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        一種模數(shù)混合電子線路教學(xué)案例的設(shè)計與實現(xiàn)

        2022-10-31 04:01:44金艷艷胡志剛何英杰
        電子制作 2022年18期
        關(guān)鍵詞:樣例擋位車窗

        金艷艷,胡志剛,何英杰

        (成都工業(yè)學(xué)院,四川成都,611730)

        0 引言

        本教學(xué)案例的主要目的是加強(qiáng)學(xué)生對模擬電子技術(shù)及數(shù)字電子技術(shù)理論課程知識的綜合應(yīng)用,提高學(xué)生硬件設(shè)計和調(diào)試的能力,加強(qiáng)學(xué)生硬件電路設(shè)計模塊化的理念,掌握硬件調(diào)試過程中的方法及技巧。無人駕駛汽車作為現(xiàn)代汽車行業(yè)的重點研究領(lǐng)域,涵蓋多個學(xué)科,在大眾創(chuàng)新的背景下,該教學(xué)案例將未來影響到人們出行的先進(jìn)技術(shù)中的一部分經(jīng)過巧妙設(shè)計引入到課堂內(nèi),緊跟科技創(chuàng)新的腳步,來提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及主動性。

        1 設(shè)計要求及原理

        假設(shè)在未來無人駕駛發(fā)展成熟后,可以通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約無人駕駛網(wǎng)約車,在接送乘客的過程中,為保持乘客的舒適感,需要考慮到車內(nèi)有無人、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、溫度、濕度、車速、車內(nèi)空調(diào)狀態(tài)等多個元素來調(diào)節(jié)窗戶開合程度。經(jīng)過老師與同學(xué)們共同討論,根據(jù)實際需求,提出以下規(guī)則:(1)當(dāng)車內(nèi)有乘客時應(yīng)該可以進(jìn)行車窗手動控制模式和自動控制模式轉(zhuǎn)換,當(dāng)車內(nèi)無乘客時應(yīng)工作在自動模式。(2)當(dāng)發(fā)動機(jī)停止運行并且無乘客時說明乘客已經(jīng)下車或者該車未被預(yù)約,則車窗應(yīng)該全部閉合;(3)自動模式下當(dāng)車內(nèi)空調(diào)打開時車窗應(yīng)該全部閉合。(4)自動模式下發(fā)動機(jī)正常運行并且空調(diào)未被打開時車窗閉合程度應(yīng)該與外界溫度、濕度及車速相關(guān)。比如無人駕駛網(wǎng)約車被預(yù)約后再去接乘客路途中,可以根據(jù)外界環(huán)境提前開窗保證車內(nèi)溫度適宜。

        基于以上規(guī)則,提出設(shè)計要求,設(shè)計能夠測量自然環(huán)境溫度(0℃~45℃)、測量精度不低于±1℃、以數(shù)字方式顯示的溫度測量電路,并且通過指示電路判斷該溫度所在范圍。

        基本要求如下:

        (1)設(shè)計溫度檢測電路檢測車內(nèi)溫度。

        (2)設(shè)計開關(guān)單元模擬車速快慢、濕度高低、車內(nèi)空調(diào)的開關(guān)狀態(tài)、發(fā)動機(jī)開關(guān)狀態(tài)、車內(nèi)有無人、手動或自動選擇。

        (3)設(shè)計控制電路,滿足如下規(guī)則:

        ①當(dāng)車內(nèi)有人并且選擇手動時,執(zhí)行手動模式,否則執(zhí)行自動模式;

        ②自動模式下,若車內(nèi)空調(diào)打開或者發(fā)動機(jī)關(guān)閉或者濕度較高時,則車窗全關(guān);

        ③自動模式下,若發(fā)動機(jī)啟動且空調(diào)關(guān)閉并且濕度較低時,設(shè)計要求如表1所示。

        表1 自動模式下根據(jù)輸入不同時輸出要求

        (4)設(shè)計數(shù)字顯示電路。

        ①通過數(shù)碼管顯示當(dāng)前車內(nèi)溫度;

        ②設(shè)計指示電路表示當(dāng)前為手動模式還是自動模式;

        ③自動模式下,通過擋位數(shù)碼管顯示車窗的閉合程度,要求:車窗全關(guān)、車窗開1/3、車窗開2/3、車窗全開分別顯示0、1、2、3。

        (5)設(shè)計電源轉(zhuǎn)換電路,為各單元電路提供電源。

        (6)A/D轉(zhuǎn)換器所需時鐘信號的設(shè)計。

        (7)印刷電路板的繪制、焊接及調(diào)試。

        本案例主要的實驗原理為模擬電子技術(shù)部分:通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號Vin,通過信號放大電路將Vin進(jìn)行放大,放大后的電壓信號作為A/D轉(zhuǎn)換集成電路的輸入信號;數(shù)字電子技術(shù)部分:A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號經(jīng)二進(jìn)制轉(zhuǎn)BCD碼后經(jīng)過譯碼顯示電路進(jìn)行顯示。除此之外,A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號通過比較器及其他組合邏輯電路,結(jié)合題目設(shè)計要求,將最終車窗開合程度的擋位進(jìn)行顯示[1]。

        圖1 實現(xiàn)方案框圖

        2 設(shè)計方案

        溫度采集電路可供選擇的傳感器有熱敏電阻、PT系列熱電阻等。不同類型的熱電阻特性有所區(qū)別,應(yīng)根據(jù)所選熱電阻系列及所要求輸出溫度范圍設(shè)計放大電路,考慮電阻的典型值、放大倍數(shù)、差分比例等問題,滿足后級A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍,并盡量提高系統(tǒng)的抗干擾能力,信號放大電路采用常用的誤差放大器型號,如LM358,UA741等即可,設(shè)計樣例如圖2所示。

        圖2 溫度采集及信號放大設(shè)計樣例圖

        整個設(shè)計電源只需提供12V單電源供電,所需5V電源可采用常用三端口集成穩(wěn)壓器處理,本實驗案例中采用的型號是LM7805[2],采用其手冊中經(jīng)典三端口電路。

        將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量時,考慮采用常規(guī)的A/D轉(zhuǎn)換器,本實驗案例采用學(xué)生實驗室中常用的型號ADC0809[3]。ADC0809需要兩種脈沖頻率信號,分別為1kHz的時鐘信號及500kHz的采樣信號。設(shè)計樣例中1kHz時鐘信號采用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器、500kHz采用有源晶振電路實現(xiàn),如圖3所示。

        圖3 ADC0809所需方波信號樣例

        A/D轉(zhuǎn)換器輸出為二進(jìn)制數(shù)制,通過邏輯芯片74LS185將二進(jìn)制數(shù)制轉(zhuǎn)換成BCD碼,作為共陰極譯碼器74LS48的輸入,通過74LS48驅(qū)動共陰極數(shù)碼管即可顯示車內(nèi)溫度[4],如圖4所示。

        圖4 車內(nèi)溫度顯示電路樣例

        根據(jù)車內(nèi)溫度高低可通過比較電路和組合邏輯電路將溫度從低到高輸出狀態(tài)設(shè)定為00、01、10、11四種狀態(tài),為后續(xù)顯示車窗擋位的電路提供輸入,如圖5所示溫度狀態(tài)設(shè)計電路樣例。

        圖5 車內(nèi)溫度狀態(tài)顯示電路樣例

        根據(jù)溫度狀態(tài)及題目中要求設(shè)計開關(guān)單元模擬車速快慢、濕度高低、車內(nèi)空調(diào)的開關(guān)狀態(tài)、發(fā)動機(jī)開關(guān)狀態(tài)、車內(nèi)有無人、手動或自動選擇及規(guī)則要求,設(shè)計出真值表,進(jìn)一步根據(jù)組合邏輯電路設(shè)計相關(guān)內(nèi)容,設(shè)計出擋位顯示電路,其真值表如表2所示。

        表2 真值表

        根據(jù)真值表可知,當(dāng)車窗控制模式為手動模式時,擋位直接顯示0,并且手動模式狀態(tài)燈亮。若為自動模式時,手動模式狀態(tài)燈滅。自動模式時,當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)或空調(diào)開或濕度較大時,無論溫度及風(fēng)速如何,車窗全部關(guān)閉。自動模式下,當(dāng)發(fā)動機(jī)開動并且空調(diào)關(guān)閉并且濕度較低時,擋位變化與風(fēng)速和溫度有關(guān),具體設(shè)定參考表1。結(jié)合真值表,樣例中采用譯碼器74LS138及常用門電路,設(shè)計出最終擋位綜合顯示電路,如圖6所示。

        圖6 擋位綜合顯示電路樣例

        3 實驗結(jié)果驗證

        通過實物驗證設(shè)計的準(zhǔn)確性。首先驗證自動模式下,當(dāng)發(fā)動機(jī)開動并且空調(diào)關(guān)閉并且濕度較低時,風(fēng)速較低時,隨著溫度變換擋位發(fā)生變化,以車內(nèi)溫度29度為例,驗證了表1設(shè)定,如圖7所示。當(dāng)風(fēng)速較高時,對比圖7和圖8可知,雖然溫度均為29度,但是風(fēng)速高時,車窗開合程度由2檔降為1檔,符合設(shè)計要求。

        圖7 自動模式下風(fēng)速低時溫度29度時擋位2

        圖8 自動模式下風(fēng)速低時溫度29度時擋位1

        圖9為將手動開關(guān)打開,進(jìn)入手動模式,右上角指示燈亮,同時自動模式擋位歸為0,表示已進(jìn)入手動模式,客戶根據(jù)需求手動調(diào)節(jié)窗戶開合程度,符合設(shè)計要求。

        圖9 手動模式驗證

        4 教學(xué)引導(dǎo)及實施

        電子線路設(shè)計過程是一個比較完整的工程實踐,需要經(jīng)歷學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、實驗仿真、實物調(diào)試測試、設(shè)計總結(jié)等過程[5]。在教學(xué)中,會在以下幾個方面加強(qiáng)對學(xué)生的引導(dǎo):

        (1)學(xué)習(xí)溫度測量的基本方法,學(xué)會分析熱敏電阻阻值隨溫度變化的特性,如何根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的熱敏電阻及設(shè)計溫度采樣電路,該部分內(nèi)容涉及模電課程所學(xué)。

        (2)要求學(xué)生熟練掌握信號放大電路的設(shè)計,根據(jù)平時理論指導(dǎo)和課程實驗選擇合適的電路和參數(shù),該部分內(nèi)容涉及模電課程所學(xué)。

        (3)提示時鐘信號設(shè)計的多樣性,可采用模擬電子技術(shù)中所學(xué)信號產(chǎn)生電路和數(shù)字電路中所學(xué)脈沖產(chǎn)生整形電路,對比有源晶振和無源晶振電路的優(yōu)缺點,結(jié)合數(shù)字分頻電路等設(shè)計出所需的時鐘信號。

        (4)指導(dǎo)學(xué)生電路仿真,通過仿真驗證設(shè)計是否規(guī)范、是否合理、是否滿足要求、是否可以繼續(xù)優(yōu)化電路等。

        (5)提示學(xué)生可采用網(wǎng)孔板搭建電路,鼓勵學(xué)生通過繪制電路板完成電路搭建,并提醒學(xué)生調(diào)試電路板時的注意事項。

        5 結(jié)語

        本模數(shù)混合電子線路教學(xué)案例的特色在于:①著重培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計能力。②知識應(yīng)用的綜合性:著重將模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程中的知識點進(jìn)行串聯(lián)。③案例實用性與趣味性:案例是前沿應(yīng)用,將其轉(zhuǎn)化為可操作性的綜合實驗,增強(qiáng)了項目的趣味性。④實現(xiàn)方法多樣化:學(xué)生可靈活選擇和對比不同方案,多方面考慮電路實現(xiàn)的成本和穩(wěn)定性,提高學(xué)生工程設(shè)計能力。

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