碼管輸出。 一個(gè)LED數(shù)碼管可用來顯示一位0～9十進(jìn)制數(shù)和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。小型數(shù)碼管（0.5寸和0.36寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色

22、不同略有差別，通常約為2～2.5V，每個(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在5～10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要有一個(gè)專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力。 (a) 共陰連接（“1”電平驅(qū)動(dòng)） (b) 共陽連接（“0”電平驅(qū)動(dòng)） （c）兩種不同出線形式的引出腳功能圖 圖 3.3.1 LED數(shù)碼管 二、BCD碼七段譯碼驅(qū)動(dòng)器 此類譯碼器型號(hào)有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CC4511（共陰）等，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用74LS48BCD碼鎖存／七段譯碼／驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)

23、共陰極LED數(shù)碼管。74LS48引腳排列如圖3.3.2[6]： 圖 3.3.2 74LS48的引腳圖 其中： A、B、C、D 是BCD碼輸入端； OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG— 譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管。 LT’ — 測(cè)試輸入端，’＝“0”時(shí)，譯碼輸出全為“1” BI — 消隱輸入端，＝“0”時(shí)，譯碼輸出全為“0” RBI’— 鎖定端，輸入“1”時(shí)譯碼器處于鎖定（保持）狀態(tài)，譯碼輸出保持在前一輸入為“0”時(shí)的數(shù)值，輸入“0”時(shí)為正常譯碼。 表3.3.1 74LS48功能表 輸

24、 入 輸 出 RBI’ D C B A OA 0B OC OD OE OF OG 顯示字形 × × 0 × × × × 1 1 1 1 1 1 1 × 0 1 × × × × 0 0 0 0 0 0 0 消隱 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0

25、 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1

26、 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隱 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隱 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隱 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隱 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隱 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隱 1 1 1 × × ×

27、 × 鎖 存 鎖存 表3.3.1為74LS48功能表[6]。74LS48內(nèi)接有上拉電阻，故只需在輸出端與數(shù)碼管筆段之間串入限流電阻即可工作。譯碼器還有拒偽碼功能，當(dāng)輸入碼超過1001時(shí)，輸出全為“0”，數(shù)碼管熄滅。 3.3.3、基本原理 74LS48的輸出端與數(shù)碼管的管腳順序相接，輸入端與74LS192輸出端相接。數(shù)碼管1和6引腳接地。當(dāng)數(shù)碼管管腳輸入“1”時(shí)對(duì)應(yīng)的段亮，輸入“0”時(shí)對(duì)應(yīng)的段不亮，實(shí)現(xiàn)譯碼功能。圖4.3.3 (a) 、（b）分別為定時(shí)關(guān)斷插座電路數(shù)碼顯示原理圖和譯碼原理圖。 （a）數(shù)碼顯示模塊原理圖 （b）譯碼模塊原理圖 圖3.3.3譯

28、碼顯示模塊原理圖 3.4 過壓和欠壓保護(hù)電路 3.4.1 器件選擇 本定時(shí)關(guān)斷插座過壓和欠壓保護(hù)電路模塊均采用電壓比較器構(gòu)成。電壓比較器采用LM339。 3.4.2 器件功能[7] 一、LM339引腳 LM339芯片內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，是很常見的集成電路。利用LM339可以方便的組成各種電壓比較器電路和振蕩器電路。圖3.4.1為L(zhǎng)M339引腳圖，其中Output代表輸出，input代表輸入。 3.4.1 LM339引腳圖 二、LM339電壓比較器的特點(diǎn)和一些參數(shù)： 1）電壓失調(diào)小，一般是2mV； 2）共模范圍非常大，為0v到電源電壓減1.5v； 3）他對(duì)

29、比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制很寬； 4）LM339 vcc電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V； 5）輸出端電位可靈活方便地選用。 6）差動(dòng)輸入電壓范圍很大，甚至能等于vcc； 3.4.3、過壓保護(hù)電路基本原理及其參數(shù)選擇和相關(guān)數(shù)據(jù) 一、定時(shí)關(guān)斷插座過壓保護(hù)電路基本原理[3] LM339反相端通過電阻接到插座正端，即接采樣電壓。當(dāng)采樣電壓高于同相端參考電壓時(shí)，電壓比較器輸出為低電平，主電路斷開，計(jì)數(shù)停止且保持；當(dāng)采樣電壓低于同相端參考電壓時(shí)，電壓比較器輸出為高電平，電路正常運(yùn)行。其原理圖如圖3.4.3所示，其中，C1、C2并聯(lián)在輸出端，避免電壓過大時(shí)產(chǎn)生的干擾影響電

30、路。 圖3.4.3過壓保護(hù)模塊原理圖及其仿真波形圖 二、參數(shù)選擇和相關(guān)數(shù)據(jù) 1、理論計(jì)算： （1）同相端電壓V+: V+=[U1/(R3+R4)]*R4 各參數(shù)的值： R3=1K,R4= 4.1K,U1=5V 經(jīng)計(jì)算： V+= [5/(1+4.1)]*4.1=4.0196V (2)反相端電壓（基準(zhǔn)電壓）V-： V-=[U2/(R5+R6)]*R6 各參數(shù)的值： R5=2K,R6=1K,U2=13V 經(jīng)計(jì)算： V-=[13/(2+1)]*1=4.33V （3）輸出電壓V0 ： 由示波器可知：V0=0.80V 2、實(shí)際測(cè)量值： V+=3.99V，V-=

31、4.06V，V0=0.06V 3、結(jié)果分析： 當(dāng)V-大于V+時(shí)，電壓比較器輸出為低電平，此時(shí)電路處于過壓狀態(tài)。將此信號(hào)輸入主電路，主電路斷開。同時(shí)，將此信號(hào)通過相關(guān)門電路與秒脈沖發(fā)生器作用，可控制定時(shí)停止。理論值大于實(shí)際值。 4、 誤差計(jì)算與分析： （1）計(jì)算 V+誤差=（4.0196-3.99）/4.0196=0.74%； V- 誤差=（4.33-4.06）/4.33=6.2%。 （2）分析 實(shí)際測(cè)量過程中，一些客觀因素和主觀因素都會(huì)造成誤差。如儀器的精確度和準(zhǔn)確度，周圍環(huán)境（如溫度、空氣濕度等）以及測(cè)量時(shí)人的心理因素等造成誤差。 3.4.4、欠壓保護(hù)電路基本原理及其參數(shù)選

32、擇和相關(guān)數(shù)據(jù) 一、定時(shí)關(guān)斷插座欠壓保護(hù)電路基本原理[3] LM339同相端通過電阻接到插座正端，即接采樣電壓。當(dāng)采樣電壓低于同相端參考電壓時(shí)，電壓比較器輸出為低電平，主電路斷開，計(jì)數(shù)停止且保持；當(dāng)采樣電壓高于同相端參考電壓時(shí)，電壓比較器輸出為高電平，電路正常運(yùn)行。其原理圖如圖3.4.4所示。 圖3.4.4欠壓保護(hù)模塊原理圖及其仿真波形圖 二、參數(shù)選擇和相關(guān)數(shù)據(jù) 1、理論計(jì)算： （1）同相端電壓V+: V+=[U1/(R8+R9)]*R9 各參數(shù)的值： R8=1K,R9=1K,U1=2V 經(jīng)計(jì)算： V+= [4/(1+1)]*1=2V (2)反相端電壓（基準(zhǔn)電壓）

33、V-： V-=[U2/(R10+R11)]*R11 各參數(shù)的值： R10=4.2K,R11=3.3K,U2=5V 經(jīng)計(jì)算： V-=[5/(4.2+3.3)]*3.3=2.1997V （3）輸出電壓V0 ： 由示波器可知：V0=0.80V 2、實(shí)際測(cè)量值： V+=1.93V，V-=2.23V，V0=0.07V 3、結(jié)果分析： 當(dāng)V-大于V+時(shí)，電壓比較器輸出為低電平，此時(shí)電路處于欠壓狀態(tài)。將此信號(hào)輸入主電路，主電路斷開。同時(shí)，將此信號(hào)通過相關(guān)門電路與秒脈沖發(fā)生器作用，可控制定時(shí)停止。 4、誤差計(jì)算與分析： （1）計(jì)算 V+誤差=（1.93-2.00）/2.00=3.

34、5%； V- 誤差=（2.23-2.1997）/2.1997=1.4%。 （2）分析 實(shí)際測(cè)量過程中，一些客觀因素和主觀因素都會(huì)造成誤差。如儀器的精確度和準(zhǔn)確度，周圍環(huán)境（如溫度、空氣濕度等）以及測(cè)量時(shí)人的心理因素等造成誤差。 3.5 主電路 3.5.1器件選擇 主電路主要由NPN型三極管、二極管、繼電器、插座、電源和電阻成。其電路中是否通電由74LS11輸出信號(hào)決定。 3.5.2 器件功能 一、基極下拉電阻R1實(shí)現(xiàn)功能 1、防止三極管受噪聲信號(hào)的影響而產(chǎn)生誤動(dòng)作，使晶體管截止更可靠下。但是電阻不能過小，過小則會(huì)有較大的電流由電阻流入地。 2、當(dāng)三極管開關(guān)作用時(shí),O

35、N和OFF時(shí)間越短越好,為了防止在OFF時(shí),因晶體管中的殘留電荷引起的時(shí)間滯后,在B,E之間加一個(gè)R起到放電作用。 3、三極管基級(jí)加電阻主要是為了設(shè)置一個(gè)偏置電壓，這樣就不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的失真。而且同時(shí)還是為了防止輸入電流過大，加個(gè)電阻可以分一部分電流，這樣就不會(huì)讓大電流直接流入三極管而損壞。 二、三極管實(shí)現(xiàn)功能 這里三極管相當(dāng)于開關(guān)，當(dāng)三極管基極輸入“0”信號(hào)時(shí)，三極管不導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)斷開，繼電器兩端電壓差為0V，繼電器觸點(diǎn)斷開，插座失電，發(fā)光二極管不亮；當(dāng)三極管基極輸入“1”信號(hào)時(shí)，三極管導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合，繼電器兩端電壓差為5V，繼電器觸點(diǎn)依然閉合，發(fā)光二極管保持亮； 三

36、、二極管實(shí)現(xiàn)的功能 繼電器具有儲(chǔ)能作用，當(dāng)插座失電時(shí)，繼電器可通過二極管釋放能量，形成回路。 3.5.3 基本原理 當(dāng)74LS11輸出“1”信號(hào)時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器兩端有電壓差，觸點(diǎn)動(dòng)作，主電路通電，電路正常工作；當(dāng)74LS11輸出“0”信號(hào)時(shí)，三極管截止，繼電器失電，觸點(diǎn)動(dòng)作，主電路斷電，發(fā)光二極管不亮。其原理圖如圖3.5所示，其中74LS11的1A、1B引腳分別接過壓、欠壓保護(hù)電路的輸出，1C接74LS48的輸入經(jīng)過或門后的輸出。 圖3.5主電路模塊原理圖 第四章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及調(diào)試現(xiàn)象與分析 在開始實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，分析實(shí)驗(yàn)所涉及的相關(guān)

37、知識(shí)點(diǎn)，查閱身邊的資料，并根據(jù)自己以前所學(xué)的理論知識(shí)，在紙上設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)電路模型，然后根據(jù)電路模型進(jìn)行仿真。 在仿真時(shí)，將定時(shí)譯碼顯示與過壓欠壓分開進(jìn)行，兩部份均達(dá)到了理論上設(shè)想的結(jié)果，但當(dāng)將兩部份連接到一起時(shí)，仿真顯示有錯(cuò)，不能運(yùn)行。經(jīng)反復(fù)檢查驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)理論和電路原理圖均無錯(cuò)，猜想產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因在仿真軟件本身。于是，開始連接實(shí)物圖，決定在實(shí)際操作中驗(yàn)證猜想。 在開始實(shí)際操作時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路，分模塊進(jìn)行連接和調(diào)試。 第一步，測(cè)試脈沖發(fā)生器。在初次測(cè)試脈沖發(fā)生器輸出是否是周期為1s的脈沖時(shí)，示波器顯示的波形不是脈沖而是無法識(shí)別的波形。于是，猜想是電路連接接觸不良的原因，并將電路各接觸點(diǎn)重新檢

38、查一遍，確認(rèn)無誤后，再次測(cè)試，輸出波形仍不能識(shí)別。又將電路與電源斷開，測(cè)試是否是電源輸入信號(hào)不正確，最終，發(fā)現(xiàn)確實(shí)是儀器問題，并且換了儀器重新接入電路測(cè)試，此時(shí)示波器顯示波形為周期為1s的脈沖。確定脈沖發(fā)生器模塊正確。 第二步，測(cè)試譯碼顯示部分。確認(rèn)脈沖發(fā)生器無誤后，開始接連定時(shí)譯碼顯示部分并將脈沖發(fā)生器接入電路并進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的是亂碼。經(jīng)分析，猜想是電路連接有錯(cuò)，于是開始檢查線路連接，檢查中運(yùn)用萬用表測(cè)試兩點(diǎn)間連接是否有誤或是漏接。最終，檢查出線路連接有錯(cuò)，且有芯片的電源引腳和接地引腳漏接，改正后重新測(cè)試，譯碼顯示與理論完全一致，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。 第三步，測(cè)試主電路

39、無過壓或欠壓情況出現(xiàn)時(shí)定時(shí)結(jié)束后能否斷開。首先，將主電路連入電路中。經(jīng)測(cè)試，電路在正常運(yùn)行時(shí)，二極管不亮，且定時(shí)結(jié)束后，聽不到繼電器動(dòng)作的聲音。于是，再次檢查。分析可知，定時(shí)譯碼顯示模塊無錯(cuò)，主電路和門電路必有錯(cuò)。分別檢測(cè)主電路和門電路，測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)主電路無錯(cuò)。最終，檢測(cè)出，門電路中的一個(gè)芯片引腳壞了。換上芯片后，重新調(diào)試電路，發(fā)現(xiàn)電路在正常運(yùn)行時(shí)二極管亮，但定時(shí)結(jié)束后仍不到繼電器動(dòng)作的聲音即二極管不滅。反復(fù)測(cè)試后，現(xiàn)象仍如上。最終，通過查閱資料得知，主電路中，接近5V的電壓經(jīng)三極管后不能放大從而無法驅(qū)動(dòng)12V的繼電器。換用5V的繼電器后，電路在正常運(yùn)行時(shí)，二極管亮，且定時(shí)結(jié)束后，聽到繼電器動(dòng)

40、作的聲音，二極管滅，達(dá)到理論結(jié)果。 第四步，測(cè)試測(cè)試主電路有過壓或欠壓情況出現(xiàn)時(shí)能否斷開。首先，將過壓電路和欠壓電路接入電路中，對(duì)主電路電壓采樣，當(dāng)采樣電壓高于參考電壓時(shí)，二極管滅；同樣，當(dāng)采樣電壓高于參考電壓時(shí)，二極管滅。同時(shí)，驗(yàn)證了仿真是的猜想。 第五步，實(shí)際電路的改進(jìn)。在完成第四步的測(cè)試時(shí)，整個(gè)電路已經(jīng)達(dá)到基本要求，但是，在測(cè)試第四步時(shí)，出現(xiàn)了二極管滅但計(jì)數(shù)器仍在計(jì)數(shù)的現(xiàn)象。于是，對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，使電路最終實(shí)現(xiàn)二極管滅但計(jì)數(shù)器不再計(jì)數(shù)并且數(shù)碼管顯示保持在二極管滅時(shí)的狀態(tài)的功能。經(jīng)分析，畫原理圖，仿真，最終確定了方案。將過壓保護(hù)電路和欠壓保護(hù)電路的輸出經(jīng)過非門輸出與脈沖信號(hào)及譯碼顯示輸

41、出經(jīng)或非門后的輸出信號(hào)三者再經(jīng)或門輸出到計(jì)數(shù)器減數(shù)端。完成實(shí)物圖連接后，經(jīng)測(cè)試，欠壓時(shí)，二極管滅且計(jì)數(shù)器不再計(jì)數(shù)并且數(shù)碼管顯示保持在二極管滅時(shí)的狀態(tài)，但是，過壓時(shí)，出現(xiàn)“清零”現(xiàn)象。于是，反復(fù)調(diào)試過壓情況，用示波器測(cè)試脈沖發(fā)生器在各時(shí)刻的輸出波形。當(dāng)采樣電壓與參考電壓接近相等時(shí)，脈沖發(fā)生器輸出波形如圖4.1所示，此時(shí)出現(xiàn)的尖脈沖干擾了電路，使得計(jì)數(shù)器在很短時(shí)間內(nèi)減數(shù)零，人肉眼無法識(shí)別這段時(shí)間內(nèi)數(shù)碼管的變化，所以觀察到“清零”現(xiàn)象。為了濾除干擾，在過壓保護(hù)電路輸出端并聯(lián)電容C1、C2。最終，過壓時(shí)，二極管滅且計(jì)數(shù)器不再計(jì)數(shù)并且數(shù)碼管顯示保持在二極管滅時(shí)的狀態(tài)。 圖4.1 過壓時(shí)采樣電壓與參

42、考電壓接近相等時(shí)的輸出波形 結(jié) 論 通過這次課程設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多。只學(xué)好課本上的理論知識(shí)是不行的，要能夠把理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中來。 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，從查閱資料到構(gòu)思到仿真再到實(shí)物圖連接最終測(cè)試正確，困難不斷出現(xiàn)，驗(yàn)證了“理論與實(shí)際的聯(lián)系與差別”。理論成立后，實(shí)踐不一定像理論那樣容易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)踐過程中，往往一些主觀因素和客觀因素會(huì)直接影響到電路的實(shí)現(xiàn)。例如，線路連接錯(cuò)誤或漏接就是主觀因素造成的；芯片的引腳壞了就是客觀因素等等。這就要求實(shí)際操作者時(shí)刻保持嚴(yán)謹(jǐn)清晰地頭腦，并且要有耐心和克服困難的決心。 成功是建立在不斷的失敗的基礎(chǔ)上的。在思考解決一次次失敗的過程中，收獲的是經(jīng)驗(yàn)。把一個(gè)課

43、題設(shè)計(jì)好不是一步到位的，它是一個(gè)反復(fù)修改，不斷調(diào)試的過程，其間有困難也有樂趣，使人對(duì)工程實(shí)踐有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)電路的關(guān)鍵在于對(duì)于題目的分析以及對(duì)于專業(yè)知識(shí)的了解和動(dòng)手能力。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，將總體的功能分成幾部分來實(shí)現(xiàn)，可以使復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，在檢查電路是也簡(jiǎn)單了。 將一個(gè)復(fù)雜的電路分成若干個(gè)基本模塊進(jìn)行分步設(shè)計(jì)和測(cè)試，最后將這些模塊連接起來是本實(shí)驗(yàn)基本的設(shè)計(jì)思想。秒脈沖發(fā)生器、計(jì)時(shí)器、譯碼顯示、主電路、保護(hù)電路，這幾個(gè)電路的功能模塊雖然在測(cè)試時(shí)遇到了一些困難但最終都實(shí)現(xiàn)的很好。 但是本設(shè)計(jì)也存在不夠完美的地方，預(yù)置數(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過八個(gè)單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際電路中進(jìn)行理論實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)給操作帶

44、來不便，這是有待改進(jìn)的地方。 參考文獻(xiàn)： [1]魏海明 楊興瑤.實(shí)用電子電路500例.北京.化學(xué)工業(yè)出版社.2002 [2]康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.北京.高等教育出版社.2006 [3]康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京.高等教育出版社.2006 [4] http://210.43.96.230:82/cccitlabs/wangy/digit10-05.htm [5] [6] [7] 附錄一 系統(tǒng)PROTEL原理圖 附錄二 系統(tǒng)PCB圖 附錄三 系統(tǒng)實(shí)物圖 第 30 頁 共 35 頁