電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)--化學(xué)反應(yīng)釜溫度電子控制器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué) 院： </b></p><p>　　班 級(jí)：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(jì)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(shí)序邏輯電路的相關(guān)知識(shí)，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(shí)際問題，制作一個(gè)針對(duì)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(bào)警功能（VCC=5V，POM=1W）、報(bào)警和反應(yīng)次數(shù)的計(jì)數(shù)顯示功能，并且可顯示反應(yīng)時(shí)間、設(shè)定啟停溫度、存儲(chǔ)報(bào)警和反應(yīng)次數(shù)，同時(shí)可提供控制器5V/2A直流電源電路。本設(shè)計(jì)經(jīng)multisim和實(shí)測(cè)驗(yàn)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(hào)；報(bào)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(jì)任務(wù)概述1</p><p>　　二、設(shè)計(jì)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(jì)方案比對(duì)2</p><p>　　三、電路組成及工作原理3</p><p>　?。ㄒ唬?、信息采集電路4</p><p>　　（二）、信號(hào)處理電路4</p><p>　?。ㄈ顟B(tài)表示電路5</p><p>　　1、計(jì)時(shí)顯示

9、部分5</p><p>　　2、報(bào)警電路及報(bào)警計(jì)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(shí)際測(cè)量8</p><p>　　模擬電子技術(shù)部分8</p><p>　?。?）放大、濾波部分測(cè)量8</p><p>　?。?）比較器部分測(cè)量

10、10</p><p>　　數(shù)字電子技術(shù)部分：11</p><p>　　(1)計(jì)時(shí)顯示部分測(cè)量11</p><p>　　(2)高、低溫報(bào)警計(jì)數(shù)部分測(cè)量13</p><p>　　(3)工作狀態(tài)控制部分測(cè)量14</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)17</b></p><

11、p>　　設(shè)計(jì)所需儀器設(shè)備及元器件清單18</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)概述</b></p><p>　　設(shè)計(jì)并制作一個(gè)針對(duì)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(shí)時(shí)記錄反應(yīng)所需的具體時(shí)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(shí)反應(yīng)釜停止加熱，自

12、然冷卻至60℃時(shí)，啟動(dòng)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(bào)警功能（VCC=5V，POM=1W）；報(bào)警和反應(yīng)次數(shù)的計(jì)數(shù)顯示功能。</p><p><b>　　可拓展功能:</b></p><p>　　反應(yīng)時(shí)間計(jì)時(shí)顯示、啟停溫度可設(shè)定、

13、報(bào)警和反應(yīng)次數(shù)的存儲(chǔ)，提供控制器5V/2A直流電源電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　二、設(shè)計(jì)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(jì)中傳感器（5~15mv電壓型）采集的信息與設(shè)計(jì)的信息系統(tǒng)有如下關(guān)系（表1）；</p><p><b>　　表1 設(shè)計(jì)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(shí)并顯示</p><p>　?。?）報(bào)警次數(shù)記錄并顯示，二極管閃爍</p><p>　?。?）可提供5V/1A直流電源電路</p><p><b>　　（4）啟停溫度</b></p><p><b&

15、gt;　　2、電路分塊：</b></p><p>　?。?）信息采集電路：對(duì)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(duì)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(bào)警，正常工作）</p><p>　?。?）狀態(tài)表示電路：秒表記時(shí)顯示電路、報(bào)警及報(bào)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(jì)方案比對(duì)</b></p><p>　　在對(duì)電路的毫伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，因現(xiàn)實(shí)和理論可能出現(xiàn)的偏差，進(jìn)行了雙方案的選擇，對(duì)放大部分的子電路設(shè)計(jì)如下圖，運(yùn)用一個(gè)集成運(yùn)放設(shè)計(jì)的單級(jí)同相放

17、大電路見圖2；運(yùn)用三個(gè)運(yùn)放設(shè)計(jì)的三級(jí)同相放大電路見圖3。</p><p>　　圖2單級(jí)同相放大電路</p><p>　　圖3三級(jí)同相放大電路</p><p>　　小結(jié)：以上系實(shí)驗(yàn)前對(duì)于電路整體的分析以及整合，并對(duì)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(cuò)誤并可實(shí)體線路連接時(shí)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(duì)電路的信號(hào)放大、濾波（見下圖5）此處將信號(hào)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(shí),R2中電流為零,輸出電壓Uo=0?？梢婋娐纺芊糯蟛钅Ｐ盘?hào)，抑制共模信號(hào)。差模放大倍數(shù)值越大，共模抑制比越高。當(dāng)輸入信號(hào)中含有共模噪聲時(shí)，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>　?。ǘ?、信號(hào)處理電路</p><p>　　信號(hào)處理電路（見圖6）用于對(duì)放大、濾波的信號(hào)進(jìn)行比較，判斷出此時(shí)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(duì)

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(hào)已經(jīng)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。</p><p><b>　　圖6 信號(hào)處理電路</b></p><p>　?。ㄈ顟B(tài)表示電路</p><p><b>　　1、計(jì)時(shí)顯示部分</b></p><p>　　計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)顯示部分</b></p><p>　?。?）秒脈沖由555定時(shí)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(gè)計(jì)數(shù)顯示電路做成了一個(gè)子電路。</p><p>　　圖10七段數(shù)碼管顯示部分</p><p>　　2、報(bào)警電路及報(bào)警計(jì)數(shù)電路</p><p>　　（1）蜂鳴器聲音報(bào)警部分（見圖11），通過蜂鳴器鳴響實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。</p><p>　　圖11 蜂鳴器聲音報(bào)警部分</p><p>　　（2）高溫報(bào)警計(jì)數(shù)部分

24、（見圖12），利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)、七段數(shù)碼管顯示，對(duì)化學(xué)反應(yīng)釜的高溫報(bào)警做明確的記錄。</p><p>　　圖12 高溫報(bào)警計(jì)數(shù)部分</p><p>　?。?）低溫報(bào)警計(jì)數(shù)部分（見圖13），原理與高溫報(bào)警計(jì)數(shù)部分相同，這里不再贅述。</p><p>　　圖13 低溫報(bào)警計(jì)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(shí)現(xiàn)（如圖14）， 通過狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，可控制計(jì)時(shí)電路精確、實(shí)時(shí)、有效的記錄反應(yīng)具體時(shí)間，并以此控制化學(xué)反應(yīng)釜的工作,這一部分也是整個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)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(shí)際測(cè)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(cè)量:</p><p>　　放大、濾波部分我們選用的是LM324四運(yùn)算放大器，因?yàn)閷?shí)際情況，我們把放大電路、濾波電路放在一起測(cè)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(shí)物電路,實(shí)測(cè)結(jié)果如表:</p><p>　　實(shí)測(cè)圖如下（輸入2mv，輸出2.09v）：</p><p>　　實(shí)測(cè)結(jié)果分析:通過實(shí)際測(cè)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(shí)驗(yàn).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(duì)應(yīng)的電壓，是比較器的部分更容易操作。</p><p>　?。?）比較器部分測(cè)量：</p><p>　　為區(qū)分60ºC、100ºC所對(duì)應(yīng)的電壓，我們利用單限電壓比較器完成此部分設(shè)計(jì)。這里我們使用的芯片依然

29、是LM324。根據(jù)仿真圖6，連接實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表。</p><p><b>　　實(shí)測(cè)圖如下：</b></p><p>　　實(shí)測(cè)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(duì)應(yīng)的電壓，這樣的比對(duì)，我們有效地完成了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。當(dāng)＜60ºC時(shí)，系統(tǒng)傳出低溫報(bào)警信號(hào)，綠燈報(bào)警；當(dāng)＞100º

30、;C，系統(tǒng)傳出高溫溫報(bào)警信號(hào)，紅燈報(bào)警。通過高地電平的輸出，我們把電信號(hào)傳遞到下級(jí)，從此我們的設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)顯示部分測(cè)量:</p><p>　　對(duì)計(jì)時(shí)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(shí)物電路, 實(shí)測(cè)圖如下</p><p>　　實(shí)測(cè)結(jié)果分析:當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)（第一次低溫報(bào)警）到來，開始計(jì)時(shí)；當(dāng)停止信號(hào)（第七次高溫報(bào)警）到來，停止計(jì)時(shí)；在我們這里，我們把七次加熱的總時(shí)間規(guī)定成反應(yīng)時(shí)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(shí)間

33、。</p><p>　　(2)高、低溫報(bào)警計(jì)數(shù)部分測(cè)量:</p><p>　　高、低溫報(bào)警計(jì)數(shù)部分利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)、七段數(shù)碼管顯示，原理與計(jì)時(shí)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(shí)測(cè)圖如下</p>&l

34、t;p>　　實(shí)測(cè)結(jié)果分析:當(dāng)?shù)谝淮蔚蜏貓?bào)警信號(hào)到來，開始計(jì)計(jì)數(shù)，接下來每次低溫報(bào)警，系統(tǒng)都會(huì)做出相應(yīng)的記錄；當(dāng)?shù)谝淮胃邷貓?bào)警信號(hào)到來，開始計(jì)計(jì)數(shù)，接下來每次高溫報(bào)警，系統(tǒng)也都會(huì)做出相應(yīng)的記錄；同時(shí)利用七段數(shù)碼管顯示報(bào)警次數(shù)。利用計(jì)數(shù)器，我們成功實(shí)現(xiàn)了報(bào)警計(jì)次的功能。</p><p>　　(3)工作狀態(tài)控制部分測(cè)量:</p><p>　　工作狀態(tài)控制電路通過鎖存觸發(fā)實(shí)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(shí)物電路,實(shí)測(cè)結(jié)果如圖:</p><p>　　實(shí)測(cè)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(hào)時(shí)，Q端、Q*端狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，利用這個(gè)特性，我們將其設(shè)定為驅(qū)動(dòng)電路的觸發(fā)裝置，我們將高溫報(bào)警信號(hào)和低溫報(bào)警狀態(tài)取與或，把其當(dāng)做時(shí)鐘信號(hào)，低溫報(bào)警信號(hào)到來，Q端狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成“1”，高溫報(bào)警信號(hào)到來，Q端狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成“0”。讓“1”、“0”高低電平來驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)為“1”時(shí)，加熱開始，當(dāng)為“0”時(shí)，加熱停止，當(dāng)?shù)谄叽胃邷貓?bào)警信號(hào)到達(dá)，Q端狀態(tài)變?yōu)椤?”，觸發(fā)器停止翻轉(zhuǎn)，并且整個(gè)控制系統(tǒng)，乃至加熱系統(tǒng)都停止工作，這標(biāo)志著整個(gè)反映的結(jié)束。

37、</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)反應(yīng)釜停止加熱，自然冷卻至60℃時(shí)，啟動(dòng)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(bào)警功能（VCC=5V，POM=1W）、報(bào)警和反應(yīng)次數(shù)的計(jì)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(shí)際問題，首先放大、濾波電路由于電路的設(shè)計(jì)方法存在問題，所以導(dǎo)致我們的實(shí)際測(cè)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(jì)中，我們使用單限比較器的時(shí)候，電路的選擇給我們的時(shí)帶來巨大的困難，經(jīng)過我們的反復(fù)推敲，最后我們?cè)O(shè)計(jì)出了十分適合我們的電路。由于我們并不了解驅(qū)動(dòng)電路的概念，所以在設(shè)計(jì)觸發(fā)改變電路

39、的時(shí)候，出現(xiàn)了困難，未能十分滿意的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)，但是完整的一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程也讓我了解了一個(gè)信息處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，明白了各個(gè)環(huán)節(jié)的重要性，學(xué)會(huì)了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)合理的、適合實(shí)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(shí)，在課程設(shè)計(jì)中遇到問題時(shí)，老師們悉心指導(dǎo)、同學(xué)們的熱心幫助，這些對(duì)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(huì)．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(jì)基礎(chǔ)．北京：人民郵電出版社．1982</p><p>　　[5] 朱單．Multisim電路設(shè)計(jì)及仿真．北京：電子工業(yè)出版社．