电子工程设计报告

'电子工程设计报告1 摘要电子工程设计，是电子信息工程专业的一门综合性实训类课程，该课程将实际温度测量控制系统课题引入课堂。主要内容是进行模拟电路的设计与制作，包括线性电源的设计和制作，传感器信号调理电路的设计与制作，功率放大电路的设计与制作。本次电子工程设计课题为基于51单片机的自动温控调节系统。该系统通过温度传感器AD590将温度信号转化为电信号，运放调理电路将传感器转化的电信号调整为可以被A/D识别采集的电压信号，再经过A/D转换，转换成数字信号由单片机采集，数码管显示。本报告分为五章节，分别是温度测量控制总体概述、稳压电源的设计与实现、放大电路的设计与实现、功率放大电路的总体概述和体会感想，分别从实验目的、实验原理、原理图、PCB图、材料清单、焊接电路板、数据分析、调试问题和误差分析这几个方面分别说明。关键字：电子工程设计线性电源传感器信号调理电路功率放大电路AbstractElectronicEngineeringDesignisacomprehensiveandexperimentalcourseforundergraduatestudentsmajorinelectronicinformationandinformationengineering.Thecourseaimsatthedesignandproductofanalogouscircuit,includingthedesignandproductoflinearpowersupply,sensorsignalconditioncircuitandpoweramplifiercircuit.Theelectronicengineeringdesigntopicforautomatictemperaturecontrolsystembasedon51singlechipmicrocomputer.ThesystemthroughthetemperaturesensorAD590temperaturesignalsintoelectricalsignals,Op-ampcircuitadjustsensorsintoelectricalsignaltovoltagesignalcanbeidentifiedbyA/Dacquisition,afterA/Dconversion,convertedintodigitalsignalcollectedbysingle-chipmicrocomputer,digitaltubedisplay.Thisreportisdividedintofivechapters,respectivelyistemperaturemeasurementcontrolingeneral,thedesignandimplementationofaregulatedpowersupply,amplifiercircuit,poweramplificationcircuitdesignandrealizationofthegeneraloverviewandunderstandingofourfeelings,respectivelyfromtheexperimentpurpose,theexperimentprinciple,principlediagramandPCBdiagram,billofmaterials,weldingcircuitboard,theproblemofdataanalysis,debuganderroranalysisfromseveralaspects,respectively.Keywords:ElectronicEngineeringDesignLinearpowersupplySensorsignalconditioningcircuitPoweramplifiercircuit16 目录第一章温度测量控制总体概述2一、总体概述2第二章稳压电源的设计与实现3一、实验目的3二、实验原理与分析4三、原理图5四、PCB图6五、材料清单7六、焊接电路板7七、数据分析8八、调试问题和误差分析8第三章放大电路的设计与实现9一、实验目的9二、实验原理9三、原理图及仿真10四、PCB图11五、实际焊接电路板11六、材料清单12七、数据分析12八、调试问题和误差分析13第四章功率放大电路的设计与实现14一、实验目的14二、实验原理14三、原理图与仿真14四、PCB图16五、材料清单16六、焊接电路板16七、数据分析17八、调试过程及其问题分析19第五章体会感想2016 第一章温度测量控制总体概述一、总体概述本系统以单片机为主要核心。首先信息采集模块采集温度值，变为电信号，传至变送器将信号调理，进入A/D采集模块进行模拟—数字转换，由单片机进行数字信号的处理，比较温度值，产生控制信号，经过D/A数字—模拟转换，产生模拟控制量，由驱动电路放大，驱动温度器件工作调整温度的变化。控制与通信系统框图如图1-1。图1-1控制与通信系统框图通过温度传感器AD590把温度值转化为电信号，经过变送电路整理，电压提升和放大，送至A/D模数转换电路，产生数字信号由单片机进行处理，加入键盘和显示电路进行人机交换，把处理信息送至数模转换器，变为模拟信号至驱动器，由控制器件实现温度补偿。系统框图如图1-2。图1-2系统框图16 第二章稳压电源的设计与实现一、实验目的交流供电输入9V和15V，实现线性稳压电源直流输出+5V电压和±12V电压。二、实验原理与分析1、直流供电电源部分原理线性稳压电源的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区整流电源，一般是靠二极管的单向导通性质，把交流电正弦波变成只有上半部分的波，再经过滤波电容变为平滑的直流电。交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路和滤波电容的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C4的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。因为单片机、A/D和运算放大器等器件均为直流工作器件，所以设计制作一个合适稳定的工作电源是实现本项工程的基础条件。由于元件所限和电路较简单，采用统一的电路，共三组电源，（+5V）（+12V）（-12V）。变压器采用220V交流输入，两路15V交流输出，一路9V交流输出，要求变压器总功率大于30W。2、直流电源原理：在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源由4部分组成：电源变压器、整流部分、滤波部分和稳压部分。电源变压器将交流电网的220V交流市电变为小幅度的交流电源；整流部分将交流电的负半周期翻转变为直流；滤波部分将幅度变化的直流电源信号变为幅值变化平缓的直流信号；最后稳压电路将信号输出直流电压值稳定，为后面电路提供稳定的直流电压。原理图中，左边输入端接变压器，它将交流电从220V降压至交流15V、交流9V。FUSE1、FUSE2、FUSE3为保险管，用来保护电路中各个器件，使各个器件不因为线路或器件接错而导致电流过大被烧坏。B1、B2为桥式整流电路，其作用是将交流电压半波整流，形成脉动的直流。C1、C2、C3分别起滤波作用，它们可以使从整流桥出来的含有较大波纹的脉动电压变得平滑，此时的得到的电压相对平稳但均大于所需要的电压值，再通过三端稳压器7805、7812、7912，稳压，分别得到+5V、±12V的直流电压，这样就得到了+5V、1A，+12V、1A，-12V、1A三组电源。16 原器件：220uF电解电容3个，470uF电解电容3个，LM7805芯片1个，LM7812芯片1个，LM7912芯片1个，二极管整流电桥2个，保险管3个为了统连接和调试方便，电源电路板有左右两个插座，网格插座定义如下：图2-1稳压电源插座图三、原理图图2-2元件电路原理图设计16 图2-3AD实现的原理图1四、PCB图同学1：同学2：五、材料清单名称220u/50V电容1000u/25V电容整流桥LM7805CTLM7812CTLM7912CT数量/个332111表2-1电源模块材料表六、焊接电路板图2-5线性电源电路板七、数据分析电压值/VAC15AC9+5+12-1216 实际值/V15.799.74+4.97+11.84-12.16表2-2稳压模块测试结果表八、调试问题和误差分析1、调试方法万用表黑表笔接地，红表笔接三个输出点来测试三个输出的电压值，其中+5V管脚的输出电压稳定在4.97±0.02V，而-12V管脚的输出电压稳定在-12.16±0.03V，+12V管脚的输出电压稳定在11.84±0.06V左右。三个管脚的输出电压基本符合标准，满足电路输出的要求。2、误差产生的原因：主要与元器件输出电压值不精确不稳有关，即元器件产生的系统误差，以及与焊接工艺也有直接的关系，即认为产生的偶然误差。3、实验中遇到的困难：本次实验中我们通过看PCB图连的线，导致了忽略了电路板本身的暗线，没有很好地利用，导致连线的赘余，显得线有些凌乱。在检查电路的过程中工作量也有些多。16 第三章放大电路的设计与实现一、实验目的实现将温度信号用电压值来表示，将0-100度的温度（0.273mA-0.373mA的电流）转换为0-5v的电压。二、实验原理温度变送器是一个具有较高精度和稳定度的直流放大器，是将传感器输出的信号转变为采集电路所需要的信号。温度变送器输出电压：0—5V（对应温度0℃—100℃）。温度变送器应具有调零、调满度电位器，以便进行温度校准。温度变送器是一个具有较高精度和稳定度的直流放大器，变送器的线性化电路采用反馈方式。对热电阻传感器，用正反馈方式校正，对热电偶传感器，用多段折线逼近法进行校正。三、原理图及仿真图3-1原理图图3-2电流0.273mA时的电压图3-3电流0.373mA时的电压16 四、PCB图图3-4放大电路PCB五、实际焊接电路板图3-5电路板反面图3-6电路板正面六、材料清单名称数量/个LM324AD41kΩ1010kΩ滑动变阻器2表3-1放大环节元件清单七、数据分析表3-2放大环节数据分析表温度/度（实际）22.926.030.340.650.458.171.673.5温度/度（电压值转换）222630395059707416 图3-7测量结果图16 表3-3放大环节折线图（系列1：温度/度（实际）系列2：温度/度（电压值转换））八、调试问题和误差分析在调试的过程中，温度的输出不随输入变化，或者变化的趋势不正确。在反复地检查后，没有发现电路连线存在问题，于是我们在电路增加了一个跟随器来稳定电流的输出，后来经过测试，发现变化趋势正确，并且误差不大，因此我们归结为电流输出的不稳定导致电压输出不正确。误差精度为2.23%，级别为三级。在五级以内，属于正常范围的误差。引起误差的原因可能有滑动变阻器在实际调试中没有调整到最合适的阻值、电阻阻值的误差、焊接工艺不成熟以及电流输出不稳定。16 第四章功率放大电路的设计与实现一、实验目的将mA级的电流放大到1A-2A左右，对应测量温度0~100℃，使电路输出电压为0~5V。二、实验原理前级驱动电压为-12V~+12V,随着输出负电压的增加,制冷量增加,随着输出正电压的增加,制热量增加,从而以控制输出电压,达到控制温度的目的。本实验就是将mA级的电流放大到1A-2A左右。温度上升时，指示灯红灯（加热）亮，输出端电压值升高。温度下降时，指示灯绿灯（制冷）亮，输出端电压值降低。基本达到设计要求。驱动电路接收来自单片机的处理，并经过D/A模数转换为电压信号，驱动器随着输出负电压的增加，制冷量增加；随着输出正电压的增加，制热量增加，从而以控制输出电压，达到控制温度的目的。在实际的系统里，往往要求放大电路的末级输出一定的功率，以带动后面的负载。三、原理图与仿真当输入为+12V时，输出为1.901A图4.1功率放大电路仿真图1（+12V）16 当输入为-12V时，输出为-1.519A图4.2功率放大电路仿真图2（-12V）四、PCB图图4.5功率放大电路PCB图五、材料清单名称数量/个2N349522N3417251kΩ2100Ω1表4-1功放环节元件清单16 六、焊接电路板图4-5电路板正面与反面七、数据分析经实际测量得到电流变化范围是-1.10A——+1.90A。从而驱动加热制冷。测试结果如图4.3所示。16 制冷制热图4.5制冷及制热图八、调试过程及其问题分析在调试过程中我们遇到了问题。第一次焊的板子我们把输入的正负接反，以及输出也接错了端口，在更改之后，发现还是无法制冷制热。于是我们反复检查线路的连接以及测试三极管是否烧毁，都没有查出问题的所在，于是我们推测可能是焊接工艺的不到位。随即我们重新焊接了一块板子，经过反复检查我们终于实现了输出电流电压正常和制冷以及制热的功能，但是，再最后测量电流的时候，因为电流表表笔不小心接错了，导致两个大功率三极管击穿了，最后不得不再从新焊一块。16 第五章体会感想在这门课上，先是根据实验的要求，结合自己所学的内容，设计出所需要的电路；电路图经过老师确认后，就自己找要用到的元件，然后按照电路图焊接板子。最后进行的就是调试，第一个实验中，我们的调试很成功。可是在第三个板上出了问题，我们先是对照着电路图检查接线，肯定没问题后又怀疑是焊接的问题，仔仔细细得把所有可能出错的地方都查了一遍，可是调试的时候还是不成功。所以又重新焊接了一块板子，最后得以调试成功。实验结束后，我们觉得这门课真的很考验综合能力，要求我们具有专业知识的同时，动手能力也一定要强。在制作pcb时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。对自己的动手能力是个很大的锻炼。通过这次设计，制作，调试的全过程。提高了我们在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养了在完成工程项目中应具备的基本素质和要求。16'