电子电路制作详解.doc

任 务 书题目：基于单片机的直流电机pwm调速控制设计内容及要求：1、设计一个直流电机调速系统，并用单片机实现连接开关和数码显示并将其值输入直流电机调速系统。2、通过公式及键盘实现其直流电机启动、加速、减速和停止四种状态。设计环境： Protel99se、WAVE、H51/L仿真器、单片机多功能试验箱实现目标：1、CPU为 8051芯片。2、实验需要1个LED灯，以其亮灭的闪烁速度分别显示启动、加速、减速和停止。3、通过按键开关输入不同的值改变脉冲占空比的控制值从而得到不同的频率脉冲，实现脉冲转变为点评，实现调速功能。 目 录1 触摸延时开关式节能灯11.1 总体方案的选择11.1.1 触摸感应电路的选择11.1.2 开关电路的选择11.1.3 定时电路的选择21.1.4 触摸延时开关的整体电路21.2 电路的工作原理21.3 元件的计算及选择31.3.1 触摸感应电路元件的选择31.3.2 开关电路元件的选择31.3.3 定时电容的选择41.4 元件表41.5 组装与调试41.5.1 触摸感应电路的组装与调试41.5.2 开关电路的组装与调试51.5.3 定时电路的组装与调试51.6灯点亮延时时间调整的研究52 声控闪光电路62.1 总体方案的选择62.1.1 声音控制电路电路的选择62.1.2 开关电路的选择62.1.3 显示电路的选择72.1.4 声控闪光电路的总体电路72.2 电路的工作原理72.3 元件的计算和选择82.4 元件表92.5 组装与调试93 彩灯循环显示控制电路103.1 总体方案的选择103.1.1振荡电路的选择103.1.2 计数器/译码分配器的选择103.1.3 显示电路的选择113.1.4 彩灯循环显示控制电路的整体电路图113.2 电路的工作原理123.3 元件计算及选择123.4 元件表133.5 组装与调试133.6 循环速度的调整方法134 四路抢答器144.1 总体方案的选择144.1.1控制电路的选择144.1.2 振荡电路的选择144.1.3 指示电路的选择154.1.4四与非门CD4011管脚图和四D锁存器CD4017管脚图154.1.5四路抢答器的整体电路164.2 电路的工作原理164.3 元件的选择174.4 元件表174.5 组装与调试174.6 抢答显示功能用数码管显示优先抢答18附录A19附录B20附录C21附录D22附录E23附录F24附录 G25附录 H26附录 I27附录 J28IV1 触摸延时开关式节能灯1.1 总体方案的选择触摸延时开关应包括三个组成部分：触摸感应电路、开关电路和定时电路。1.1.1 触摸感应电路的选择 触摸感应电路的作用是将人体的触摸转换成电信号，无触摸时电信号为低电平（0V）,有触摸时电信号为高电平。完成此功能只要利用一个三极管开关电路，分别工作在截止和饱和状态。为提高感应的灵敏度，采用多级三极管电路，如图1.1所示。图1.1 触摸感应电路1.1.2 开关电路的选择开关电路的作用是控制灯的点亮与熄灭。为简单起见，灯暂时用一只发光二极管代替，在实际电路中，开关电路控制一个继电器，再由继电器控制灯的点亮与熄灭。采用一般的三极管开关电路即可，如图1.2所示。图1.2 开关电路1.1.3 定时电路的选择定时电路的作用是控制开关电路的导通时间。最简单的定时是利用电容的充放电时间来实现。因此采用一个RC电路完成定时作用,如图1.3所示。图1.3定时电路1.1.4 触摸延时开关的整体电路触摸延时开关整体电路图如图1.4所示。图1.4 触摸延时开关式节能灯1.2 电路的工作原理由三极管和RC电路组成的出米延时电路，只要经适当改装，就可以构成一个触摸延时开关。人体本身带有一定电荷，当人的手接触导体时，这些电荷就经人体转移到导体上，形成瞬间的微弱电流。这一微弱电流经过三极管放大后，就可以控制较大的负载开关动作。此图是由金属片M.三极管放大RC延时及三极管开关电路构成的触摸延时电路。VT1和VT2组成直接耦合的两级放大电路，VT3构成开关电路。金属片M和限流电阻R6接在VT1的基极，当悬空时，由于基极开路，VT1，VT2处于截止状态，因此VT3也截止，LED中无电流流过而不发光。当人手触摸金属片M时，人体电荷经R6流入VT1基极，VT1迅速导通将此瞬间电流放大后驱动VT2饱和导通，使VT2的集电极电位降为低电平，并使VT3也随之导通，LED中有电流流过而发光。在VT2瞬间饱和和导通的同时，集电极电流对电容C快速充电至接近12V，但瞬间电流消失后，VT1和VT2截止，由于C分别与R3和VT3发射结及R2构成放电回路的时间常数较大，使C所储存的电荷放电比较慢，VT3在一段时间内仍保持导通，LED继续发光，知道VT3的集电极电流减小到不足以使LED发光。VT3导通的延迟时间主要由R2,R3和C的大小决定。如要进一步增大延迟时间，可加大C容量。除上述主要因素外，VT2的值大小.空气的适度对延迟时间也有影响，为保触摸时VT2迅速饱和，VT2管选择值大的9013。在实际应用中，用继电器.可控硅等执行原件取代R4，R5和LED，就可控制较大的负载。1.3 元件的计算及选择1.3.1 触摸感应电路元件的选择（1） 、三极管的选择。（2） 、为使触摸感应电路的灵敏度高，VT2应选择值高的三极管，值大于100;VT1选择穿透电流小的三极管，否则不触摸时，也会使VT2导通工作。（3） 、电阻的选择。为使触摸感应电路可靠的工作，只要有很微弱的触摸信号电路就达到饱和状态，电阻R2应尽量大，由于它又是定时电容的放电回路，R2必须很大。R2取2.2VT2的集电极临街饱和电流：Ics=Ucc/R2=12/2200=0.005mA （1.1）VT2的基极临街饱和电流：IBS=ICS/=0.005/100=0.05A （1.2）这样，只要有微弱的触摸信号，VT1导通，就能为VT2提供足够的基极电流，时VT2由截止，转换到饱和。为保证VT1顺利的导通，放大感应电流，要求工作在放大状态，R1取值几K范围内，取1K。R6起保护作用，取1。1.3.2 开关电路元件的选择（1）、发光二极管的工作电流为510mA,导通压降为23V。限流电阻R5取300。（2）、为使VT3导通时能向发光二极管提供足够的驱动电流，并使VT3很容易由截止转换为饱和状态，R4取值应足够大，取R4为51K。（3）、VT3导通时，ICS为发光二极管的驱动电流10mA。IBS=ICS/=10/100=0.1mA （1.3）IBIBs时， R3=(12-0.6-0.3)/0.11100K。 （1.4）1.3.3 定时电容的选择定时电容的放电回路为R2分别组成的回路。时间常数为t=C×(R2R3),当时间为3t时，电容基本放电完毕，VT3变为截止状态，发光二极管熄灭。C=30/3×(R2R3) 105µF （1.5）取C=100µF。1.4 元件表表1.1 触摸延时开关元件表元件名称符号 型号数量电阻R11K1电阻R22.2MK1电阻R3100K1电阻R451K1电阻R53001电阻R61M1电阻R71K1发光二极管VL任意1电解电容C100/16V1 三极管NPNIC3GD61 三极管NPN 三极管PNPICIC90139012111.5 组装与调试1.5.1 触摸感应电路的组装与调试首先连接VT1、VT2、R1、R2、R6悬空端连接一段软导线代替金属片M。电源导通后，用电压表测量VT2的集电极电位，在手触摸M前后的变化，手触摸M前为高电平，手触摸后变为低电平。1.5.2 开关电路的组装与调试前布调试好后，断开电源。再连接VT3、R3、R4、R5、LED。通电后，用手触摸M，LED应点亮。1.5.3 定时电路的组装与调试前步调试好后，断开电源。左后连接C。导通后，用手触摸M，LED点亮后持续一段时间后熄灭，测试为60秒。1.6 灯点亮延时时间调整的研究 灯点亮延时时间与电阻电容有关，而定时电容的放电回路由R2、R3与电容C构成，t=C×(R1/R2) （1.6）所以它与电阻电容有关。 LED灯点亮延时时间由10秒、30秒、60秒、90秒、120秒、180秒变化时，元件取值的测试数据如表1.2。表1.2 数据表时间 电阻R2 电阻R3 电容C30秒 2.2M 100K 100F60秒 2.2M 4.7K 100F90秒 2.2M 4K 100F180秒 2.2M 1K 100F2 声控闪光电路2.1 总体方案的选择声控闪光电路应包括三个组成部分：声音控制电路、开关电路和显示电路。2.1.1 声音控制电路电路的选择声音控制电路的作用是将人体或物体发出的声音转换成电信号，没有声音时电信号为低电平（0V）,有声音时电信号为高电平，如图2.1所示。图2.1声音控制电路2.1.2 开关电路的选择开关电路的作用是控制灯的点亮与熄灭。为简单起见，灯暂时用一只发光二极管代替，在实际电路中，开关控制一个继电器，再由继电器控制灯的点亮与熄灭。采用一般的三极管开关电路即可，如图2.2所示。图2.2开关电路2.1.3 显示电路的选择显示电路的选择是无声波信号时，发光二极管不亮，光接受到声波信号后发光二极管就点亮发光。电路如图2.3所示：图2.3 显示电路2.1.4 声控闪光电路的总体电路声控闪光电路的总体电路图，如图2.1所示。 图2.1 声控闪光电路2.2 电路的工作原理声控闪光电路包括三个组成部分：声音控制电路、开关电路和显示电路构成。VT1、VT2组成两级直接耦合放大电路，静态时，VT1处于饱和状态，VT2处于截止状态，即发光二极管LED无电流通过，灯灭。电阻R1为MIC提供偏置电压，电阻值越大越好。话筒接收环境中的声波信号后转变成电信号经过C1传到VT1的基极进行放大，使处于负半周期的VT1退出饱和状态装变成放大状态，处于正半周期的VT2退出截止状态也变成放大状态，导通，发光二级管LED有电流通过灯亮。当话筒接收的声波信号较低时不足于改变处于负半周期的VT1退出饱和状态，以至于VT2仍处于截止状态不导通，发光二极管LED无电流通过仍处于熄灭状态。只有输入较强信号时发光二极管才亮，所以发光二级光LED随着环境声音大小的变化而闪烁发光。2.3 元件的计算和选择（1）、三极管的选择。为了使声控电路的灵敏度高VT1和VT2应选择高的三极管，值大于100；选择穿透电流小的三极管，否则不声控时，也会使工作。VT1和VT2都是NPN型。（2）、电阻的选择。为使检音电路可靠的工作，当有很微弱的声波信号电路就能把声波信号转变成电信号，电阻R1应尽量大，取值10K。（3）、电容的选择。电容选：47F和1F。（4）、发光二极管选择一个黄灯，长脚为正极，短脚为负极。发光二极管LED的工作电流为510mA，导通压降为23V。当发光二极管LED不亮的时候，VT1饱和，VT2截止。当发光二极管LED亮的时候，VT1和VT2都是放大的。（5）、麦克。2.4 元件表表2.1 声控闪光电路元件表元件名称符号 型号数量电阻R110K1电阻R21M1电阻R310K1电阻R44K1电容C11uF1电容C247uF1发光二极管VL任意1麦克MIC任意1三极管NPNVT190131三极管NPNVT2901312.5 组装与调试（1）按图组装电路。在安装三极管前，先要根据三极管的判别方式，判别出三极管的各个电极，不要接错三极管的极性；（2）电路组装完成，要认真检查，无误后方可接电。调试包括测试和调整两个方面。测试是在安装后对电路的参数及工作状态进行测量；调整是在测试的基础上对电路的结构和参数进行修正，使之满足设计要求。(a) 测试VT1的极电极电位，应在0.20.4V之间，一方面该电压不低，如果过低则有声波信号时，VT1不能退出饱和状态，VT2也就不能导通，从而VT1和VT2才点亮发光，不能控制。(b) 驻极简化简的灵敏度和三极管的放大倍数值是有一定的离散性的，因此VT1的集电极电阻R3的大小要通过调试来确定。(c) 离话筒0.5米左右，用普通大小声音讲话，VT1和VT2才点亮发光，并随环境声音信号的强弱起伏而闪烁，可适当减小R3，或更换一只值较小的三极管3 彩灯循环显示控制电路3.1 总体方案的选择此电路主要由三部分组成：振荡电路，计数器和显示电路。3.1.1振荡电路的选择振荡电路主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。因为循环彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟脉冲。电路如图3.1所示。图3.1 振荡电路3.1.2 计数器/译码分配器的选择计数器是用来累计和储存输入脉冲个数的时序逻辑部件。在此电路中采用十进制计数/分频器CD4017.它的管脚分布图如图3.2所示。图3.2计数器CD4017管脚图3.1.3 显示电路的选择显示电路主要由发光二极管组成，如图3.3所示。当CD4017的输出端依次输出高电平时，驱动发光二极管也依次点亮，产生一种流动变化的效果。彩灯循环的速度由脉冲源频率决定。图3.3 CD4017与发光二极管组成的显示电路3.1.4 彩灯循环显示控制电路的整体电路图彩灯循环显示控制电路的整体电路图如图3.4所示。 图3.4 彩灯循环显示控制电路3.2 电路的工作原理彩灯循环显示控制电路包括三个部分：振荡电路，计数器和显示电路。门电路NE555有初始状态、暂稳态、暂稳态，接通电源时门电路NE555发生振荡振荡频率为f0=0.7（R1+2R2）C1，即为每个发光二极管LED灯亮持续的时间和到下一个放光二极管LED灯亮的时间。门电路CD4017是一个十进制计数器它主要有十个输出端、清零端cr、CP脉冲等组成，SD、 EN接低电平、将SD改接高电平所有灯全熄灭，EN不接，所有发光二极管LED会很快的闪，CO对门电路CD4017无影响。接通电源后门电路NE555不断地将脉冲输入CD4017的CP端，当某一脉冲为高电平时门电路CD4017计数Q0输出端的发光二极管LED灯亮，如此循环下去。当关闭开关SB时门电路NE555中的电容C3发生短路无法形成有效振荡门电路CD4017接收不到CP脉冲也无法进行计数便固定再某一时刻。3.3 元件计算及选择（1）、电阻的选择：R1=10K、R2=100K、R3=18K、R4=300。（2）、芯片的选择：NE555和CD4017。（3）、电容的选择：电解电容C1=4.7F，电容C3=0.1F和 C2=0.01F。（4）、发光二极管：10小灯，长脚为正，发光二极管的工作电流为5-10mA，导通压降为23V。限流电阻R4取300。NE555振荡频率为0.7（R1+2R2）C1。3.4 元件表表3.1 彩灯循环显示控制电路元件表元件名称符号 型号数量电阻R110K1电阻R2100K1电阻R318K1电阻R43001电解电容C14,7uF1电容C20.1uF1电容C30.01uF1发光二极管VL0-VL9任意10开关按钮SB任意1芯片ICNE5551芯片ICCD401713.5 组装与调试首先连接门电路NE555，R1、R2、R3、C1、C2、C3、SB分别与相应的脚相接，C3下端脚与电阻R4一起接地。再接门电路CD4017，发光二极管LED依次接入输出端Q0Q9，R4上端接发光二极管LED10下端接地。接通电源后门电路作用使发光二极管LED1LED10依次循环闪烁，当按住开关SB时发光二极管LED将再某一时刻持续灯亮，断开后发光二极管继续依次循环灯亮。SD应接低电平，若将SD改接高电平所有发光二极管LED灯全部熄灭，EN也应接低电平若将其不接发光二级光LED会很快的闪，CO接高电平对电路无影响。3.6 循环速度的调整方法彩灯循环速度即为发光二极管LED灯亮的时间根据彩灯循环显示控制电路原理可知时间t=0.7（R1+2R2）C1它与电阻R1、R2、C1的取值有关。4 四路抢答器4.1 总体方案的选择四路抢答器电路包括控制电路、振荡电路、指示电路三个部分。4.1.1控制电路的选择控制电路的作用是当有人抢答时，将信号传递到下一电路。完成此功能可利用四个开关，四个电阻和CD4042芯片。其中CD4042如图4.1所示，控制电路如图4.2所示。 图 4.1 四D锁存器4042的管脚图 图4.2 控制电路4.1.2 振荡电路的选择由电阻，电容和四与非门CD4011芯片（如图4.4）构成振荡电路的作用是使蜂鸣器发声，完成此功能需要构成RC振荡器，如图4.3所示。 图4.3 振荡电路 图4.4 四与非门CD4011管脚图4.1.3 指示电路的选择当有人抢答时，由发光二极管闪光来显示是那位选手按下按键，指示电路如图4.5所示。图4.5 指示电路4.1.4 四与非门CD4011管脚图和四D锁存器CD4017管脚图四与非门CD4011是一个由四组二输入与非门构成的芯片，以1，2脚为输入，3脚为输出为第一组与非门，其管脚图如图4.6所示。 图4.6 与非门管脚图四D锁存器CD4042是一个同步D触发器，当POL=0时，异或门为输入当CP=1期间有效，进行原码传送，即C=CP、C反=CP反；当POL=1时，异或门进行反码传送。其管脚图如图4.7所示。 图4.7 四D锁存器管脚图4.1.5 四路抢答器的整体电路四路抢答器的整体电路图，如图4.3所示。图4.3 四路抢答器4.2 电路的工作原理四路抢答器包括三个部分：接收、保持和输出。抢答器中的与非门和非门则构成了反相器组成的振荡电路。门电路CC4042是一个同步D触发器，当POL=0时，异或门进行原码传送，即C=CP、C反=CP反；当POL=1时，异或门进行反码传送。所以输出为输入当CP=1期间有效。该电路作为抢答信号的接收、保持和输出的基本电路。S为手动清零控制开关，S1S4为抢答按钮开关。开关S作为总清零及允许抢答控制开关，当开关S被按下时抢答电路清零，松开后则允许抢答。输入抢答信号由抢答按钮开关S1S4实现。若有抢答信号输入（开关S1S4中的任何一个开关被按下）时，与之对应的指示灯被点，亮蜂鸣器鸣叫。此时再按其他任何一个抢答开关均无效，指示灯仍“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。4.3 元件的选择（1）、二极管四个：VD1VD4。（2）、10K电阻五个:R10=100K，R9=68K，R1R4=1K。（3）、开关五个:SB1SB4,SB。（4）、蜂鸣器一个:HTD。（5）、发光二极管四个:VL1VL4。（6）、芯片:CC4042一个,CD4011一个。（7）、电容二个:C1=100µ，C2=0.01µ。4.4 元件表表4.1 四路抢答器元件表元件名称符号 型号数量电阻R1-R4,R910K1电阻R5-R81K5电阻R10100K4电阻R11681电容C0.01uF1三极管VD2CP104蜂鸣器HTD任意1发光二极管VL任意4开关SB任意5芯片ICCD40111芯片ICCC404214.5 组装与调试首先连接4个开关SB1SB4，连接电阻R1R4。再连接门电路CC4042，连接开关SB、二极管VD1VD4、连接电阻R5R10、发光二极管VL1VL4，最后连接门电路CD4011、蜂鸣器HTD，而CD4011是与非门所以非门F2由门电路CD4011四个与非门内的任意一个两个输入端并联而成。接通电源当开关S被按下时抢答电路清零，松开后则允许抢答。输入抢答信号由抢答按钮开关S1S4实现。若有抢答信号输入（开关S1S4中的任何一个开关被按下）时，与之对应的指示灯被点亮，蜂鸣器鸣叫。此时再按其他任何一个抢答开关均无效，指示灯仍“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。4.6 抢答显示功能用数码管显示优先抢答 抢答显示功能由显示译码器、数码管构成。显示译码器采用74LS48，数码管显示采用七段共阴极LED数码管，它有八个发光二极管，其中七个发光二极管构成了七笔字形的“8”，一个发光二级管构成了小数点。七段发光二极管分别为a、b、c、d、e、f、g。通过不同的发光段的组合，可以有数字09。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接到一起为公共端COM，公共端接地。将输出端Q1Q4分别与显示译码器的四个输入端相连，LT、RBI、BI/RBO控制端均接高电平。当输入端输入信号通过时，输出给显示译码器，再驱动数码显示器，则构成了输入、译码、显示电路。附录A图A1 楼道触摸延时开关式节能灯原理图附录B图B1 彩灯循环显示电路原理附录C图C1 声控闪光电路原理图附录D1222图D1 四路抢答器原理图附录E图E1 声控闪光电路PCB图附录F图发F1触摸延时节能灯PCB图附录 G图G1触摸延时开关式节能灯电路实物图附录 H图H1四路抢答器电路实物图附录 I图I1 彩灯循环显示电路实物附录 J图J1声控闪光电路实物图28