电子工艺实习中温度报警器的设计与实现.pdf
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1、实验教学电子工艺实习中温度报警器的设计与实现姜倩倩1,吴屏1,谷宇1,王丹丹1,王立欣1,2(1.哈尔滨工业大学(深圳)实验与创新实践教育中心,深圳518055;2.哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院,深圳518055)摘要:提出了适用于电子工艺实习课程的温度报警器电路的设计要求,并且根据学生能力的不同,提出了扩展设计。介绍了电路的设计方案、计算、实验结果分析和故障诊断分析。在报警器设计的课堂教学中,学生团队合作,开放设计,从被动学习变成主动学习,提高了学生的团队合作设计与创新能力,锻炼了学生分析与解决问题的能力,为以后的科研工作奠定基础。关键词:电子工艺实习;设计与实现;温度报警器电
2、路;故障诊断分析中图分类号:TM131文献标志码:ADOI:10.12179/1672-4550.20220497Design and Implementation of Temperature Alarm in ElectronicTechnology PracticeJIANGQianqian1,WUPing1,GUYu1,WANGDandan1,WANGLixin1,2(1.EducationCenterofExperimentsandInnovations,HarbinInstituteofTechnology(Shenzhen),Shenzhen518055,China;2.Scho
3、olofMechanicalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology(Shenzhen),Shenzhen518055,China)Abstract:Thedesignrequirementsfortemperaturealarmcircuitssuitableforelectronicprocessinternshipcourseshavebeenproposed,and an expanded design has been proposed based on students different abilities.The
4、design scheme,calculation,experimentalresultanalysis,andfaultdiagnosisanalysisofthecircuitwereintroduced.Intheclassroomteachingoftemperaturealarmdesign,studentscooperatedtocontributedesignideasactively,whichpromotedstudentsabilitiesofteamcooperationandinnovation,cultivatedtheirabilitiesofanalyzingan
5、dsolvingproblems,andlaidasolidfoundationforfuturescientificresearchwork.Key words:electronicprocessingpractice;designandimplementation;temperaturealarmcircuit;faultdiagnosisanalyses“电子工艺实习”作为高等院校工科专业实习实训课程,要求课程内容覆盖面广,同时具有较强的工程实践性,对培养学生的工程素养、设计与创新等能力有重要意义1。哈尔滨工业大学(深圳)根据新工科人才培养计划,把电子工艺实习课程划分为以下主要教学体系:
6、导论、半导体技术与电子封装、电子电路软硬设计(元器件识别、硬件设计、PCB 设计、软件基础实验及综合应用)、电子产品加工制造、焊接调试(SMT 生产、手动焊接调试)2。把同一工程项目的设计开发、调试测试和加工制造实验贯穿在不同模块中,学生分组团队合作学习,使整个实习实训的过程紧密衔接,可更加完整和系统地完成课程3,以实现激发学生学习兴趣、培养学生自主创新能力和探究能力的教学目标4。因此项目的选择特别重要,需要考虑教学质量,学生学习效果,学生操作时项目实现的可能性、难度、操作的时间和出现问题时分析和解决问题的时间,同时需要兼顾学生学习时的兴趣。最终选择了适用于电子工艺实习课程教学且贯穿其中的项目
7、小老虎温度报警器,如图 1 所示。学习过程以学生为主体,在学习操作设备、工具和流程,进行安全考试后,小组开始整个流程的分组设计及操作,发散思维,头脑风暴,老师在整个过程进行指导5。最后安排学生进行总结汇报,包括自己组别的设计思路、设计亮点、过程中遇到的问题以及解决方法,并提出意见和建议6。整个过程既可以锻炼学生的团队合作精神、收稿日期:20220814;修回日期:20230618 基金项目:哈尔滨工业大学(深圳)校级工程训练(电子工艺实习)课程在线开放课程项目(HITSZOOC202018);哈尔滨工业大学(深圳)教学改革项目(HITSZERP19003)。作者简介:姜倩倩(1986),女,硕
8、士,工程师,主要从事电子工艺实习、电路、模拟电子技术、电子封装等实验教学方面的研究。E-mail:第 21 卷第 5 期实验科学与技术 Vol.21No.52023 年 10 月ExperimentScienceandTechnologyOct.2023设计能力与创新能力,又可以培养学生的工程素养。学习过程中遇到的问题及解决方法可以给其他组提供不同的思路,提出的意见和建议可以作为改进整个项目的参考,以便更好地提高项目质量7。本文中将着重介绍小老虎温度报警器的系统软硬件设计计算和故障诊断分析。系统软硬件设计半导体技术与电子封装导论手动焊接调试SMT 生产温度报警器PCB 设计及制造图1小老虎温度
9、报警器实现流程图1系统构成及实现方式1.1设计要求小老虎温度报警器设计需求为:自行设计一个温度报警器电路,要求工作温度范围为2070,实现以下功能:1)当温度高于 36 时,以 800Hz 的频率驱动蜂鸣器发声并且语音报警,同时亮红灯;2)MicroUSB5V 供电。温度偏差不超过 15%,频率偏差不超过 10%。扩展设计8:1)温度偏差不超过 1%,频率偏差不超过 5%;2)当温度低于 0 时,以 1kHz 的频率驱动蜂鸣器发声并且语音报警,同时亮黄灯。设计在基本功能的基础上,对于有余力的同学给出了扩展设计的要求。针对需求功能和设计条件,明确了:1)设计的电路所选器件需要考虑工作温度范围为2
10、070,对于一些器件工作温度在 0 以上或者最低温度大于20 均不满足条件;2)所选器件为单电源 5V 供电,必须双电源供电或者最低供电电压大于 5V 的器件均不满足要求;3)对于温度和频率偏差要求比较高的扩展设计可以考虑所选器件的精度或者更换电路形式。电路的逻辑关系如图 2 所示。从图 2 可以看出,温度采样电路把温度信号转换为电信号后进行信号的调理和判断,使得转换的电压处于可处理的范围。同时根据温度条件设置阈值判断条件,判断结果信号分别作为 LED灯亮判据、单片机语音提示处理信号的输入、与产生的方波一起驱动蜂鸣器。单片机处理接收到的信号后,输出至语音模块给出报警提示9。过程中包含硬件设计、
11、软件设计以及温度传感设计,同时可学习和趣味性兼顾,让学生在快乐讨论的氛围中锻炼了设计能力、团队合作能力以及各项工程能力,为以后的比赛、毕业设计、科研打下坚实的基础1011。温度采样电路信号调理、判断LED 灯亮语音单片机语音报警蜂鸣器报警方波发生器电路产生方波温度范围:2070;供电电压:单电源 5 V 供电超过 36转换为可以处理的电压范围并且设置阈值进行判断温度信号转换为电信号图2需求逻辑关系图第 5 期姜倩倩,等:电子工艺实习中温度报警器的设计与实现992电路的设计与计算2.1方波发生器电路对于单电源供电,仅用 MicroUSB5V 供电,即 VCC=5V,方波发生电路的电路形式可选择如
12、图 3 所示的方案。因为运放更改为单电源供电,为调节占空比和给出起振激励,在运放的正输入端通过 R3接入 VCC。CVCCVCCuoVouo00VC1VC1V1V1tttV2V2VC2VC2R3R2R1R4A+图3单电源矩形波发生电路工作原理图根据叠加定理,设输出方波电压 uo低电平为0,高电平为 Vo1。当方波输出为低电平时,此时运放正输入端的电压 VC2为:VC2=VCCR2/R1R2/R1+R3(1)当方波输出为高电平 Vo1时,运放正输入端的电压 VC2为:VC2=Vo1R2/R3R2/R3+R1+VCCR2/R1R2/R1+R3(2)V1=VCCR2/R1R2/R1+R3V2=Vo1
13、R2/R3R2/R3+R1+VCCR2/R1R2/R1+R3设,。VC1=0VC2=V1当电路开始启动时,电容 C 两端的电压为0,uo=0,即,运放的输出慢慢上升,开始通过 R4对 C 充电,电路开始起振。当 C 启动稳定工作后,电容两端的三角波电压范围为(V1,V2)。即从 V1充电到 V2,从 V2放电到 V1,其中充电过程为:V2=V1+(Vo1V1)(1et/R4C)(3)t=DT其中,则波形周期可近似为:T=R4Cln(Vo1V1)/(Vo1V2)D(4)波形的周期由电阻 R1、R2、R3、R4,电容 C以及供电电压共同决定。实际设计的电路和测试如图 4 所示。=f0 ff0=3.
14、737 5%(5)ff0图 4 中所测频率 为 770.1Hz,要求的频率为 800Hz,偏差为 3.7375%,满足设计要求。Vm2R38.2 kU1BLM2904/NS+56V+8V4OUT7U1ALM2904/NS+32V+8V4OUT1VC1Vsq1C50.1FVCC+VC2VCC+C60.1FR20150 kR6100 kVCC+R9100 k图4实际工作原理图及所测波形图2.2温度采样及信号调理电路温度采样电路有多种实现形式,可以用温度采样芯片、热敏电阻或者热电偶。考虑到学生操作的趣味性和设计难度12,在鼓励学生创新的基础上,可选择 RPT100热电阻进行温度采样电路的设计,此设计
15、难度适中且可以直观操作 RPT100热电阻,观察实验现象。RPT100具有精度高、性能可靠和稳定性好的特100实验科学与技术第 21 卷点。而且铂热电阻的电阻变化率与温度的关系曲线线性度良好13。RPT100对应的是 0 时电阻的阻值为 100,RPT100存在铂热电阻的自发热问题,因此设计电路时需要考虑通过的电流大小,一般要求小于 10mA,但是若电流太小很容易受到噪声干扰,因此通过电流在 0.52mA 的范围内即可。根据学生能力的不同,给出了采样精度不同的设计要求,供有能力的学生进行拓展延伸设计14。对于采样精度要求比较低的方案,可以使用桥式采样差分放大的形式,如图 5 所示。VCCVCC
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