北工大电子工程设计任务书

-1-第1章概述1.1课程简介电子工程设计是电子信息工程、通信工程、自动化等多专业本科生必修的实践类课程，按课程设计进行管理。该课程以小型电子系统的设计为载体，使学生了解产品研发的一般过程，掌握产品设计的基本方法，积累初步的实际工作经验，为从工科大学生向工程师的角色转换做好准备。1.2设计题目电子工程设计课程选择“小型温度控制系统”作为具体设计题目。需要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、数据处理、人机交互、数据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所有设计环节。完成上述设计工作涉及传感器、非电测量、模拟电子技术、数字电子技术、计算机原理、接口技术、程序设计、自动控制、通信等知识应用，具有广泛的知识涵盖面。完成“小型温度控制系统”的设计，不需要特殊的电子元器件和专用仪器设备，作为一般的实践教学任务具有较好的可操作性。1.3任务与安排1.3.1小型温度控制系统设计要求在实施小型电子系统设计工作之前，应明确系统基本的功能、指标要求，采用的元件要求，以及结构安装要求等。本系统为教学实验系统，只提出功能、指标和采用元件的设计要求。⑴温度控制范围：0℃~100℃⑵测温元件：半导体温度传感器AD592⑶温度控制执行元件：半导体制冷片⑷核心控制部件：C8051F系列单片机电子工程设计任务书-2-1.3.2小型温度控制系统基本组成变送器传感器驱动器测温控温单片机受控模/数对象转换器数/模转换器前向通道后向通道主控制单元人机交互控制执行单元单元0℃~100℃0℃~100℃图1-1小型温度控制系统组成框图⑴受控对象：或称温度控制执行元件，为半导体制冷片。通过改变半导体制冷片电压的极性实现制冷/制热转换；通过改变半导体制冷片的控制电压（须有4安培以上的电流驱动能力）改变制冷或制热温度。⑵前向通道：包括热力学温度到电信号的转换部件（温度传感器），测温信号的处理电路（变送器或信号调理器），模拟信号到数字信号转换电路（数据采集单元）。主要完成温度测量工作，获取的温度数据经数据处理单元分析计算后，转换为显示数据通过人机交互单元输出显示。⑶后向通道：包括控制数据（数字量）到控制信号（模拟量）的转换电路（控制信号产生单元），提供电流驱动能力的电路（控制驱动单元）。数据处理单元以测量温度和设定温度作为基本参数，通过某种控制算法得到温度控制数据，通过后向通道实施对半导体制冷片的温度控制。⑷数据处理单元：以单片机为核心部件，通过编写程序完成数据采集，数据处理，温度控制，人机信息交互管理等工作。⑸人机交互单元：通过按键、编码器进行功能设定和数据输入，通过LED或LCD进行系统运行状态、运行结果等信息的输出。1.3.3内容安排电子工程设计训练分为准备和实施二个过程，准备过程进行必要的知识和技能准备，实施过程进行系统的设计与实现。小型温度控制系统的设计又分为基本系统设计和扩展功能设计2个部分，扩展功能设计部分又包括多个设计题目。第1章概述-3-基本温度控制基于SPI/IIC总线的温度控制系统设计基于FPGA的温度控制系统设计采用多种测温元件的4通道温度控制系统设计基于CAN总线的温度控制网络节点设计基于ZigBee的温度控制无线网络节点设计温度控制系统红外线通信接口扩展设计UART串行通信接口实时温度控制及温度数据打印机记录系统设计基于CAN总线的网络温度监控系统设计基于ZigBee的无线网络温度监控系统设计红外线遥控器设计PC机上/下位机控制系统设计扩展设计系统设计图1-2小型温度控制系统扩展及延伸功能关系示意图电子工程设计课程的整个进程又分为三个阶段，每个阶段2个学分，60学时，独立为一门课程，分别为电子工程设计1、电子工程设计2、电子工程设计3。第一、二阶段（电子工程设计1、电子工程设计2）为强化训练，学生在教师的带领下完成温度控制系统基本部分的设计；第三阶段为自主训练，由学生在温度控制系统的扩展功能部分选择题目独立完成设计工作。1.4专用实验设备电子系统的设计与实现需要从微观和宏观2个方向验证设计结果的正确性。微观上是指在设计、实现过程中对每一个模块或一个模块内部的局部电路进行检测，以确认电路的运行情况是否满足设计的预期。宏观上是指在完成所有硬件、软件的设计、实现工作以后，对系统总体性能与技术指标的全面测试。“微观检测”可以在模拟环境中进行：电路模块的激励信号可以由专用设备模拟产生，优点是可以对输出信号做任意改变或设置；控制执行部件的运行特性可以由专用设备进行软件模拟，安全、节能，并且保证了检测过程的可操作性。“宏观测试”必须在真实环境中进行：由真实的探测器为系统提供测量信号；用真实的执行部件反应系统的控制结果。精准测试出系统在真实环境中实际的运行性能和技术指标。不管是“局部检测”还是“全面测试”，也不管是“虚拟环境检测”还是“真实环境测电子工程设计任务书-4-试”都需要相应的设备支持，电子工程设计训练提供2款专用设备满足教学中对设计成果正确性验证的需求。“电子工程设计教学调试台”简称“调试台”，是专门用于在“虚拟环境”中进行“微观检测”的设备。调试台主要包括2方面的功能，一个是提供检测多数电路模块使用的测试信号，另一个是给出电路输出的测量结果。其辅助功能是为所有的电路模块提供互连通道，以及为人与设备之间提供信息交互通道。调试台除了可用于电路的功能检测外，还可以借助测试设备对不能正常工作的电路进行故障诊断和排除。“电子工程设计教学模板”简称“模板”，是主要用于在“真实环境”中进行“宏观测试”的设备。模板有二大功能：设计任务布置阶段的教学示范功能；系统设计与实现工作全部完成以后，在真实环境中的标定与测试功能。其辅助功能与调试台相同。第2章知识与技能准备-5-第2章知识与技能准备知识与技能准备包括四个方面的内容：元器件基本常识学习，电路焊接技能训练，工程图设计训练，电路模块的设计与实现训练。2.1电抗元件的标称值及偏差2.1.1电抗元件标称值的构成1．基本构成由三个部分组成：数字+倍率符号+基本单位例：1.5+K+Ω2．基本单位分别为：电阻Ω（欧姆），电容F（拉法），电感H（亨利）3．信率符号T（太）1012G（吉）109M（兆）106K（千）103m（毫）10-3u（微）10-6n（纳）10-9p（皮）10-124．数字元件标称值的数字部分是按照一定的数字规律产生的，不是任意的。通常分为若干个系列，用如下公式计算得到。),,,()()(321101nanEn数字E通常取24，12，6，计算结果四舍五入，计算出的数值通常称为E24，E12，E6系列。E6系列1.01.52.23.34.76.8E12系列1.01.21.51.82.22.73.33.94.75.66.88.2电子工程设计任务书-6-E24系列1.01.11.21.31.51.61.82.02.22.42.73.03.33.63.94.34.75.15.66.26.87.58.29.1通常E24系列用于普通电阻的标识，E12系列用于小电容的标识，E6系列用于误差较大的电解电容的标识。每一个系列只能取若干个值，密度最大的E24系列也仅取24个值。也就是说，如果在产品设计中需要1支1.4K的电阻，市场上是买不到的，只能就近取1.3K或1.5KΩ，或用1.3KΩ串接100Ω的电阻得到。还有一种方法就是去生产厂家订做，但需要有一定的订货量，并且成本较高。2.1.2电抗元件标称值的偏差电抗元件的实际值与标称值之间有一定的偏差，偏差大小由生产过程决定，通常电抗元件的偏差值专门进行标注，表示方法有百分数标识和字母表示二种。精密元件（电阻）的偏差表示百分数表示10.250.50.1英文字母表示BCDFE24，E12，E6系列一般电抗元件的偏差表示百分数表示51020英文字母表示JKM罗马数字表示ⅠⅡⅢ2.1.3元件参数表示方法1．直标法将元件的参数直接标示在元件上。例如：56nj63表示容量56×10-9F，精度为±5%耐压63V的电容。2．数码法用数字表示倍率富豪的方法，NNZ。其中NN为二为有效数字，Z为“0”的个数。例如：排阻上标有152J，表示阻止为1500Ω，精度为±5%的排电阻。3．色码法用颜色表示数字，倍率符号，偏差的方法。“棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、黑”分别表示“1、2、3、4、5、6、7、8、9、0”10个数字。用“金、银、无色”分别表示±5%、±10%、±20%三种偏差。例如：电阻上标有“黄、紫、红、金”四种颜色环，则表示电阻的阻值为4700Ω，精度为±5%。第2章知识与技能准备-7-例如：电阻上标有“橙、橙、黑、棕、红”五种颜色环，则表示电阻的阻值为3300Ω，精度为±2%。标有4个颜色环的电阻前三环为电阻阻值最后一环为阻值偏差。前三环中最后一环为“0”的个数，前二环为有效数字。标有5个颜色环的电阻前四环为电阻阻值，最后一环为阻值偏差。前四环中最后一环为“0”的个数，前三环表示有效数字。2.1.4元件参数标识习惯1．电容电容的容量标注通常省略基本单位F，仅保留有效数字和倍率符号。一般情况下倍率符号p也做省略处理。2．电阻电阻的标注通常省略基本单位Ω，仅保留有效数字和倍率符号。即无基本单位也无倍率符号的标注表示为Ω。3．电感通常不作省略处理。2.2电路板焊接常识及要求2.2.1焊接工具及焊锡焊接主要分为熔焊、压焊、钎焊三种，电路板的焊接指的是钎焊中的锡焊。锡焊又有手工烙铁焊、波峰焊、再流焊（主要用于表面安装元件的焊接）三种焊接工艺，电路板的人工焊接采用手工烙铁焊。锡焊的熔接材料为焊锡，称为焊料，被焊接的金属称为焊件。锡焊实际上是按一定比例混合的铅锡合金，目的是降低熔点，铅锡比不同熔点不同。为了保护焊件，焊锡的熔点一般低于200℃。为了焊接牢固焊锡的熔点也不是越低越好。用于手工烙铁焊的焊锡为丝状，习惯称为焊锡丝，内含助焊剂，加热时助焊剂蒸发起助焊作用。助焊剂完全蒸发后焊锡流动性变差，因此加热时间不宜过长，1~2秒为宜。手工烙铁焊接使用的电热烙铁按供电方式分为高压供电和低压供电二种，低压烙铁通过电源变压器将220V高压交流电变换为24V低压交流电，在通过电热丝加热烙铁头，可以有效保障焊件和人身的安全。电热烙铁按其工作方式还分为控温与不控温二种，控温电热烙铁又分为恒温和调温二种。恒温电热烙铁，是利用磁控开关和铁磁材料的居里效应实现烙铁的恒温控制。调温电热烙铁可以人为设定烙铁温度，通过传感器测试烙铁头的温度，通过电子电路对设定温度和测试温度进行比较，通过电子开关或机械开关控制烙铁电源的通断达到控制烙铁温度的目的。调温烙铁的温度不可以设置过高，否则烙铁头会快速氧化。电子工程设计任务书-8-2.2.2焊接准备工作1．烙铁棉加水烙铁棉用于清理烙铁头，但必须在湿润的状态下使用，否则容易破碎，清理效果也不好。烙铁棉加水时应按规定方法操作注意安全。2．清理烙铁头烙铁头使用一段时间后，由于氧化作用表面会生成一层氧化物质，影响焊接操作和焊接质量。因此在烙铁使用中，应该经常在烙铁棉上清理烙铁头，保持烙铁头清洁。由于烙铁头为铜金属制品质地较软，为延长使用寿命烙铁头做了硬化处理，所以不要用硬物强行清除烙铁头表面的氧化物质，以免造成硬化层脱落影响烙铁头的使用寿命。3．剪腿、剥线焊接前要对焊件进行处理，电路板的焊接焊件主要为电路板的焊盘、元件的引脚、导线的线头。对于电阻、电容这类引脚比较长的元件，要将引脚剪短。对于导线，要剥除焊接部分的护套。元件引脚长度以在焊接面露出2~3毫米为宜。过长，影响焊接，同时还吸收烙铁头的热量。过短，可能造成漏焊或虚焊。导线的线头一定要短，对于普通导线由于焊接时塑料护套遇热收缩，更要短。高温导线线头不要超过1毫米，普通导线0.5毫米。4．引脚、线头润锡为了保证焊接质量，多数元件的引脚在出厂时已经做了润锡处理，这类元件可以不作处理直接焊接。但由于铅锡容易氧化，出厂时间较长的元件仍然需要重新进行润锡处理。导线的品种很多，有镀银的，有镀锡的，也有铜裸线。为保证焊接质量，铜裸线必须进行润锡处理，其他品种视氧化情况而定。不论元件引脚还是导线线头，润锡时