一種模數(shù)混合電子線路教學(xué)案例的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jì)和調(diào)試的能力，加強(qiáng)學(xué)生硬件電路設(shè)計(jì)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(diǎn)研究領(lǐng)域，涵蓋多個(gè)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(jì)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(jì)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(gè)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(shí)際需求，提出以下規(guī)則：（1）當(dāng)車內(nèi)有乘客時(shí)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(shí)應(yīng)工作在自動模式。（2）當(dāng)發(fā)動機(jī)停止運(yùn)行并且無乘客時(shí)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(shí)車窗應(yīng)該全部閉合。（4）自動模式下發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行并且空調(diào)未被打開時(shí)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(jì)要求，設(shè)計(jì)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(jì)溫度檢測電路檢測車內(nèi)溫度。

（2）設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，設(shè)計(jì)要求如表1所示。

表1 自動模式下根據(jù)輸入不同時(shí)輸出要求

（4）設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)鐘信號的設(shè)計(jì)。

（7）印刷電路板的繪制、焊接及調(diào)試。

本案例主要的實(shí)驗(yàn)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(jì)要求，將最終車窗開合程度的擋位進(jìn)行顯示[1]。

圖1 實(shí)現(xiàn)方案框圖

2 設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)樣例如圖2所示。

圖2 溫度采集及信號放大設(shè)計(jì)樣例圖

整個(gè)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)，考慮采用常規(guī)的A/D轉(zhuǎn)換器，本實(shí)驗(yàn)案例采用學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(shí)鐘信號及500kHz的采樣信號。設(shè)計(jì)樣例中1kHz時(shí)鐘信號采用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器、500kHz采用有源晶振電路實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)出真值表，進(jìn)一步根據(jù)組合邏輯電路設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，手動模式狀態(tài)燈滅。自動模式時(shí)，當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)或空調(diào)開或濕度較大時(shí)，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(shí)，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(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過實(shí)物驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。首先驗(yàn)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(shí)，風(fēng)速較低時(shí)，隨著溫度變換擋位發(fā)生變化，以車內(nèi)溫度29度為例，驗(yàn)證了表1設(shè)定，如圖7所示。當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，對比圖7和圖8可知，雖然溫度均為29度，但是風(fēng)速高時(shí)，車窗開合程度由2檔降為1檔，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 自動模式下風(fēng)速低時(shí)溫度29度時(shí)擋位2

圖8 自動模式下風(fēng)速低時(shí)溫度29度時(shí)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(shí)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(jì)要求。

圖9 手動模式驗(yàn)證

4 教學(xué)引導(dǎo)及實(shí)施

電子線路設(shè)計(jì)過程是一個(gè)比較完整的工程實(shí)踐，需要經(jīng)歷學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)仿真、實(shí)物調(diào)試測試、設(shè)計(jì)總結(jié)等過程[5]。在教學(xué)中，會在以下幾個(gè)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(jì)要求選擇合適的熱敏電阻及設(shè)計(jì)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(jì)，根據(jù)平時(shí)理論指導(dǎo)和課程實(shí)驗(yàn)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(shí)鐘信號設(shè)計(jì)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(diǎn)，結(jié)合數(shù)字分頻電路等設(shè)計(jì)出所需的時(shí)鐘信號。

（4）指導(dǎo)學(xué)生電路仿真，通過仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(shí)的注意事項(xiàng)。

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(jì)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(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)。③案例實(shí)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(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了項(xiàng)目的趣味性。④實(shí)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(shí)現(xiàn)的成本和穩(wěn)定性，提高學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力。