专业专业综合课程设计正文

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1、第1章 绪论1.1 课题来源随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使遥控技术有了日新月异的发展。遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。本课题就是基于此而设计了超声波对灯泡的控制。1.2 课题研究的目的意义科技的进步带动了超声波控制的发展，现代超声波控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，超声波控制技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。对于本次设计，其目的在于：(1)掌握prot

2、eus的运用。(2)复习已学的模电和数电知识。(3)复习已学习的现代通行原理。(4)可以学会proteus调试方法。(5)把所学的知识窜起来。1.3 国内外现状及水平无线电遥控技术发展只有几十年的历史。本世纪20年代，才刚刚出现无线电遥控的雏形。那时，人们试图将遥控技术应用于无人驾驶飞机和舰船上，但由于技术不够完善而未能成功。二次世界大战以后，无线电遥控技术发展迅速，并逐渐在军事、国防、工农业生产以及科学技术等方面得到广泛的应用。随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使得遥控技术有了日新月异的发展。遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计

3、算机，智能化程度大大提高。近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。在无线遥控领域，目前常用的遥控方式主要有超声波遥控、红外线遥控、无线电遥控等。由于无线电波是由发射点向四面八方传播，可以穿过阻挡物，而且可以传播到很远的距离，因此它的控制可以在很大区域和空间内实现，成为遥控的主要方式，在国防、军事、生产、建设和日常生活中有极广泛的应用。1.4 课题研究内容本设计研究的主要内容如下：（1）在广泛查阅多路超声波控制理论和方法、控制技术等资料的基础上，根据不同的控制要求及应用领域完成对系统方案的总体设计。本设计采用以555和LM567芯片核心，来实现对超声波对

4、电灯的控制。（2）研究比较各相关元器件的功能与特点，选择合适的元器件。（3）系统硬件设计。（4）系统调试设计，综合所学专业课程的知识。专业综合实验的编写。由于本人的能力和水平有限，论文中肯定会有不妥之处和错误，恳请老师和同学提出批评和改进意见，在此表示衷心的感谢。第2章 方案设计2.1 设计要求2.1.1 使用proteus软件实现超声波对电灯的控制的仿真2.1.2 采用555芯片和LM567芯片进行判决和控制，以晶振作为频率发生器并且以可控硅最为触发导通。2.1.3 出发后要求即时显示，即要求灯泡立即亮。2.1.4 要求在理论上提供多种可行性的方案。2.1.5 充分比比较多种方案确定一种最合

5、适的解决方案。2.2 方案1简易超声波遥控电路在不需要多路控制的应用场合，可以使用由常规集成电路组成的单通道超声波遥控电路。这种遥控电路不需要使用较贵的专用编译码器，因此成本较低。超声波发射部分：产生震荡频率超声波发射 图1 超声波发射部分考虑到本方案电路是简单的单通道遥控器，可直接产生一个控制功能的震荡频率，再通过超声波二极管发射出去。超声波收收部分：受控电器超声波接收解调控制图2 超声波接收部分当超声波接收头接收到控制频率时，由一个电路对其进行解调并产生相应的控制功能。2.3 方案2 超声波开关电路超声波发射/接收控制电路均采用单片机来实现，输出控制方式可选择，实用性强。超声波发射部分：单

6、片机遥控按钮超声波发射 图3 超声波发射部分当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制脉冲，由超声波二极管发射出去。超声波收部分：超声波接收单片机受控电器控制方式选择开关 图4 超声波接收部分当超声波接收器接收到控制脉冲后，由控制方式选择开关选择是“互锁”还是单路控制，再由单片机处理后，对相应的受控电器产生控制。2.4方案3 超声波遥控开关电路用单片机制作一个超声波电器遥控器，可以分别控制5个电器的电源开关，和一个电灯开关，并且可以对电灯进行亮度的调光控制。超声波射部分：单片机超声波发射按键控制 图5 超声波发射部分当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制脉冲，由超声波二极管发射出去。超声波收部分：

7、受控电器电源开关显示单片机电灯超声波接收收调光电路图6 超声波接收部分当超声波接收器接收到控制脉冲后，经单片机处理由显示设备显示出当前受控电器的序号，并判断是否对电灯进行调光，如需调光则经调光电路处理后实现调光功能。2.5 方案比较综上所述通过比较三套方案，由于方案2和3较复杂且不服和简单的条件和造价的要求而且实验室的proteus软件元器件库很不完整。而且用分立元器件来进行课程设计可以更好的了解元器件的功能和结构为以后的学习做好基础。而且在高频段集成芯片有时候不可以满足要求。分立元器件在做模拟信号时有优势。作此课程设计可以更进一步的复习模电的知识。芯片的运用也对自己的数电也有很好的帮助。而且

8、就目前情况而言我的时间很紧。考虑到我本人现在的情况所以从实际出发选择了方案1作为专业综合实验的方案。第3章 系统硬件电路设计3.1发射电路555芯片接口电路设计3.1.1 555芯片介绍发射电路的核心部件是晶振和555芯片。晶振作用：给电路正常工作提供稳定的时钟信号。原理：在石英晶体的两个极板上加一个电场，晶片会产生机械变形，对极板施加机械力使其变形，又会在极板上产生相应的电荷，这叫压电效应。如果在两个极板上加上交变的电压，晶片便会产生机械变形震荡，同时这种机械震荡还会产生交变的电场（比较的微小），但是当外加交变的电压的频率与晶片固有的频率（由其形状和尺寸决定）相等时，机械振动的幅度会加剧，产

9、生交变电场也增大。叫做压电谐波。555 芯片是定时器,是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方

10、面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果

11、阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。3.1.2 555的引脚图：引脚1为地 GND引脚2为触发引脚3为输出引脚4为复位引脚5为控制电压引脚6为门限(阈值）引脚7为放电引脚8为电源电压Vcc图7 555芯片引脚图3.1.3 555芯片接口详细设计图8 555芯片接口详细设计3.2发射电路总体设计 图9 发射电路总体设计3.3接收电路LM567接口电路设计设计3.3.1 LM567芯片介绍接收电路的核心部件是晶振，LM567芯片以及可控硅。由于前面已经介绍了晶振的

12、功能和作用，所以在这里重点说明LM567的作用和可控硅的功能。 567音调解码器内含锁相环，频率监视器等各种电路中。 音调解码器 LM 567是一种高稳定性的锁相环音频泽码器集成芯片，其内部由鉴相器、电流控制震荡器、直流放大器、低通滤波器等电路组成。采用8脚双列直插塑封。阵片的 、脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。脚所接电容决定锁相环的捕捉带宽，电容值越大，环路带宽越窄脚是输人端。、脚分别接电源和地线，电源电压范围为4.75一9Vo、脚和内部电流控制震荡器相连，外接电阻和电容，电阻和电容的大小决定LM567的中心频率f，如果外接电阻如图1所示为R-、电容为C

13、则中心频率为:.f=I/1.I R7C,o 脚为输出端。I,M 567 的 内部电路及其下作过程非常复杂，这里不作详细介绍仅介绍其两种典型的应用情况:当 LM567的输人端脚输人频率在其带宽内的信号时，脚输出低电平，脚输出经频率/电压变换的调制信号;如果脚输人频率不在其带宽内的信号时，脚输出高电平。此种情况下脚输出频率为中亡频率的方波信号。当以 LM567的脚作为输人端输人音频信号时，脚输出受脚输人信号调制的调制方波信号围。图10 LM567引脚图3.3.2 双向可控硅的介绍双向可控硅:IAC(TRI-ELECTRODE AC SWITCH)为三极交流开关，亦称为双向晶闸管或双向可控硅。 TR

14、IAC为三端元件，其三端分别为T1 (第二端子或第二阳极)，T 2(第一端子或第一阳极)和G(控制极)亦为一闸极控制开关，与SCR最大的不同点在于TRIAC无论于正向或反向电压时皆可导通，其符号构造及外型，如图1所示。因为它是双向元件，所以不管T1 ,T2的电压极性如何，若闸极有信号加入时，则T1 ,T2间呈导通状态；反之，加闸极触发信号，则T1 ,T2间有极高的阻抗。 ab126计算公式大全图11可控硅符号 图12可控硅构造TRIAC的触发特性: 由于TRIAC为控制极控制的双向可控硅,控制极电压VG极性与阳极间之电压VT1T2四种组合分别如下： (1) VT1T2为正, VG为正。 (2)

15、 VT1T2为正, VG为负。 (3) VT1T2为负, VG为正。 (4) VT1T2为负, VG为负。 一般最好使用在对称情况下(1与4或2与3)，以使正负半周能得到对称的结果，最方便的控制方法则为1与4之控制状态，因为控制极信号与VT1T2同极性。图13 TRIAC之V-I特性曲线如图所示为TRIAC之V-I特性曲线，将此图与SCR之VI特性曲线比较，可看出TRIAC的特性曲线与SCR类似，只是TRIAC正负电压均能导通，所以第三象限之曲线与第一象限之曲线类似，故TRIAC可视为两个SCR反相并联TRIAC之T1-T2的崩溃电压亦不同，亦可看出正负半周的电压皆可以使TRIAC导通，一般使

16、TRIAC截止的方法与SCR相同，即设法降低两阳极间之电流到保持电流以下TRIAC即截止。TRIAC之触发：TRIAC的相位控制与SCR很类似，可用直流信号，交流相位信号与脉波信号来触发，所不同者是V T1-T2负电压时，仍可触发TRIAC。3.3.3 LM567芯片详细设计图 图14 LM567芯片详细设计图3.4接收电路总体设计图15 接收电路总体设计3.5电路总体设计分析在发射和接收电路总体设计中555和R1，RP1，C1组成无稳态多谐振荡器，振荡频率F=1.44/(R1+RP1)C1，调节RP1，使频率在40KHZ+500HZ或40KHZ-500HZ以内。超声发射采用UCM40T压电陶

17、瓷传感器。在接头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为电信号，经VT1，VT2直接耦合放大器加至IC1，IC1采用有锁相环路的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1RP1C3,电容C4决定其锁定带宽。调节RP1在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mv，输出端8脚由高电平跃变为低电平，VT3饱和导通，SCR触发导通，将照明灯点亮。在这个过程中555和LM567都起来判决的作用。可控硅起了触发导通的作用。第4章 系统仿真4.1 proteus简介Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件。Prote

18、us软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！尤其重要的是Proteus Lite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果；功能最强的Proteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。 Proteus组合了高级原理

19、布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块：个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真； ARES PCB设计。PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM

20、:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计, 是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Pro

21、teus 有较高的推广利用价值。4.2 发射电路仿真4.2.1发射电路的超声波。这是发射电路发出的超声波，经示波器检测到的波形。波形的频率为20KHZ。A通道为检测到的超声波。 图16 发射电路的超声波4.3 接收电路仿真4.3.1接收电路的超声波。这是接收电路所接收到的超声波，示波器检测到该超声波的频率为20KHZ说明发射和接收完全吻合。图17 接收电路接收的超声波4.3.2 接收电路电源波形。由于没有220V的交流电源，用幅度为220V频率为50HZ的正旋波代替了电源的功能。图18 接收电路的电源波形4.3.3 接收电路全部波形。接收电路所接收到的波形和接收电路电源波形放在一起比较的情形。

22、图19 接收电路全部波形4.3.4 接收电路受控灯亮。这是接收电路在接收到超声波后，受控电灯电源导通发亮的情况。图20 接收电路受控电灯亮4.3.5 接收电路受控灯灭。这是接收电路在没有接收到超声波后，受控电灯电源导通灭灯的情况。图21 接收电路受控电灯灭第5章 元器件安装调试与故障排除专业综合实验可能是大学里的最后一个实验了，在这个试验中最重要的莫过于黄老师的这一部分。在这部分实验中我的确遇到了很多有关于元器件不齐全的问题，和在调试中所遇到的一些问题。先说说关于这个实验的软件环境proteus这款软件相信到了我们大四了已经用得非常熟练。但我在这个过程中仍然遇到了一些问题。首先就是软件版本不匹

23、配的问题在寝室里用得是proteus7.5Sp的版本而我们实验室的软件是7.1Sp的版本。这就造成了不兼容的问题那就只有在实验室做。由于实验室的软件版本不高所以很多想用到的元器件在元器件库里面找不到所以有些芯片要用分立元器件代替，以用于进行仿真、在这个过程中最典型的就是ML567芯片的代替。ML567芯片是接收电路的核心芯片，它起了比较判决导通地作用。由于没有此芯片所以在功能上用电阻接地导通来实现判决导通地作用，也就是说假设ML567已经判决了此波是超声波，就产生一个低电平使三极管导通从而实现了受控电灯电路的导通。这就完成了受控导通地问题。在这个过程中由于我们做实验用的是实际的220V的电灯，

24、而元器件库里面缺少220V的交流电源。经老师指点我就用峰峰值为440V频率为50HZ的正旋信号代替所需的交流电源。由于发射电路与接收电路时分开设计的，因此在检验接收电路时需要一个超声波信号。如此问题我参照前面的列子如法炮制。自己做一个超声波信号，也就是在感应器旁边加一个20KHZ的正旋波信号。这样就完成了接收电路的超声波测试信号。总结 通过这次的专业综合实验，让我充分认识到了我的不足。我虽然学习过proteus的课程，但一旦将它应用到实际的比较专业的问题上，我所学的知识就变得完全不够用了，为了这次实验我和我的搭档查询了大量的资料，无论是超声波的控制方面的还是proteus的作图和元器件的整理方

25、面的都让我们花费了很多时间，查询到了需要的资料我们又对它们进行了整理，提取出我们需要的555和ML567的引脚，并且努力去理解其中的知识，比如在proteus环境下我们要如何观察波形，波形有代表什么等等，为此我们又不断的翻阅课件和资料，才最终解决了所有的问题，我们的实验才算基本完成了。整个实验过程中，我在不断的查阅资料和开动脑筋过程中，锻炼了我的资料采集能力，也锻炼了我的分析整理能力，为以后作毕业设计打下了基础；同样在实验过程中我遇到很多困难，而这些困难则锻炼了我的耐心和分析解决问题的能力；通过对proteus软件的运用，使我对proteus，芯片的运用更加熟悉，让我能更好的运用它们；而且两人

26、一组的实验，也锻炼了我们的团结协作能力，为将来走入社会能更好的工作打下了基础。总之通过这次的实验，让我认识到了自己的不足，同时又通过这次的实验让我们学到了让我们受用一生的知识。参考文献1 中国知网 2 百度文库 3 冯建华 赵亮 应用系统设计与产品开发 人民邮电出版社 2004.104 李颖 李文海 现代通信技术 人民邮电出版社 2002.35 周润景 张丽娜 基于PROTEUS的AVR单片机设计与仿真 北京航空航天大学出版社 2007.07.016 江世明 基于Proteus的单片机应用技术 电子工业出版社 2009.6致谢 在这次专业综合实验的过程中得到黄乘顺老师的悉心指导。实验行文过程中

27、，黄老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难的时候给予我最大的支持和鼓励。黄老师在充分讲解课本的同时，又增加了许多书本上没有的但却非常实用课程设计要用到的知识。让我的实验进行的比较顺利。黄老师宽大包容，严谨求实的治而有富有幽默的教学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。在这次课程设计的过程中我学到了，非常多的知识，培养的不仅仅是我的专业知识而是专业兴趣。让我感受到知识的力量，和科技的魅力。为我以后的就业打下了坚实的基础。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向黄老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 另外我还要感谢我的同学，在我实验过程中给予我技术上的极大支持和心理上的鼓励。这里不仅仅是我一个人的果实，更是众人的汗水没有他们的帮助我的课程设计可能会多走很多的弯路。在此向帮助过我的同学表示真诚的敬意和谢谢！附件附件图1 发射总电路图，细节请看第五章。图22 发射总电路图附件图2 接收电路总电路图，细节请看第五章。图23 接收电路总电路图附件图3 接收等效电路图，细节请看第五章。图24 接收等效电路图