電子技術(shù)綜合訓(xùn)練課程設(shè)計報告風速與風向的測量

1、電子技術(shù)綜合訓(xùn)練設(shè)計報告題目：風速與風向的測量姓名： 學(xué)號： 班級： 電氣二班 同組成員： 指導(dǎo)教師： 日期： 2011年12月28日 （二）摘要利用已有的電子技術(shù)知識，設(shè)計風速和風向測量的電子線路?；魻柎琶粼袘?yīng)出的信號是正弦波信號，我們需設(shè)計一個整形電路，將該正弦波信號轉(zhuǎn)化為同頻率的方波信號作為被測脈沖，然后測量出該信號在0.1s中的頻率即為風速。 風向用七位二進制碼表示，通過電子線路上的發(fā)光二極管可以直觀的讀出與當前風向?qū)?yīng)的一組七位二進制碼，然后通過查表最終確定風向。風速測量電路和風向測量電路工作正常，性能穩(wěn)定，達到了預(yù)期結(jié)果。這說明這個設(shè)計方案思路正確，可行性較高。關(guān)鍵字：風速風向

2、測量 時基電路 鎖存 計數(shù) （三）目錄1 設(shè)計任務(wù)和要求 1.1設(shè)計任務(wù) 1.2設(shè)計要求2 系統(tǒng)設(shè)計 2.1系統(tǒng)要求 2.2系統(tǒng)工作原理 2.3方案設(shè)計3 單元電路設(shè)計 3.1 單元電路a(單元電路的名稱) 3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 3.1.2電路仿真3.1.3元器件的選擇及參數(shù)確定 3.2單元電路b(單元電路的名稱) 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 3.2.2電路仿真3.2.3元器件的選擇及參數(shù)確定4 系統(tǒng)仿真5 電路安裝、調(diào)試與測試 5.1電路安裝 5.2電路調(diào)試 5.3系統(tǒng)功能及性能測試 5.3.1測試方法設(shè)計5.3.2測試結(jié)果及分析6 結(jié)論7 參考文獻8 總結(jié)、體會和建議 附錄1設(shè)計

3、任務(wù)及要求1.1設(shè)計任務(wù)：利用已有的電子技術(shù)知識，設(shè)計風速測量的電子線路，要求能夠連續(xù)測量風速，并采用led顯示測量值。設(shè)計風向測量的電子線路，要求測量電路上顯示一組七位二進制碼，找出二進制碼與風向角之間的對應(yīng)關(guān)系，通過查表的方式求出風向角度，最終確定風向。1.2設(shè)計要求：設(shè)計風速測量的電子線路；設(shè)計風向測量的電子線路；給出有關(guān)器件的選型和參數(shù)整定依據(jù)；畫出系統(tǒng)詳細的硬件連線圖；完成實驗室仿真、模擬調(diào)試，實現(xiàn)主要功能要求；完成設(shè)計說明書；答辯中能比較準確地回答所提出的問題；分析并提出提高測量精度和分辨率的方法和措施。2系統(tǒng)設(shè)計 2.1系統(tǒng)要求：當風速大于0.4m/s時，它能夠連續(xù)測量風速的大小

4、，測量周期為0.1s，并將前一個周期測量的結(jié)果進行鎖存并顯示在led顯示屏上。風向用七位二進制碼表示，通過電子線路上的發(fā)光二極管可以直觀的讀出與當前風向?qū)?yīng)的一組七位二進制碼，然后通過查表最終確定風向。2.2系統(tǒng)工作原理：1.風速測量電子線路的原理已知風速的計算公式為：v=0.1f其中v：風速,單位：m/s;f:脈沖頻率，單位：hz常用的風速傳感器的感應(yīng)組件為三杯式風杯組件，當風速大于0.4m/s時就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，信號變換為霍爾集成電路。在水平風力驅(qū)動下風杯組旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的數(shù)十只小磁體形成若干個旋轉(zhuǎn)的磁場，通過霍爾磁敏原件感應(yīng)出脈沖信號，器頻率隨風速的增大而線性增加。由于霍爾

5、磁敏原件感應(yīng)出的信號是正弦波信號，我們需設(shè)計一個整形電路，將該正弦波信號轉(zhuǎn)化為同頻率的方波信號作為被測脈沖，然后測量出該信號在0.1s中的頻率即為風速。時基電路（產(chǎn)生0.1s的標準時間信號）脈沖整形電路閘門電路計數(shù)器譯碼器譯碼顯示器邏輯控制電路圖1 風速測量原理方框圖計數(shù)0.1s鎖存清零時基信號被測信號鎖存信號清零信號圖2 各信號時序圖2風向測量電子線路的原理風向信號是通過風向傳感器輸入電路的，風向傳感器的感應(yīng)組件為前端裝有輔助標板的單板式風向標。角度變換采用的是七位格雷碼光電碼盤。當風向標隨風旋轉(zhuǎn)時，通過主軸帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動2.815，位于碼盤上下兩側(cè)的七組發(fā)光與接收光器件就會產(chǎn)生一組新

6、的七位并行格雷碼，經(jīng)過整形倒相后輸出。將格雷碼轉(zhuǎn)換成二進制碼，通過查表的方式求出風向角度，最終確定風向。2.3方案設(shè)計圖3 風向測量電路圖4 風速測量電路3.單元電路設(shè)計3.1 555時基電路 3.1.1 電路結(jié)構(gòu) 圖5 555時基電路圖3.1.2電路工作原理及參數(shù)的確定：時基電路是由555定時器構(gòu)成的振蕩器，其功能為產(chǎn)生0.1秒的標準時間脈沖。電阻電容的計算公式：脈沖周期為t:t=t1+t2高電平周期為t1：t1=0.7(r1+r2)c低電平周期為t2：t2=0.7r2c注：r1和r2均應(yīng)大于1k小于3.3mk經(jīng)計算，要產(chǎn)生t1=0.1s，t2=0.025s的脈沖信號r1=11k，r2=3.

7、6k3.1.3電路的仿真：圖6標準時間信號（高電平周期）圖7 標準時間信號（低電平周期）3.2 脈沖整形電路 3.2.1電路結(jié)構(gòu)圖8 脈沖整形電路圖3.2.2電路工作原理及參數(shù)確定脈沖整形電路是由二極管和555電路組成的，當輸入信號為為正弦波時，經(jīng)過二極管整流，輸出為同頻率的方波信號經(jīng)計算r5=r8=1k,r7=r11=10k,r6=2k,c1=10nf,c2=1uf 3.2.3 電路的仿真圖9 輸入信號波形圖10 輸出信號波形3.3 邏輯控制電路 3.3.1 電路結(jié)構(gòu)圖11 邏輯控制電路圖 3.3.2 電路工作原理及參數(shù)確定根據(jù)圖二所示波形，在每個時基信號的的下降沿需產(chǎn)生一個鎖存信號，鎖存信

8、號的下降沿需產(chǎn)生一個清零信號，脈沖信號和可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路sn74123n產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。設(shè)鎖存信號和清零信號的脈沖寬度tw相同，如果要求tw=0.0045s,則得tw=0.45rc=0.0045s。若取r=10k，則c=0.45/r=1uf。由sn74123n的功能可知，當1clr=1b=1觸發(fā)脈沖從1a端輸入時，在觸發(fā)脈沖負跳變的作用下，輸出端1q可獲得一正脈沖，其波形正好滿足圖1所示的波形要求，把-1q獲得的脈沖信號作為第二個sn74123n的輸入，其輸出端-1q獲得的脈沖信號正好滿足波形的要求。3.3.3 電路仿真圖12 555時基電路產(chǎn)生的0.1s標準時

9、間脈沖圖13 鎖存信號圖14 清零信號圖15 時基信號 鎖存信號 清零信號3.4 閘門電路 3.4.1電路結(jié)構(gòu) 計數(shù)脈沖輸出 時基電路信號被測信號圖16 閘門電路圖 3.4.2 電路工作原理 閘門電路實際是一個與非門，當時基電路信號與被測信號同為高電平時閘門開啟，有一個輸入信號為低電平時閘門關(guān)閉，這樣就能產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖。 3.4.3 電路仿真圖17 計數(shù)脈沖3.5 計數(shù)、鎖存、清零及顯示電路 3.5.1電路結(jié)構(gòu)圖18 計數(shù)、鎖存及顯示電路圖 3.5.2電路工作原理 計數(shù)清零部分由兩個74ls160d級聯(lián)組成，當計數(shù)脈沖輸入到74ls160d的clk端時計數(shù)器開始工作。當清零信號輸入到74ls

10、160d的clr端時計數(shù)器清零。 鎖存功能由74ls273完成，當鎖存信號輸入到74ls273的clk端時鎖存電路在清零信號之前完成對當前數(shù)值的鎖存。 譯碼顯示功能由4511bd譯碼器和數(shù)碼顯示管完成。3.5.3 仿真結(jié)果顯示圖19 當被測風速頻率為240hz,測量結(jié)果為風速24m/s3.6 格雷碼轉(zhuǎn)換二進制碼電路 3.6.1 電路結(jié)構(gòu)圖20 格雷碼轉(zhuǎn)換二進制碼電路圖3.6.2 電路工作原理1、二進制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進制碼 二進制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進制碼,其法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進制碼的最高位，而次高位自然二進制碼為高位自然二進制碼與次高位格雷碼相異或，而自然二進制碼的其余各位與

11、次高位自然二進制碼的求法相類似。 3.6.3 電路仿真結(jié)果4.系統(tǒng)仿真圖21 風速測量系統(tǒng)仿真 設(shè)定被測風速頻率為200hz,測量結(jié)果為20m/s圖21 風向測量系統(tǒng)仿真 （設(shè)定輸入格雷碼為1001010 則輸出二進制碼為1110011）5 電路安裝、調(diào)試與測試5.1電路的安裝根據(jù)設(shè)計方案列出所需器件，然后購買器件。在購買器件時應(yīng)注意各器件多買一個備用。在多功能板上安裝各器件時，應(yīng)先確定好各器件的位置，然后將器件先焊在板子上。在multisim上查找各器件的引腳圖，并在紙上畫出。這樣做是為了保證各器件之間連接正確。最后連線。5.2 電路的調(diào)試 由于設(shè)計電路復(fù)雜，所以在板子上每焊好一個單元電路時

12、，都要對它進行調(diào)試。調(diào)試分為電路連接調(diào)試，和波形調(diào)試。電路連接調(diào)試使用的工具是萬用表，萬用表用來測量各點是否虛焊。首先給電路通電，然后將萬用表打到電流表，測量各點電流，如果一個點沒有電流或者通過電流過小時，則證明這個點虛焊，應(yīng)及時修改。波形調(diào)試使用的工具是示波器和信號發(fā)生器，它們用來測量每個單元電路是否正常工作。首先給電路通電，然后給單元電路的輸入端加一個輸入信號，在輸出端接示波器，觀察示波器上的波形是否與仿真波形相同。5.2.1 單元電路調(diào)試555時基電路的波形調(diào)試 見附錄二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路鎖存信號調(diào)試 見附錄三單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路清零信號調(diào)試 見附錄四5.3系統(tǒng)功能及性能測試 5.3.1測試方法設(shè)

13、計 風速測量電路測試方法設(shè)計：給風速測量電路通電，設(shè)定函數(shù)信號發(fā)生器輸出為200hz的方波信號，加在閘門電路的輸入端，觀察顯示結(jié)果是否為20。風速測量電路測試方法設(shè)計：隨便給風向測量電路輸入端加一組七位格雷碼，與格雷碼與二進制碼轉(zhuǎn)換表對照觀察輸出端輸出的二進制碼是否正確。 5.3.2 測試結(jié)果及分析 測試結(jié)果：風速測量電路鎖存數(shù)碼顯示管上顯示的鎖存數(shù)值在21到20之間波動。計數(shù)數(shù)碼顯示管上從零開始計數(shù)然后到20或者21后自動清零。 風向測量電路的格雷碼與二進制碼轉(zhuǎn)換完全正確。 結(jié)果分析：由于計時脈沖的誤差和實際電路的延遲，導(dǎo)致測量結(jié)果在21到20，之間波動屬于正?，F(xiàn)象。6 結(jié)論風速測量電路和風

14、向測量電路工作正常，性能穩(wěn)定，達到了預(yù)期結(jié)果。這說明這個設(shè)計方案思路正確，可行性較高。7 參考文獻 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第四版）主編 康華光 副主編 皺壽彬 數(shù)字邏輯電路 科學(xué)出版社 楊文霞 孫青林 電工電子技術(shù)實踐教程機械工業(yè)出版社 袁桂慈 主編8 總結(jié)體會和建議自從接到這個設(shè)計任務(wù)開始，我們就積極開展各項工作。從確定設(shè)計思路到完成整體方案的設(shè)計，我們組的成員都付出了巨大的努力，前前后后設(shè)計的方案不下三種，電路圖、仿真圖不下十張，經(jīng)常熬夜到很晚，直到電腦沒電。在設(shè)計過程當中，我們也遇到了很多的挫折，仿真不出結(jié)果是我們最痛苦的事情。一次次的嘗試，一次次的失敗，對我們的耐心和毅力都是極大的考驗

15、。但是經(jīng)過這次課程設(shè)計，我們也收獲了很多很多。一個團隊之間的團結(jié)、配合是達到成功最重要的因素。在這里我要首先謝謝我的同組隊員們，沒有他們我們的任務(wù)就不會完成。其次我要謝謝教過我們知識的老師：楊新華老師，王曉蘭老師，袁桂慈老師，陳偉老師，李文輝老師，王惠中老師，張宏亮老師等等，是他們讓我擁有了知識和能力，他們的敬業(yè)讓我感動，在這里我要真誠的說一句謝謝，謝謝你們無私的付出。我們會更加努力，以優(yōu)異的成績報答你們。其中要特別感謝王曉蘭老師的辛勤指導(dǎo)，她的指導(dǎo)給了我們很大的幫助。最后我要感謝學(xué)校給了我們這次鍛煉自己的機會，這樣的機會讓我們學(xué)到了很多知識，明白了許多道理，提高了我們的設(shè)計能力，動手能力，團

16、隊協(xié)作精神。這對我們以后的工作都有莫大的幫助。最后祝愿老師們身體健康、闔家歡樂，母校繁榮昌盛，鼎盛千秋！附錄表1 方位角度格雷碼進制碼對照表方位角度格雷碼二進制碼方位角度格雷碼二進制碼1300000010000001236500111000010111260000011000001024680010100001100038000001000000112570001010100110014110000110000010026730010111001101051400001110000101277600101100011011617000010100001112879001001000111007

17、200000100000100029820010011001110182300011000001001308400100010011110325000110100010103187001000000111111028000111100011113290011000001000001131000111000010113393011000101000011234000101000011003496011001101000101337000101100011013598011001001000111439000100100011103610101101100100100154200010000001

18、11137104011011101001011645001100000100003810701101010100110174800110010010001391100110100010011118510011011001001040113011110001010001953001101000100114111501111010101001205600111100010100421180111111010101021590011111001010143121011111001010112262001110100101104412401110100101100續(xù)表 方位角度格雷碼二進制碼方位角度格

19、雷碼二進制碼451270111011010110168191110011010001004612901110010101110691941100111100010147132011100001011117019711001011000110481350101000011000071200110010010001114913801010010110001722031101100100100050141010101101100107320511011011001001511430101010011001174208110111110010105214601011100110100752111101

20、110100101153149010111101101017621411010101001100541520101101011011077217110101110011015515501011000110111782191101001100111056158010010001110007922211010001001111571600100101011100180225111100010100005816301001110111010812281111001101000159166010011001110118223111110111010010601690100010011110083233

21、11110101010011611720100011011110184236111111010101006217401000010111110852391111111101010163177010000001111118624211111011010110641801100000100000087245111110010101116518311000011000001882481110100101100066186110000111000010892501110101101100167188110001010000119025311101111011010續(xù)表 方位角度格雷碼二進制碼方位角度格

22、雷碼二進制碼9125611101101211011114321100101111100109225911100101011100115323100101011100119326211100111011101116326100111011101009426411100011011110117329100111111101019526711100001011111118332100110111101109627010100001000000119335100110011101119727310100011000001120338100010011110009827610100111000010121340100010111110019927810100101000011122343100011111110101002811010110110010012334610001101111011101284101011111001011243491000010111110010228710101011100110125352100001111111011032901010100110011112635410000011111110104293101110011010001273571000000111111110529510111011101