《检测技术课程设计》指导书

《检测技术课程设计》

指导书

机电工程系

2014年5月

目录

课程设计指导................................................................2

题目1温度传感器控制电路..................................................5

题目2光电路灯自动控制系统...............................................10

题目3工件称重自动检测系统...............................................13

题目4直流电机转速自动检测器.............................................14

题目5自动空气净化风扇控制器.............................................26

题目6汽车敲击防盗报警器.................................................29

题目7盆花水分检测报警器.................................................35

题目8水池水位极限检测报警器.............................................44

题目9抽屉防盗报警器.....................................................49

题目10生产线用自动计数器（光电式）......................................55

题目11生产线用自动计数器（电感式）......................................75

题目12燃气泄露报警器....................................................76

题目13触摸延时灯.........................................................82

题目14光控式自动照明灯..................................................89

题目15恒温电烙铁.........................................................90

题目16红外线控制照明灯..................................................92

题目17声音强度检测器....................................................94

题目18热电偶温度变送器设计..............................................96

题目19光电越限报警器....................................................106

题目20金属探测器........................................................119

课程设计指导

一、本课程设计的地位和作用

检测技术课程设计是检测技术基础教学中的一个实践环节,它使学生自己通

过设计和搭建一个实用传感器产品雏形，巩固和加深在检测技术课程中的理论基

础和实验中的基本技能,训练电子产品制作时的动手能力。通过该课程设计，设

计出符合任务要求的电路,掌握通用电子电路的一般设计方法和步骤，训练并提

高学生在文献检索、资料利用、方案比较和元器件选择等方面的综合能力，同时

为毕业设计和毕业以后从事检测技术方面的科研和开发打下一定的基础。

二、课程设计的目的和要求

1.能够较全面地巩固和应用“检测技术”课程中所学的基本理论和基本方

法，并初步掌握小型检测系统设计的基本方法。

2.能合理、灵活地应用标准集成电路器件实现规定的检测系统。

3.培养独立思考、独立设计规定功能的检测系统的能力。

4.培养独立进行实验，包括电路布局、安装、调试和排除故障的能力。

5.培养书写综合设计实验报告的能力。

三、课程设计的基本要求

根据设计任务，从选择设计方案开始，进行电路设计；选择合适的器件，画

出设计电路图；通过安装、调试，直至实现任务要求的全部功能。对电路要求布

局合理，走线清晰，工作可靠，经验收合格后，写出完整的课程设计报告。

四、课程设计的具体步骤

电子电路的一般设计方法和步骤是：分析设计任务和性能指标，选择总体方

案，设计单元电路，选择器件，计算参数，画总体电路图。进行仿真试验和性能

测试。实际设计过程中往往反复进行以上各步骤，才能达到设计要求，需要灵活

掌握。

L总体方案选择

设计电路的第一步就是选择总体方案，就是根据提出的设计任务要求及性能

指标，用具有一定功能的若干单元电路组成一个整体，来实现设计任务提出的各

项要求和技术指标。

设计过程中，往往有多种方案可以选择，应针对任务要求，查阅资料，权衡

各方案的优缺点，从中选优。

2.单元电路的设计

2.1设计单元电路的一般方法和步骤

A.根据设计要求和选定的总体方案原理图，确定对各单元电路的设计要

求，必要时应详细拟定主要单元电路的性能指标。

B.拟定出各单元电路的要求后，对它们进行设计。

C.单元电路设计应采用符合的电平标准。

2.2元器件的选择

针对检测电路的课程设计，在搭建单元电路时，对于特定功能单元选择主要

集成块的余地较小。比如时钟电路选555,转换电路选0809,译码及显示驱动电

路也都相对固定。但由于电路参数要求不同，还需要通过选择参数来确定集成块

型号。一个电路设计，单用检测技术课程内容是不够的，往往同时掺有线性电路

元件和集成块，因此还需对相应内容熟悉，比如运算放大器的种类和基本用法，

集成比较器和集成稳压电路的特性和用法。总之，构建单元电路时，选择器件的

电平标准和电流特性很重要。放大电路、脉冲产生电路、数模和模数转换电路、

采样和存储电路等，参数选择恰当可以发挥其性能并节约设计成本。

单元电路设计过程中，阻容元件的选择也很关键。它们的种类繁多，性能各

异。优选的电阻和电容辅助于数字电路的设计可以使其功能多样化、完整化。

3.电路仿真与调整

检测电路设计以传感器为主体，因此各单元电路的输入输出之间的正确传递

决定了设计内容的成败。具体步骤要求每一个单元电路都须经过仿真与调整，确

保单元正确。各单元之间的匹配连接是设计的最后步骤，主要包含两方面，分别

是电平匹配和驱动电流匹配，它也是整个设计成功的关键一步。

4.衡量设计的标准

工作稳定可靠；能达到预定的性能指标，并留有适当的余量；电路简单，成

本低，功耗低；器件数目少，集成体积小，便于生产和维护。

五、课程设计报告要求

课程设计报告应包括以下内容:

1.对设计课题进行简要阐述。

2.设计任务及其具体要求。

3.总体设计方案方框图及各部分电路设计（含各部分电路功能、输入信号、

输出信号、电路设计原理图及其功能阐述、所选用的集成电路器件等）。

4.整机电路图（电路图应用标准逻辑符号绘制，电路图中应标明接线引出

端名称、元件编号等）。

5.器件清单。

6.仿真调试结果记录。

7.总结与体会。

课程设计报告应内容完整、字迹工整、图表整齐、数据详实。

题目1温度传感器控制电路

通过电位器（可调电阻）可设定高低两个温度。当水温超过高温时，亮红灯,

如水温下降继续亮红灯，直到水温降低到低温设定时，则亮绿灯，如水温上升而

继续亮绿灯，直到水温超过高温则亮红灯。红灯和绿灯不可同时亮。

一、设计任务与要求

I.设计任务

完成相应电路设计，实现环境温度达到事先设定的值时就开始鸣叫的功能；

电路应包含电阻桥与电流反射镜电路也可用其具有相应功能的芯片替代；

用软件画出电路原理图；

按电路原理图合理设计电路板并做出实物。

2.具体要求

查找资料，自行设计电路，设计电路原理图，明白设计原理；

用软件画出电路原理图；

购买元件，在电路板上安装完成焊接并调试电路，最终达到设计任务要求；

按照课程设计报告的格式要求完成总结设计报告；

二、方案确定

方案一：

1.电路图

图1

此电路主要由热敏电阻、施密特集成电路CD4093、发光二极管、蜂鸣器等

组成。电路分两部分，由A、B及R4、C1组成上限报警功能。而以C、D及R5、

C2构成下限报警功能，如图2所示。

图2

2.原理

平时RP1、RP2分别设置上限和下限两个报警点。当温度过高时，热敏电阻

R1阻值减小，使A输出高电平，B起振，蜂鸣器发出蜂鸣声，同时发光二极管

LED1亮，显示温度过高。温度过低时，热敏电阻R2阻值增大使C输出高电平,

D起振，蜂鸣器发出蜂鸣声，发光二极管LED2亮，显示温度过低。

方案二：

图1

2.原理

此电路主要由热敏电阻、三极管、发光二极管、蜂鸣器、电源等组成，当接

通电源时，调节可变电阻，确定蜂鸣器的发声点。用手持温度计测温，把热敏电

阻伸入40C水中，调节可变电阻，确定刚听到蜂鸣器发声的位置。

比较：方案一可设定温度的上下限，以将温度控制在一定的范围内。报警器

采用了一块施密特集成电路CD4093,反应灵敏且声光显示。整机元件少、功耗

也低、稍作改变可改变电路功能。若用光敏电阻代替热敏电阻，可作光照强度报

警器。从LED引出控制信号控制补光、加湿（如超声波加湿器）便组成自动补光、

恒湿控制器。而方案二功能单一。

三、电路设计

1.电路图

图2

2.元器件选择

元件规格

可变电阻Rpl=10kQRp2=10kQ

热敏电阻Rl=lkQR2=lkQ

涤纶电容Cl=300pC2=1000p

电阻R3=3kQR4=2MR5=2M

发光二极管LED!LED2

施密特集成电路CD4093

蜂鸣器

3.电路原理

电路分两部分，由A、B及R4、C1组成上限报警功能。而以C、D及R5、C2

构成下限报警功能。平时RP1、RP2分别设置上限和下限两个报警点，使A和C

输入端都为高电平，输出都为低电平而使振荡器都停振。当温度过高时，热敏电

阻R1阻值减小，使A输出高电平，B起振，蜂鸣器发出蜂鸣声。同时，发光二

极管LED1亮，显示温度过高。温度过低时，热敏电阻R2阻值增大使C输出高电

平，D起振，蜂鸣器发出蜂鸣声。发光二极管LED2亮，显示温度过低。

由于CMOS电路静态功耗极小，电流仅在微安级，故静态时的电源消耗主要

在RP1、RP2和热敏电阻上。若能采用阻值在百kQ以上的专用测温电阻，RPK

RP2也相应地按图中比例加大，则静态时的电源消耗可控制得很小，这对延长电

池使用寿命极为有利。

4.数据处理

Rt=R*Exp(B*(l/Tl-l/T2))(Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值；R是热敏

电阻在T2常温下的阻值；B是热敏电阻的参数，这里取4000；Exp是e的n次

方。)

热敏电阻在低温时，Rt=1.372kQ

4000(1/T1-1/25)

1.372=1*2.7183

4000/T1-160

=2.7183

lnl.372=4000/Tl-160

160.316=4000/Tl

Tl=4000/160.316

024.95CO

此时可变电阻Rpl=4.46kQ,则此电路在低于24.95℃时报警，即下限报警点

为24.95℃

热敏电阻在高温时，万用表测得热敏电阻阻值为0,通过查NTC1Z。热敏电

阻阻值与温度对应表得出上限报警点为150℃,此时Rp2=4.30k。

四、电路的制作与调试

1.制作过程

按电路图，在电路板上安排好各元件的位置，然后在电路板上焊接电路。焊

接完成后，接通电源。发光二极管亮，而蜂鸣器不响。检查电路，发现施密特集

成电路没有接电。施密特集成电路接电后，电路接通电源，调试可变电阻，使电

路在高温状态时，LED1亮同时蜂鸣器发声，在低温状态时，LED2亮，蜂鸣器发

声。

2.调试过程

由于没有2个2MQ电阻，我们用的是2.2〃。电阻。因为压电陶瓷片的现

象不明显，用蜂鸣器来代替。调整2个可变电阻，使其阻值在合适的位置，从而

当热敏电阻的温度升高时，LED1亮，蜂鸣器响，当温度降低时，LED2亮，蜂鸣

器响。

3.结果分析

在焊接电路时，各元件的位置要选好，注意各个焊点互不接触，电线尽量不

交叉。在焊接过程中，要注意安全，按照焊接要求做。

题目2光电路灯自动控制系统

通过光电元件自动采集外界自然光线，当无光照时控制220V日光灯亮，当

外界有光照时控制该灯熄灭。

一、设计要求

1.电路可选用模拟电路、数字电路或混合电路实现。

2.受控电路总功率200W（AC:220V灯泡）

3.控制电路直流供电电压12V;

4.控制电路的光照度强度可调整

二、设计图

三、电路工作原理

由于路灯控制器对自然光照强度的检测与转换采用了集成触发器，虽然这样

可以利用它特有的特性用于脉冲整形，以消除噪声的影响，避免继电器在动作阀

值附近发生不应有的频繁误动作，但是它固有的滞后电压也带来了开灯与关灯时

不同的光照强度动作阀值，开灯时的自然光照强度小于关灯时的自然光照强度。

要将路灯控制器的自动控制系统，必须采取措施减弱这一不利影响。一般来

说，，早晨时与自然光照强度相同，而傍晚时因受自身建筑物的遮挡小于自然光

照强度，这一特性正好与路灯控制器开灯与关灯时不同的光照强度动作阀值特性

相吻合。因此，路灯控制器，就可以减弱其固有滞后特性带来的不利影响，使采

用路灯控制器自动控制系统的开、关灯光照强度动作阀值趋于一致。路灯控制器

用于调节开、关灯动作阀值的电位器由于调节范围小，不能满足需要，还应在路

灯控制器的感光探头处加装一个可以调整的遮光装置。这样，就可以通过调整遮

光装置的遮光系数实现开、关灯动作阀值的粗调，调节路灯控制器的电位器实现

细调，从而实现照明自动控制系统的灵活调整。

该电路主要由R4和光敏电阻GR组成，白天因光敏电阻GR受光线照射，

电阻变小，IC的1脚呈低电位，IC的输出端为低电平，VS阻断，灯路关闭，这

时，灯都不会亮。到夜晚，GR的电阻随环境光线的减弱而增大，与上述过程相

反,VS导通。若出现光控时间偏早或偏晚，调节R4阻值，使GR两端的电压在

阈值附近变化(天黑亮灯前后)。

四、元器件选择

RIR2选用四分之一W金属膜或碳膜电阻

RG选用MG45光敏电阻

RP小型电位器或WSW型电位器

C1选用16V铝电解电容

C2耐压400V以上涤纶电容

VD1-VD3IN4007硅整流二极管

VSIN4742(1W12V)硅稳压二极管

VTTLC336A(3A,600V)双响晶闸管

ICUA431或TL431精密稳压集成电路

五、电路制作与调试

目前路灯控制方案主要有时控法和光控法两种。时控法的主要缺点是不考虑

天气对光照度的影响，每天在固定的时间开/关灯；从而造成阴雨天光照度严重

不足但没有开灯，或者晴朗天气虽然到了固定开灯时间但光照度仍然充足，白白

浪费电力；关灯时间的固定不变，同样出现类似的不合理现象。此外，随着季节

的变化，定时器需要人工频繁地调整。光控法的主要缺点是在光线不足的白天，

或者夜晚有强光照射时都有可能发生误动作。根据电路原理图画印制电路板图，

把元气件有顺序的焊接在电路板上。检查元气件是否有虚焊。在电路焊接好的情

况下接上电源，看电路是否能正常的工作。能正常工作，则电路焊接的很好，若

不能正常有效的工作，在根据具体出现的问题加以改正，直到电路能有效正常的

运行。

题目3工件称重自动检测系统

通过电位器（可调电阻）可设定工件重量的上下限。当工件的重量处于规格

内，即在上下限之间时亮绿灯；如处于规格外，即小于下限或大于上限则亮红灯。

参考题目1温度传感器控制电路

题目4直流电机转速自动检测器

通过电位器调节直流电机电压以控制电机转速，以光电传感器自动检测电机

转速，并用仪表显示出来。

一、设计任务和要求

各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、监视、调速,

有必要对电机的转速进行测量，从而提高自动化程度。同时电路能扩展其应用功

能，具有测量频率的功能，因此对电路提出以下基本要求：

1.对电机转速进行测量，并数字显示，采样单位为每秒几转。

2.电机转速一般每秒不超过100转，采用2位十进制已经足够（既2个数码管）,

但是考虑到此电路有其他用途，所以仍采用四位数码管，最大可以计数4位十进

制，同时可以升级为频率计使用。

3.转速测量误差每秒不超过一圈，内部时钟稳定度每天不超一秒。

4.电路原理要求简单，便于制作调试，元件成本低廉易购。

二、总体方案设计

1.设计思路

（1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一

圆盘，在圆盘上挖一小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动

一圈既光电管导通一次，利用此信号做为脉冲计数所需。

（2）计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每一秒种都必

须对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存

电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解

决了数码显示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪烁问题。

（3）对于脉冲记数，有测周和测频的方式。测周电路的测量精度主要受电

路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。测频电路其对于

正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍然采

用测频方式，原因是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有升级为

频率计使用，而测频方式对高频的精度还是很高的。

（4）显示电路采用静态显示方法，由于静态显示易于制作和调试，原理也

较简单，所需元易于购买。

（5）电路时钟是整个电路的关键，他是整个电路有效工作的核心，负责电

路的锁存和清零。其基本思路是：产生频率一秒是时钟，当秒时钟到来时，既上

升沿到来时，对锁存电路进行锁存，锁存以后才能对计数器进行清零，锁存和清

零间隔要充分小，否则就影响电路的计数准确度。鉴于此，对锁存集成必须采用

边沿触发形式的集成，并且计数器应该与锁存同步工作，既都在秒时钟的上升沿

触发工作。

另外大多的译码器都带有锁存功能，但是他的锁存方式基本上都是电平触

发，若设计成电平触发的话，势必会增加电路的复杂度，还不如直接采用边沿琐

存的单集成，所以不使用译码器中的锁存电路。

时钟实现方法很多，本电路采用晶振电路，已求得高精度的时钟需求。

2.原理框图如图下。

图1

三、设计，原理分析

1.信号拾取与整形

信号拾取基本原理图如下：

电路核心由一个光电开关管组成，平时电机转轮静止，发光二极管所发出的

光被轮子挡住，所以接收管处于截止状态，1端为高电平。当电机转动一圈，会

使接收管导通一次，1端输出一个低电平，1端波形为：

在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形会存在许多杂波成分,

需要对波形进行处理，处理成符合记计数器所需要的矩型波。

波形处理电路有一个施密特触发器组成，如上图。当输入电压逐步升高时，

致使VI>施密特上VT+,内部触发器发生翻转。当VI逐步下降时，致使VIVVT-,

电路再次发生翻转，通常VT+>VT-O所以只要VWVT-电路就能稳定在低电平，

VDVT+电路就稳定在高电平，这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩

形脉冲，符合了下级计数的需求。典型的施密特其工作波形如下：

本施密特触发器选用40106,管脚如下，可以看出内部含有六路同样的施密特触发

器，我们只使用其中一组,

G▼

§99MQL

INNONN

二O

二

N二

二〔〔

Z山ELD6B

N

9

-

S

S

V•

二

zn二9

ZL

J〕

ElLV

zm

。。

2.计数电路

本电路采用四个同步计数器接成串行工作方式，查数字电路产品资料

后，准备采用CD4518,管脚如下图，该IC是一种同步加数器，在一个封

装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别是⑴[7）和⑼飞5）。

该计数器是单路系列脉冲输入（1或2脚；9或10脚），4路BCD码输出（3飞

脚；1「14脚）。其工作波形如下：

EN(ENABLEA或B),若用时钟上升沿触发，信号从CP端输入，此时EN端

接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号从EN端输入，此时CP端应接

低电平“0”，不仅如此，清零端(RESET)也应该保持低电平“0”，只有满

足了这些条件，电路才会处于计数状态。

CD4518真值表

CLOCKENABLERfcS€TACTION

-T10lncve«vMn<Counter

00IncrwneniCounUr

X0

X0

/00No

10NoCMnge

XXO1Thru04-0

我们还从真值表里可以得出，利用EN端下降沿触发的特点组成N位十进制

计数器。从波形分析，当输入端的计数脉冲到第10个时，电路自动复位0000

状态，因为4518没有进位功能的引脚，所以应该充分利用第6或14脚输出脉冲

的下降沿，利用该脉冲和EN端相连，就可以实现电路进位的功能，根据分析结

果，电路设计如下：

计数脉冲

另外从4518波形参数表可查其RESET端所需的清零电平宽度在VDD=5V时应该大于

250ns,既清零信号宽度应至少大于250ns才能有效的将计数器清零，从测量的准确度要

求来看，250ns周期的频率f=l/A=l/250=4M,远远大于我们所测量的频率最高值10KH,

所以我们至少可以将其运用与小于M级别频率的测量。现在可以得出结果清零信号宽度

应大于250ns,以此做为时钟设计电路的参考数据。

3.锁存电路

锁存集成有电平和边沿触发之分，设计时要充分考虑进去，内部构造大都采用D

触发器形式，使用电平或者脉冲方式来触发。而从前面的分析看，本次设计的锁存

电路必须采用边沿触发方式的集成电路来实现，因为假如采用电平方式的话，那么

在秒脉冲的正半周（既高电平）会使锁存器一直处于导通状态，不能正常显示测量

值。因此采用边沿触发就可以在极短的时间内将所需要的数据进行传送，而在其它

时间内处于封闭状态。

查阅数据集成资料并，发现8D锁存器74LS324正适合要求，这款集成多在

计算机电路中运用，而且容易购买，此集成为20脚封装，内部有8个D锁存器,

采用两个这样的集成便可以实现4位10进制的的数据传输，它以上升沿作为CP

端（即CLK）的有效触发，将8个D输入同时打到输出Q端，在输出端加有三态

驱动，其内部其管脚排列如下右图，内部构造（单个D触发器）如下右图

SN74LS374

VccO?65/aDjO4CP

I«li191nnnt]IwII15iii<11a1nrinn

山山山山山山山山国

UTg&60}650$GND

从此集成参数和真值表（如下），在其（1）脚使能端加上低电平才能有效

得使输出端得到所需的数据，其他状态不传送数据，也可从上图分析此（1）

脚是控制三态门的，相当于电路的通断开关，只有接低电平，电路才能正

常工作。

LS374左图可知在满足了0E端低电平

叼下，只有在CP端的上沿到来时间才能

匚有效翻转，达到我们预期设计所需要

2_触发的要求。

XX

但从时钟的角度出发，对374的边沿特性仍然有要求，因为电路要求对锁存器进行

锁存以后才能将计数器清零，否则在锁存未稳定前就将计数器清零势必造成显示的错误。

我们从374应用手册中给出的数据中可知，在cp端的上升沿到来时，从Q端输出延时有

15~28ns,数据和波形分别如下：

时隙极限（测试］

minmax

Tplh1528CL=45pf

Tphl1928RL=667Q

因此从CP端的上沿到达时既超过1.3V电压时，可以使Q端翻转，而且能够在至少

在28ns以内完成触发器翻转的任务，只要在此时间内计数器不清零就可以使电路正常工

作，时钟设计时就可以此为依据。

4.译码显示电路

市场上比较多见数码显示器件是LED数码管，它有亮度高、售价低等特点，非常适

合本电路制作。数码管的外形尺寸和内部构造如图所示，

主要参数如下：1.6V~4.2V；功耗W400mW,工作电流WIOmA；分共阳共阴两种极性,

本电路选用共阴。其引脚按顶视图的（1）脚开始，顺时针读数，（3）脚和（8）脚为公

共脚，其中（5）脚为小及卢，木茨不做连接。引脚分别如下:

'////

2345

EDCdp

'////

09876

GFAB

数码管与配套的驱动集成器件一起工作，通常称为BCD-7段译码器。查

阅译码集成，发现有很多都能与LED管很好的协调工作，最后确定为CD4543,

它是一•种中功率器件，在额定5V电压下输出4.5V的最大电压，输出电流达1mA

左右，本电路总共需要4块CD4543。管脚排列如下：

LATCH

集成从（2）~（5）脚依次输入二进制BCD码的高位到低位，（9）脚［5脚

输出点燃数码管所需要的二进制电压，（1）端为琐存控制，（7）端位消隐端，（6）

端为L6CD用。同时，从原先的设计思路出发，（1）脚锁存端不使用，再结合其

真值表，（1）脚需接高电平，而（6）、（7）均需接底电平，满足此要求才能正常

工作。

译玛器和数码管工作的方式一般有动态扫描和静态驱动两种，前者数码管处

于连续依次被点燃状态，利用人眼视觉惰性产生数字显示静态的效果，通常只用

两块集成就可以完成译码和显示的工作。而静态工作状态中，数码管持续点燃,

在特定时间的更新显示，所以显示无视觉闪烁，而且电路调试简单，本电路前级

74LS324已经锁定数据，因此配合静态工作能很好完成显示的工作，所以本电路

选用静态连接。

根据管脚分布和译码参数及管脚分布，电路设计如下：

u-

us

sw

5.时钟电路及波形设计

根据以上各电路功能模块的需求，时钟电路总共需要产生两路输出信号，一

路是频率为1秒的标准矩形脉冲，利用其上沿对锁存器进行锁存，另一路是计数

器的清零脉冲，要求脉冲宽度2250ns才可以有效得将计数器清零，频率仍然是

1秒。而且在锁存以后才可以对计数器进行清零，考虑到锁存在25ns之内完成

工作，所以只要电路调试得当，无须再加延时电路，而且从上面设计的方框图可

知，矩形脉冲经过一个单稳态电路以后才产生清零脉冲，单稳态集成也存在不可

人为的延时存在，所以电路可以正常工作。

各部分设计如下：

1）时钟产生电路

时钟产生方式很多，可以由各种门电路，环谐振电路，也可以由触发器、555

集成构成，谐振可以是电容，晶体。为了电路调试方便，综合条件，采用CMOS

集成加晶振，晶振采用平常较为多见的时钟晶振，谐振频率为32.786k。查阅数

据集成资料，发现CD4046符合各方面的要求，它内部含有14级的二进制串行计

数器，可以进行2M分频，32.768k谐振频率经过内部14级计数器2M=16372分

频后可以得到2HZ的精确频率。现在所需要的1秒的时钟，因此2HZ的脉冲需在

经过一个二分频电路就可以输出准确1秒脉冲。

14进制计数1

---------左图便是CD4060的应用接线图，

rdhoi（11）和（10）脚内部电路和外围

组成典型的石英晶体门振荡电路，

产生32.678KHZ的频率信号进入14

级计数器后，在3脚输出2Hz的频

率方波。C1和C2做频率微调，输出

Q768K

频率主要取决于石英晶体。

对于2HZ的方波仍然无法让电路正常工作，需要进行2分频才能产生1秒的

时钟，因此本电路设计一个JK触发器进行2分频，分频后的方波可以直接用来

控制锁存电路的工作。本电路采用CD4027作为2分频的器件，其管脚分布为：

从左图可知，内部含有两套相同七

发器，

（1）和（2）为输出端，（3）脚为前:

输入，（4）和（7）脚分别是更新

脚，本

电路要将其接低电平，（5）和（£

TOFVICWJK端，

需接高电平。从（1）脚输出的信

所需要

的1HZ方波。

2）单稳态设计

从4027第（3）脚输出的方波仍然无法进行正常清零的工作，此脚需要接一

单稳态处理后才能进行清零。从前面的设计需求出发，单稳态电路输出的波形宽

度至少要达到250ns才能正常清零。查询有关集成库发现CD4528是一种双可重

触发单稳态器件，它的管脚及真值表分别如下:

DuaHn'UnePackage

-vg

E-InputsOutputs

-«■

CtearABQQ

一-

AAINFUT—*COMMGM1”—SiLXXLH

XHXLH

«B4NPUT一Sn------(AIRPUT

XXLLH

<U«UT—・.1-ttinruT

HLI_TLXT

QAOUT—一Sour

-AHtH.TLXT

i______1-Gos

CD4528里同样有两组单稳态电路，（1）和（2）是微分定时输入，（3）脚是

使能端，（4）和（5）组成与门电路，（5）脚与（4）脚反相，因为此电路只需

要一只脚输入端，我们使用（4）脚同相端输入，将（5）脚接高电平即可。（6）

和（7）是输出端。根据真值表，需要将第（3）脚即clear脚接高电平，电路

接线如下：

左图R3和C3组成微分定时，

单稳态输出波形宽度为

=0.2*R3*C3*（VDD-VSS）,本电路

由10K和0.01UF组成，输出TW

宽度为25us（标准值），远远满足

计数器所需要的250ns的时间宽

度。2Hz信号从（4）脚输入，250ns

方波从第6脚输出至计数器清零

端。

根据以上分析画出时钟电路总接线图，如下所示:

秒

E

单稳态A

~卜卜卜|书^卜卜卜JK触发事A

r，八9r'•oc6o<Myr14位进;I川寸钟产

-003己554060

Y

—0—

32.768K

47PF7^CAPVAR

四、制作和调试

L根据设计所需，列主要器件清单:

器件名称：用处及规格数量

ICCD40106整形1

ICCD4518计数2

IC74LS374锁存2

ICCD4543译码4

ICCD4060时钟产生1

ICCD40272分频1

ICCD4528单稳态1

光电开关管1

晶振32.768k1

LED数码显示4

除此外电容电组若干，供电电源等未列入清单。

2.利用protel制图并采取手动布线，结果分别见附图(1)附图(2)o

严格按所电路设计实施制作，力求一次成功。但在制作调试过程中仍遇到

很大的困难。调试过程记录如下：

(a)数码显示错误

测量电压发现数码段显示错误，比如目标显示5,而实际显示3,分别测量

数码管的f端和b端，发现管脚在制作印刷电路板f脚和b脚换位，以至产生

此错误，互换后正常。

(b)数码显示高低位数错误

这是在设计初期没有想到的问题，protel布线后出来应该是反面辅铜板的

线路，在制作时就非常注意这个问题。但是数码管排列成一字形后，没有考虑

到高位在左边，低位在右边的问题，所以造成观察数据要倒着看。若直接改变

译码器到数码管之间的引线，势必回造成大面积改线，于是从计数器如手，将

计数器的引线重新更改，信号计数脉冲从原先的高位引入，其它依次向后推。

改后显示正常。

(c)无法更新显示

也就是在脉冲的上沿到来时，锁存器没有被触发，无法传递数据。检查

CD4027(1)脚电压，发现没有秒脉冲，也就是说就没有高电平的上沿，当然锁

存器也就无法得到触发脉冲。再测量CD4060(3)脚电压，发现电压在0.5V到

4.6V之间来回抖动，频率在0.5秒左右，说明时钟产生电路完全正常，问题出

在CD4027上，仔细检查其电路接线，发现第6脚的辅铜在腐蚀时被截短，将其

重接上后恢复正常。

(d)时钟电路的调试

借助于频率计对CD4060进行测量，为不影响振荡工作，应该选择适当的引

脚进行测量，最后选择在7端或者5端进行测量(7端标准频率为2048HZ,5端

为1024HZ)o微调可变电容C2,使7脚(或5脚)输出接近2048HZ(或1024HZ)。

五、电路设计的优缺点分析

本电路具有测量精度高，调试制作简单等特点，但还存在许多不足之处有

待改进：

1.本电路总共使用12块集成，所以存在很大的亢余度，部分集成内部只用

了1/6,造成浪费。如显示电路可以采用动态显示的方法，采用一体化的集成既

译码锁存计数为一体的集成。

2.对转速的测量单位为秒，因此就提供转速测量的功能来讲并不是最佳结

果，应该是以分为单位。

3.现在测量方法实现的原理是以计数测频率，若以测周的方法(既测量一

转的周期），然后再进行数位转换便可以提供测量每分钟转速的功能。

六、经验总结

从总体上来看，电路设计制作还是比较成功的，跟以往的制作相比，本次电

路完全是在自己个人的思路下创作出来的，因此获得了很多的经验。

题目5自动空气净化风扇控制器

当烟雾或其他污染气体作用时，风扇转动，当空气清新时，风扇停转。可由

电位器设定阈值。

吸烟有害身体健康，目前不少公共场所或办公室等都禁止吸烟，但仍有人不

自觉照常抽烟，使房间里烟雾弥漫。若采用本文介绍的烟雾自动排风控制器，当

房间里烟雾浓度达到设定的程度时，排气风扇会自动向外排风，保持室内空气清

新，同时亮起“请勿吸烟”暂示灯，提醒人们不要吸烟。

电路原理烟雾自动排风控制器电路见下图所示，控制器由电源电路、QM

气敏器件、TWH8778功率开关集成电路等组成。

电源部分由变压器T、二极管VD1-VD4、三极管VT及稳压二极管VDT等

组成，是典型的串联型稳压电路。电路通电后，C2两端可获得稳定的10V左右

直流电压，为气敏器件QM供电。TWH8778工作电压则直接取自VD1-VD4整

流后的12V左右直流电压。

气敏器件的灯丝电流通过RP1和R2降压获得，调节RPI使灯丝f-f'两端

电压U1为5V。RP2是气敏器件的负载电阻，在正常情况下，气敏器件A-K极

间呈高电阻，RP2输出低电平。TWH8778功率开关集成电路控制踹(EN)第5脚

为低电平，内部高速功率开关截止，继电器K1不动作，其常开触点K1-1打开,

排气扇M与白炽灯EL均不工作。如果室内空气中有烟气且浓度不断增加，气

敏器件的电导率会随之变大，RP2输出电平增高，当，电平升至TWH8778第5

脚门限电压L6V与二极管VD5导通压降0.65V之和时，TWH8778内部功率开

关导通，K1动作吸合，触点kl-1闭合，M通电向外排风，同时EL发光照亮“请

勿吸烟”暂示牌，劝导人们不要吸烟。随着M向外排风，室内空气逐渐清新，

RP2输出电平降低，VD5截止，此时C3储存电荷可通过TWH8778第5脚向集

成电路内部电路放电，所以仍能维持TWH8778继续开通，直至C3电压降至1.6V

以下时，TWH8778内部功率开关阻断，K1释放，触点kl-1复位，M与EL停止

工作。所以该电路有一定的延迟时间。

元器件选择与制作

气敏器件可采用QM-N5型，它的最佳工作条件为：极间电压Uak=10V,灯

丝电压Ut=5V,负载电阻RL=2kQ0气敏器件的外形结构与电气符号见下图。

它共有六只引出脚，使用时需配用一个小七脚电子管管座。

其6个管脚功能为：2与6脚为灯丝f-F'；1脚与3脚为测量极A-A',5

脚与7脚构成测量极另一端K-Klo

TWH8778是一种高速功率开关集成电路，它采用场效应管与双极品体管混

合工艺制作而成，具有低功耗和高增益等特点，芯片内还设有过电压、过热、过

流等多种保护电路。

TWHB778

ATW..fe»,

.工•总I!-

【234S

TWH8778采用TO-220封装，有5个引出脚见右图，各引出脚功能为：1脚

为输入端IN；2与3脚在芯片内部是并联的，为输出端OUT；4脚为接地端GND；

5脚为控制端EN。该集成电路的基本功能是:当控制端5脚EN为高电平(21.6V)

时，内部高速功率开关导通，即输入IN与输出OUT相通，反之则断开。在实

际使用过程中，加到控制端EN的控制电平VEN应小于6Vo由于TWH8778内

部设有保护电路，当输入端IN电压超过30V时，输出负载电流会被自动切断，

待VIN下降时，开关电路能自动恢复。当器件在满负载工作时，应加装铝质散

热板，本电路因输出电流较小，不必增设散热板。

VT可用8050型硅中功率三极管，B2100。VDT用10V、1/2W稳压二极

管，如UZ-1OB型等。VD1-VD4可用1N4001型硅整流二极管，VD5、VD6为

1N4148型硅开关二极管。

RP1因流过电流较大，应采用WX1型小型线绕电位器；RP2可用WS型有

机实芯微调电阻器。RI、R2最好用RJ-1/2W型金属膜电阻器。

C1-C3全部用CD11-25V型铝电解电容器。

K1选用JZC-32F.DC12V小型中功率电磁继电器。T为220V/12V、8VA小

型优质电源变压器，要求长时间通电不发热。

全部电路可安装在''请勿吸烟”暂示灯的盒内，EL可用15W普通白炽灯泡,

气敏器件通过小七脚电子管管座与导线从电路板上引出，将器件的不锈钢网罩探

头伸出盒外，使其感受室内空气。全机安装好后，需要经过调试合格后方可投入

使用。调试方法如下：

先将RP1置于阻值最大位置，RP2滑动端置于近地位置。接通电源，首先

检查VT发射极对地电压是否在1OV左右，如出入过大，应更换稳压管VDT。

然后将电压表置于气敏器件灯丝f-f'两端，调小RP1,使电压表示数为5V。待

气敏器件通电5-10min（为预热时间），开始在室内抽烟，并向气敏器件吐烟气，

将RP2滑动踹由下向上缓慢旋动，当旋到某一位置时;应听到继电器“嗒”的

吸合声，EL点亮发光，风扇M运转排风。停止吸烟，烟气被排净，延迟数秒后，

电路能自动复原，EL与M停止工作，表示电路调试完毕。

气敏器件的探测灵敏度除跟电位器RP2滑动端的位置有关外，还与它在室

内的安装部位和安装高度有关，应根据需要进行调整。烟气排除后，风扇M延

迟停转时间与电容C3容量有关，C3容值愈大，延迟时间愈长，反之则短，可根

据需要调整。

题目6汽车敲击防盗报警器

当外界有较大声音时，报警器发出报警声，其时间长度可调。其报警感应强

度可调。

一、敲击防盗报警器的功能及设计方案介绍

1.1课题设计实验任务

利用声音传感器设计一个汽车敲击防盗报警器，当有人敲击时放出报警信

号。

1.2功能要求

报警器处于工作状态时，当外界有敲击振动时，通过信号电路的处理，然后

由报警电路发出报警信号。

1.3敲击防盗报警器设计方案

L3.1传感器的选用

声传感器是一种能将声波的振动转换为电压和电流的的声一电转换元件。常

用的声一电转换元件有压电陶瓷片、驻极体话筒等。

因驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，所

以本实验课题选用驻极体话筒作为声传感器。

1.3.2信号处理电路

本方案采用LM386放大电路和555定时器组成的单稳态触发器。LM386是一

种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、

外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应