《電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐》實驗教程

電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐實驗教程前言PAGE118PAGE117肇慶學(xué)院光機電一體化綜合性實驗教學(xué)示范中心實驗教材之十一電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐實驗教程肇慶學(xué)院電子信息與機電工程學(xué)院編二00八年九月內(nèi)容簡介本教程是與《電子設(shè)計制作與調(diào)試》、《電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐》相配套的實驗教材。本教程設(shè)計開發(fā)了一批實驗項目，整個教程內(nèi)容主要分幾個模塊：綜合設(shè)計性實驗、SOPC系統(tǒng)設(shè)計實驗、歷屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目集等。各種實驗的安排由淺入深，學(xué)生可根據(jù)不同能力層次選擇相應(yīng)的實驗項目。本教程是學(xué)生在修完模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電子技術(shù)、單片機原理、可編程邏輯器件等課程后的后繼綜合性設(shè)計性實踐課程，是對上述課程內(nèi)容的繼承和綜合。該教程以實驗為主，理論輔導(dǎo)為輔，部分實驗為自選實驗，可供學(xué)生利用課外實驗室開放時間進行開放設(shè)計性實驗，通過自行設(shè)計、自己動手實驗，在完成比較復(fù)雜的綜合實驗過程中，加深對課本上理論和概念的理解，培養(yǎng)獨立獲取知識的自學(xué)能力、解決問題的實踐技能和創(chuàng)新設(shè)計的綜合能力。本教程可作為高等院校電子信息、電氣工程及其自動化等相關(guān)專業(yè)的電子系統(tǒng)設(shè)計實驗教材，也可作為部分課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計選題參考書。前言隨著數(shù)字電子技術(shù)的高速發(fā)展，30年前從未有過的大量學(xué)科紛紛出現(xiàn)在高等教育的課程設(shè)置中。如DSP技術(shù)、SOC設(shè)計、EDA技術(shù)、計算機組成與設(shè)計、數(shù)字通信、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動化、硬件描述語言、面向用戶的微電子技術(shù)、軟件無線電、硬件智能演化技術(shù)等等。這其中許多被列為當(dāng)今的核心科技學(xué)科，自主型科學(xué)技術(shù)的重心，引領(lǐng)著未來電子技術(shù)的發(fā)展方向，也預(yù)示著前景良好的就業(yè)取向。本教程采用開放式實驗教學(xué)模式。所謂開放式實驗教學(xué),是指由學(xué)生自己根據(jù)實驗題目的要求,獨立擬定實驗設(shè)計方案,設(shè)計實驗電路,完成實驗過程,輔導(dǎo)老師只負(fù)責(zé)對實驗方案進行審查,在實驗過程中給予必要的啟發(fā)與引導(dǎo),實驗完成以后對實驗結(jié)果和報告進行評價。實驗內(nèi)容及要求應(yīng)具有開放性、探索性和創(chuàng)新性,讓學(xué)生在“開放的空間”里自由開動腦筋,形成自由學(xué)習(xí)的氛圍。為了使學(xué)生能在這種開放、寬松的實驗環(huán)境下，充分發(fā)揮自己的主觀能動性和聰明才智，將實驗做得更好、收獲更大，特對教程內(nèi)容進行大幅增刪，按照開放式實驗教程建設(shè)的指導(dǎo)思想:加強基礎(chǔ)、突出創(chuàng)新、開拓思維、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)。大幅壓縮驗證性實驗,保證必要的基礎(chǔ)性實驗,改造傳統(tǒng)實驗方法，加強綜合設(shè)計性實驗,加強基礎(chǔ)知識和現(xiàn)代工程技術(shù)的融合。構(gòu)建以“基本技能培養(yǎng)→綜合設(shè)計能力培養(yǎng)→創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)”三個培養(yǎng)層次的開放式實驗教學(xué)體系。在有效地保證大面積學(xué)生教學(xué)質(zhì)量的同時,使優(yōu)秀學(xué)生能脫穎而出，使學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐動手能力得到一定程度的鍛煉。本實驗教程具有如下一些特點：（一）突出強調(diào)以學(xué)生為主，獨立自主地完成實驗每次實驗前提供一份實驗任務(wù)書，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書的要求，獨立選用設(shè)計方案，獨立進行實驗操作，靈活安排實驗進程，獨立對實驗結(jié)果進行分析評定，最后獨立完成綜合實驗報告(其格式參照附錄A)。在教學(xué)方式上表現(xiàn)出以學(xué)生獨立操作為主，教師指導(dǎo)為輔，教師只是在學(xué)生經(jīng)過了反復(fù)實驗、深入思考仍存在疑問時才給予必要的指點。同時，實驗任務(wù)有一定的難度和一定的工作量，其模式模仿電子設(shè)計競賽的格式，一般以三人為一設(shè)計小組，實驗課題需要學(xué)生經(jīng)過團隊的不懈努力和團隊協(xié)助才可以很好地完成。因此，課程的整個學(xué)習(xí)過程是教師幫助學(xué)生形成自己的問題，學(xué)生自覺地控制自己的學(xué)習(xí)行為。（二）強調(diào)實驗的設(shè)計性與實踐探索性整門實驗課程的學(xué)習(xí)充分體現(xiàn)了實驗的設(shè)計性與實踐探索性。設(shè)計性：學(xué)生根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，通過自行到圖書館查閱相關(guān)文獻資料，通過比較推敲，選定設(shè)計方案，并制定相應(yīng)的實現(xiàn)過程。實踐探索性：學(xué)生制定的設(shè)計方案是否完全可行、如何對實驗現(xiàn)象進行合理解釋，如何對實驗效果進行評定，需要學(xué)生自己通過嚴(yán)格的實驗來探索、檢驗、分析和修正，并提出正確的解決方案。特別是，我們要求設(shè)計結(jié)果實現(xiàn)的系統(tǒng)性能不要局限于基本要求，盡可能拓展功能，以實現(xiàn)越多功能越好。這就要求學(xué)生必須查閱更多資料并具有更高的實踐動手能力。提高了學(xué)生的分析問題和解決問題的能力，又鍛煉了學(xué)生的實驗技能和動手能力。設(shè)計性與實踐探索性相結(jié)合踐行了理論聯(lián)系實踐的教學(xué)思想，設(shè)計性體現(xiàn)出理論知識的具體應(yīng)用，實踐探索性體現(xiàn)出通過實踐深化對理論知識的理解，既豐富了學(xué)生的理論知識，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和求真務(wù)實的科學(xué)精神。（三）采用指定題目和可選題目相結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ?，提高學(xué)生選題的自由度和興趣指定實驗題目，是學(xué)生必須按照規(guī)定的內(nèi)容去完成實驗要求；可選實驗?zāi)K，是學(xué)生可根據(jù)提供的實驗?zāi)K內(nèi)容，自主選擇感興趣的實驗題目。由于這些實驗全部是綜合性、設(shè)計性實驗,涉及的知識面較廣,所以將實驗的選擇權(quán)交給了學(xué)生。對于指定題目的實驗，由于設(shè)計的內(nèi)容需要用到規(guī)定章節(jié)的知識點，一般都限定了題目方向，學(xué)生的思維自由度不高，但可對內(nèi)容實現(xiàn)的功能進行擴展；對于可選題目，學(xué)生根據(jù)自己的特長愛好選擇其中1～2個項目進行研究,設(shè)計范疇涉及到:氣壓、溫度、超聲波、位移等檢測技術(shù)和聲光報警、電機控制等控制技術(shù)。如音樂播放器、水塔水位自動控制系統(tǒng)、出租車計價器設(shè)計等。然后再進行理論性設(shè)計,并以科技論文的形式撰寫實驗報告。若有興趣,還可以在課外進入開放實驗室進行設(shè)計制作。這種選擇模式打破了“學(xué)生為做實驗而做實驗”的局面,真正做到“學(xué)生想做實驗而做實驗”的格局,創(chuàng)造出一種嚴(yán)謹(jǐn)、寬松的氛圍。(四)改革實驗教學(xué)方式,采取了獨立自主、分散進行的開放式實驗教學(xué)模式由于實驗有一定的難度，學(xué)生對實驗設(shè)備和操作技術(shù)比較陌生，容易在實驗過程中出錯。因此，允許每位學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)生活具體情況安排各自的實驗，實驗室對學(xué)生開放，這樣就使每位學(xué)生都有充裕的時間進行實驗，而不會因為時間緊迫胡亂對付完成實驗，實驗失敗的同學(xué)可以安排時間重做實驗，有濃厚興趣的同學(xué)可以安排時間嘗試創(chuàng)新，如改進和增加新的功能，例如在數(shù)字鐘設(shè)計實驗中，除了必須完成基本的時分秒計時和顯示功能外，還可加校時、報時、萬年歷、觸摸報時、測溫度等功能。這樣既充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性使其能夠更好地完成實驗，又充分利用了設(shè)備并避免了因?qū)嶒灄l件有限對學(xué)生實驗的影響，從而保證了實驗教學(xué)的高質(zhì)量和良好效果?？偟膩碚f,這種實驗?zāi)Ｊ綘I造了一種學(xué)生獨立完成科學(xué)實驗的學(xué)術(shù)氛圍，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和自覺性,更利于發(fā)揮學(xué)生的聰明才智,培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力。最后要強調(diào)的是，本實驗教程旨在引路，不會帶領(lǐng)同學(xué)們掌握更深層次的設(shè)計開發(fā)，更高級的設(shè)計應(yīng)用要依靠同學(xué)們自己去學(xué)習(xí)和挖掘。本教程適合作為電子信息、電氣工程及其自動化等專業(yè)電子系統(tǒng)設(shè)計實驗指導(dǎo)教材。作者相信同學(xué)們只要認(rèn)真、勤奮地實踐教程中的內(nèi)容，就能體會到由實踐而帶來的一次又一次的成就感；而成就感是學(xué)習(xí)過程中的快樂源泉，學(xué)習(xí)效率也會因此而提高。最后感謝肇慶學(xué)院省級光機電一體化綜合性實驗教學(xué)示范中心對本教程的資助，使本教程得以快速編寫印刷。本教程由元澤懷執(zhí)筆編寫，由于作者的水平有限，加上時間緊迫，書中內(nèi)容難免有疏忽、不恰當(dāng)甚至錯誤的地方，懇請各位同行、老師及同學(xué)們不吝指正，以便修訂。編者2008年8月電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐實驗教程目錄目錄前言 I第1章綜合設(shè)計性實驗 11.1限選實驗題目 11.1.1函數(shù)發(fā)生器設(shè)計 11.1.2數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計 21.1.3音頻功放器設(shè)計 31.1.4數(shù)字電壓表設(shè)計 41.1.5頻率合成器設(shè)計 41.1.6多功能數(shù)字鐘設(shè)計 51.1.7數(shù)字頻率計設(shè)計 51.1.8紅外多路遙控器設(shè)計及應(yīng)用 61.1.9無線多路遙控器設(shè)計及應(yīng)用 71.1.10多功能電子琴設(shè)計 71.2自選實驗題目（開放性實驗） 81.2.1溫度測量與控制器設(shè)計 81.2.2音樂彩燈控制器 91.2.3多路防盜報警器設(shè)計 101.2.4家用風(fēng)扇控制器設(shè)計 121.2.5灌藥顆粒計數(shù)控制系統(tǒng) 121.2.6電子活動靶紅外線光電打靶游戲器 131.2.7無線報警系統(tǒng)的設(shè)計 141.2.8水位控制器設(shè)計 141.2.9電子秤的設(shè)計 151.2.10電子密碼鎖的設(shè)計 151.2.11出租車計價器的設(shè)計 151.2.12公共汽車自動報站系統(tǒng)的設(shè)計 161.2.13音樂門鈴的設(shè)計 161.2.14自行車?yán)锍瘫?171.2.15市內(nèi)電話計費電路的設(shè)計 181.2.16點陣電子顯示屏制作 181.2.17電表IC卡管理裝置的設(shè)計 191.2.18自動控制升降旗系統(tǒng) 201.2.19液位自動控制裝置 211.2.20消防智能電動車 22第2章SOPC系統(tǒng)設(shè)計實驗 242.1SOPC軟件編程基礎(chǔ)實驗 242.1.1PIO輸出實驗1—流水燈控制 242.1.2通過C庫函數(shù)訪問UART 272.1.3通過HALAPI函數(shù)訪問UART 302.2SOPC軟件編程高級實驗 332.2.1頻率計實驗 332.2.2直流電機直流脈寬調(diào)速（PWM）實驗 362.2.3樂曲播放實驗 412.2.416×16點陣LED實驗 50第3章歷屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目集 543.1第一屆（1994年）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 543.1.1簡易數(shù)控直流電源 543.1.2多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 553.2第二屆（1995年）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 563.2.1實用低頻功率放大器 563.2.2實用信號源的設(shè)計和制作 583.2.3簡易無線電遙控系統(tǒng) 593.2.4簡易電阻、電容和電感測試儀 603.3第三屆（1997年）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 623.3.1直流穩(wěn)定電源 623.3.2簡易數(shù)字頻率計 633.3.3水溫控制系統(tǒng) 643.3.4調(diào)幅廣播收音機* 653.4第四屆（1999年）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 663.4.1

測量放大器 663.4.2數(shù)字式工頻有效值多用表 683.4.3頻率特性測試儀 703.4.4短波調(diào)頻接收機 723.4.5

數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng) 733.5第五屆（2001年）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 743.5.1

波形發(fā)生器 743.5.2簡易數(shù)字存儲示波器 753.5.3自動往返電動小汽車 773.5.4高效率音頻功率放大器 793.5.5數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng) 803.5.6調(diào)頻收音機 823.6第六屆（2003年）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 843.6.1電壓控制LC振蕩器 843.6.2寬帶放大器 853.6.3低頻數(shù)字式相位測量儀（C題） 873.6.4簡易邏輯分析儀 893.6.5簡易智能電動車 913.6.6液體點滴速度監(jiān)控裝置 933.7第七屆（2005年）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 943.7.1正弦信號發(fā)生器 943.7.2集成運放參數(shù)測試儀 963.7.3簡易頻譜分析儀 993.7.4單工無線呼叫系統(tǒng) 1013.7.5懸掛運動控制系統(tǒng) 1023.7.6數(shù)控直流電流源（F題） 1043.7.7三相正弦波變頻電源 1053.8第八屆（2007年）全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 1073.8.1音頻信號分析儀 1073.8.2無線識別裝置 1083.8.3數(shù)字示波器 1113.8.4程控濾波器 1123.8.5開關(guān)穩(wěn)壓電源 1143.8.6電動車蹺蹺板 116附錄A電子系統(tǒng)設(shè)計實驗報告格式 120附錄BSmartSOPC核心板FPGA引腳分配 134參考文獻 140電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐實驗教程第1章綜合設(shè)計性實驗第1章綜合設(shè)計性實驗本章實驗分兩部分，第一部分為限選實驗題目，主要是結(jié)合課堂教學(xué)需要而安排的實驗選題；第二部分為自選實驗題目，可供期末綜合考核選題，或?qū)W生進行實驗室開放實驗參考選題，供學(xué)生利用計劃課時外時間進行設(shè)計訓(xùn)練。1.1限選實驗題目1.1.1函數(shù)發(fā)生器設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)：設(shè)計并制作一個函數(shù)（波形）發(fā)生器。其參考設(shè)計電路見下圖1-1所示。二、設(shè)計要求：1．基本要求（1）能輸出頻率f=20Hz~2kHz并連續(xù)可調(diào)的正弦波，三角波和方波。正弦波：峰-峰值Vp-p≈3V,非線形失真系數(shù)≤5%三角波：Vp-p≈5V方波：Vp-p≈10V（2）能輸出頻率f=20Hz~500Hz并連續(xù)可調(diào)的鋸齒波和矩形波。鋸齒波：Vp-p≈3V,負(fù)斜率連續(xù)可調(diào)。矩形波：Vp-p≈12V,占空比為50%~90%并連續(xù)可調(diào)。（3）用±12V電源供電。2．?dāng)U展功能（1）可通過鍵盤設(shè)定信號輸出頻率,并加入顯示電路,將測試頻率結(jié)果顯示出來。（2）能輸出掃頻波,并要求掃頻頻率按步進值為10HZ進行掃頻測試。（3）設(shè)計圖形顯示電路,顯示輸出的函數(shù)信號?！镌O(shè)計提示：采用8038+單片機的設(shè)計方案，比較容易實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展功能！圖1-1函數(shù)信號發(fā)生器參考電路圖注：將k置于1，將整個電路分成函數(shù)波形發(fā)生器部分和鋸齒波，矩形波發(fā)生器部分；當(dāng)開關(guān)k打到2位時，ICL8038輸出的是掃頻信號。1.1.2數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)：設(shè)計并制作出有一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源。其原理示意圖如下：圖1-2數(shù)控直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)組成框圖二、設(shè)計要求：1．基本要求

（1）輸出電壓：范圍0～＋9.9V，步進0.1V，紋波不大于10mV；

（2）輸出電流：500mA；

（3）輸出電壓值由數(shù)碼管顯示；

（4）由“＋”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減；

（5）為實現(xiàn)上述幾部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源，輸出±15V，＋5V。2．發(fā)揮部分

（1）輸出電壓可預(yù)置在0～9.9V之間的任意一個值；

（2）用自動掃描代替人工按鍵，實現(xiàn)輸出電壓變化（步進0.1V不變）；

（3）擴展輸出電壓種類（比如三角波等）；（4）其它功能。1.1.3音頻功放器設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)：設(shè)計并制作一音響放大器，要求具有電子混響延時，音調(diào)輸出控制、卡拉OK伴唱，對話筒與錄音機的輸出信號進行擴音。二、技術(shù)指標(biāo)額定功率P0≥1W(γ＜3％)；負(fù)載阻抗RL=8Ω；截止頻率fL=40Hz，fH=10kHz；音頻控制特性1kHz處增益為0dB，100Hz和10kHz處有上±12dB的調(diào)節(jié)范圍，AVL=AVH≥20dB；話放級輸入靈敏度5mV；輸人阻抗Ri<<20Ω。三、設(shè)計要求：1．基本要求（1）測試結(jié)果基本符合技術(shù)指標(biāo)要求；（2）音響音質(zhì)基本沒有電流聲，整體性能較好。2．?dāng)U展功能（1）提升輸出功率，如100W；（2）增加數(shù)字音量控制及指示電路；（3）增加其它功能。1.1.4數(shù)字電壓表設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一3位半數(shù)字電壓表。二、技術(shù)指標(biāo)直流電壓測量范圍（0～200）V，共分4檔：200mV、2V、20V和200V；測量速度（2～5）次/s任選；分辨率0.1mV；測量誤差γ<±0.1%。三、設(shè)計要求1．基本要求：（1）具有正、負(fù)電壓極性顯示。（2）小數(shù)點顯示。（3）超量程顯示。（4）量程自動轉(zhuǎn)換等。2．?dāng)U展功能：（1）拓展顯示位數(shù)，如4位半等。（2）增加測電流、電阻等功能，將電壓表拓展為數(shù)字萬用表。1.1.5頻率合成器設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)已知電源電壓VDD=±5V，晶振頻率為1MHZ，用CC4046設(shè)計一頻率合成器。二、技術(shù)指標(biāo)工作頻率范圍為100HZ~100KHZ，分為三個頻段。100HZ~1KHZ，頻率間隔為100HZ；1KHZ~10KHZ，頻率間隔為1KHZ；10KHZ~100KHZ，頻率間隔為10KHZ。三、設(shè)計要求1．基本要求（1）設(shè)計其組成電路及確定電路各參數(shù)。（2）測量頻率合成器的基準(zhǔn)頻率、工作頻率范圍、頻率間隔。（3）改變電源電壓VDD=±12V，重新測量（2）內(nèi)容。2．發(fā)揮部分（1）實現(xiàn)頻率顯示。（2）采用其它器件或設(shè)計方法設(shè)計頻率合成器。1.1.6多功能數(shù)字鐘設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一多功能數(shù)字鐘二、設(shè)計要求1．基本要求（1）能實現(xiàn)基本的計時功能，輸入1kHz的時鐘，采用24小時制計時，能在數(shù)碼管或液晶上正常顯示時、分、秒。（2）時間校正功能;時分均有校時功能。（3）正點報時功能。當(dāng)計時器運行到59分49秒開始報時，每鳴叫1s就停叫1s，共鳴叫6，前5響為低音，頻率為750Hz；最后1響為高音，頻率為1KHz。（4）可設(shè)定至少2個鬧鐘時間，當(dāng)按下鬧鈴開關(guān)時，可在規(guī)定時間鬧鈴，當(dāng)開關(guān)復(fù)位時，鬧鈴?fù)Ｖ?。?）時鐘掉電保持功能，當(dāng)電源掉電時時鐘不停止。2．發(fā)揮部分（1）增加日歷功能，能正確顯示年月日星期等。（2）增加音樂鬧鐘功能。（3）按鍵語音報時功能。（4）無線遙控時鐘功能。（5）觸摸報時功能。1.1.7數(shù)字頻率計設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一臺數(shù)字顯示的簡易頻率計。二、設(shè)計要求1．基本要求（1）頻率測量a．測量范圍信號：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；頻率：1Hz～1MHzb．測量誤差≤0.1%（2）周期測量a．測量范圍信號：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；頻率：1Hz～1MHzb．測量誤差≤0.1%（3）顯示及工作方式十進制數(shù)字顯示，顯示刷新時間1～10秒連續(xù)可調(diào)，小數(shù)點自動定位轉(zhuǎn)換。（4）自行設(shè)計并制作滿足本設(shè)計任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。2．發(fā)揮部分（1）擴展頻率測量范圍為0.1Hz～10MHz（信號幅度0.5V～5V），測量誤差降低為0.01%（最大閘門時間≤10s）。（2）測量并顯示周期脈沖信號（幅度0.5V～5V、頻率1Hz～1kHz）的占空比，占空比變化范圍為10%～90%，測量誤差≤1%。（3）脈沖寬度測量a．測量范圍信號：脈沖波；幅度：0.5V～5V；脈沖寬度≥100μsb．測量誤差≤1%★本設(shè)計如采用單片機進行設(shè)計，應(yīng)增加外部計數(shù)器如74LS393等，可擴大計數(shù)數(shù)值，擴大頻率測量范圍；如采用FPGA+單片機進行設(shè)計，利用等精度頻率計設(shè)計方法，可擴展發(fā)揮部分的功能。見下圖1-3。圖1-3等精度頻率計系統(tǒng)組成框圖1.1.8紅外多路遙控器設(shè)計及應(yīng)用一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一多路紅外遙控器，并將其應(yīng)用于某一實用控制系統(tǒng)。二、設(shè)計要求1．基本要求（1）遙控路數(shù)為8路。（2）可控制受控設(shè)備的開、關(guān)狀態(tài)，并且在接收端能判別開、關(guān)信號，以發(fā)光二極管的亮、暗表示受控設(shè)備的開、關(guān)。（3）工作頻率為50kHz。（4）遙控距離不小于3m。2．發(fā)揮部分（1）使遙控距離不小于5m。（2）可控制受控設(shè)備的多種狀態(tài)，如設(shè)計成PC機紅外遙控器，可應(yīng)用于多媒體教室的PC機控制。1.1.9無線多路遙控器設(shè)計及應(yīng)用一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一多路無線遙控器，并將其應(yīng)用于某一實用控制系統(tǒng)。二、設(shè)計要求1．基本要求（1）遙控路數(shù)為8路。（2）發(fā)射端用數(shù)字顯示所控的路數(shù)和狀態(tài)類別，接收端用數(shù)碼管作為被控對象，使其顯示受控對象及其工作狀態(tài)。（3）工作頻率為10MHZ。（4）遙控距離不小于5m。注：本部分不允許采用現(xiàn)成的發(fā)射接收模塊。2．發(fā)揮部分（1）使遙控距離不小于10m。（2）若采用現(xiàn)成的發(fā)射接收模塊，應(yīng)可控制受控設(shè)備的多種狀態(tài)，如設(shè)計成無線網(wǎng)絡(luò)電臺等，可通過遙控發(fā)射部分的按鍵控制無線網(wǎng)絡(luò)電臺播放節(jié)目或進行音量調(diào)節(jié)等操作。1.1.10多功能電子琴設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一多功能電子琴二、設(shè)計要求1．基本要求（1）能夠發(fā)出1、2、3、4、5、6、7等七個音符。（2）能播放存儲的音樂（至少4首）。（3）自動選曲。2．?dāng)U展部分（1）能模擬各種傳統(tǒng)樂器如笛子、小號、雙簧、風(fēng)琴等的樂音。（2）能通過鍵盤演奏任意提供的樂曲（如“茉莉花”“生日快樂”等）。（3）顯示播放音樂歌詞。1.2自選實驗題目（開放性實驗）1.2.1溫度測量與控制器設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計并制作對某一系統(tǒng)的溫度進行測量與控制的電路。電路的要求為：①被測溫度和控制溫度均可數(shù)字顯示。②測量溫度范圍為0℃～120℃，精度為±0.5℃。③控制溫度連續(xù)可調(diào),精度為±1℃。④溫度超過額定值時,產(chǎn)生聲、光報警信號。二、總體方案設(shè)計（1）設(shè)計思路①對溫度進行測量、控制并顯示，首先必須將溫度（非電量）轉(zhuǎn)換成電量，然后采用電子電路實現(xiàn)課題要求?？刹捎脺囟葌鞲衅鳎瑢囟茸兓D(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并通過放大、濾波后送A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后進行譯碼顯示。②恒溫控制，將要控制的溫度所對應(yīng)的電壓值作為基準(zhǔn)電壓VREF，用實際測量值V1與VREF進行比較，比較結(jié)果（輸出狀態(tài)）自動地控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度。③報警部分，設(shè)定被控溫度對應(yīng)的最大允許值為Tmax,當(dāng)系統(tǒng)實際溫度達到此對應(yīng)值Tmax時,產(chǎn)生報警信號.④溫度顯示部分,采用轉(zhuǎn)換開關(guān)控制,可分別顯示系統(tǒng)控制溫度對應(yīng)值VREF和報警溫度對應(yīng)值Tmax.（2）原理框圖圖1-4溫度測量與控制器原理框圖①傳感器可采用鉑電阻、精密電阻和電位器RP1組成測量電橋，如下圖所示。電橋的輸出電壓作為運放構(gòu)成的差動放大器的雙端輸入信號，將信號放大后由低通濾波器將高頻信號濾除。圖1-5傳感器電路②被測溫度信號電壓加于比較器1與控制溫度電壓VREF進行比較，比較結(jié)果通過調(diào)溫控制電路控制執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)動作，使被控系統(tǒng)升溫或降溫。③當(dāng)控制電路出現(xiàn)故障使溫度失控時，使被控系統(tǒng)溫度達到允許最高溫度對應(yīng)值Vmax，用聲、光報警電路發(fā)出警報，值班人員將采取相應(yīng)的緊急措施。④開關(guān)S1可分別鍵合系統(tǒng)溫度、控制溫度電壓VREF和報警溫度電壓Vmax，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，顯示器顯示出相應(yīng)的溫度數(shù)值。1.2.2音樂彩燈控制器聲控音樂彩燈是音樂聲響與彩燈燈光的相互組合，使音樂的旋律伴以亮度、顏色和圖案不斷變換的燈光，使人的視覺和聽覺結(jié)合在一起獲得綜合的藝術(shù)享受。一、任務(wù)和要求（1）任務(wù)設(shè)計一種組合式彩燈控制電路,該電路由三路不同控制方法的彩燈所組成,采用不同顏色的發(fā)光二極管作設(shè)計實驗。（2）要求①第一路為音樂節(jié)奏控制彩燈,按音樂節(jié)拍變換彩燈花樣。②第二路按音量的強弱(信號幅度大小)控制彩燈。強音時,燈的亮度加大,且燈被點亮的數(shù)目增多。③第三路按音調(diào)高低(信號頻率高低)控制彩燈.低音時,某一部分燈點亮；高音時,另一部分燈點亮。二、總體方案設(shè)計（1）設(shè)計思路根據(jù)課題要求,本控制器可分別用三部分電路實現(xiàn)。①音樂的節(jié)奏往往由樂隊的鼓點來體現(xiàn),實質(zhì)上它是具有一定時間間隔的節(jié)拍脈沖信號。因此,可采用計數(shù)、譯碼驅(qū)動構(gòu)成節(jié)拍脈沖信號發(fā)生器（或稱時間順序控制器），使相應(yīng)的彩燈按節(jié)奏點亮和熄滅。②為實現(xiàn)聲音信號強弱的控制，應(yīng)該將聲音信號變成電信號，經(jīng)過放大、整流濾波，以信號的平均值驅(qū)動彩燈發(fā)亮。信號強，則燈的亮度大，且點亮燈的數(shù)目增多。③為實現(xiàn)高、低音（不同頻率信號）對彩燈的控制，采用高、低通有源濾波器電路。低通濾波器限制高音頻信號通過，而高通濾波器限制低音頻信號通過，分頻段輸出信號，經(jīng)過放大驅(qū)動相應(yīng)的發(fā)光二極管點亮。（2）控制器原理圖圖1-6音樂彩燈控制器原理圖①采用運算放大器或555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,產(chǎn)生矩形波信號作為計數(shù)器的時鐘脈沖.②計數(shù)器輸出經(jīng)譯碼器可得多路譯碼輸出信號,再通過驅(qū)動器使相應(yīng)的彩燈點亮。③采用動圈式話筒或者揚聲器,將聲響信號變成電信號輸出,并經(jīng)放大器將其放大。由于音頻信號的頻率高于發(fā)光元件的響應(yīng)頻率，為使發(fā)光有適當(dāng)?shù)娘@示時間，可加入延時電路，減少發(fā)光元件閃爍現(xiàn)象。④人耳聽覺范圍的信號頻率在20Hz～20kHz，為簡單起見，可將音頻信號分成兩個不同頻段，分別用低、高通濾波器來區(qū)分這兩段頻率信號，然后經(jīng)驅(qū)動電路使彩燈工作。1.2.3多路防盜報警器設(shè)計一、任務(wù)和要求（1）任務(wù)設(shè)計一種防盜報警器,適應(yīng)倉庫、住宅等地防盜報警。（2）要求①防盜路數(shù)可根據(jù)需要任意設(shè)定。②在同一地點(值班室)可監(jiān)視多處的安全情況,一旦出現(xiàn)偷盜,用指示燈顯示相應(yīng)的地點,并通過揚聲器發(fā)出報警聲響。③設(shè)置不間斷電源,當(dāng)電網(wǎng)停電時,備用直流電源自動轉(zhuǎn)換供電。④本報警器可用于醫(yī)院住院病人有線“呼叫”。（3）電源設(shè)計本報警器所需的直流穩(wěn)壓電源。二、總體方案設(shè)計（1）設(shè)計思路①防盜報警器的關(guān)鍵部分是報警控制電路，它由控制電路控制聲、光報警信號的產(chǎn)生?？刂齐娐房刹捎眠\算放大器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或者邏輯門等部件進行控制。比較簡單的方法是采用晶體管控制。無偷盜情況時，使晶體管處在截止?fàn)顟B(tài)，則被控制的聲、光產(chǎn)生電路不工作；一旦有偷盜情況，立即使晶體管導(dǎo)通，被控制的聲、光產(chǎn)生電路產(chǎn)生聲、光報警信號，呼叫值班人員采取相應(yīng)措施。②電網(wǎng)正常供電時，通過電源變壓器降壓后經(jīng)整流、濾波及穩(wěn)壓得報警器所需直流電壓。為防止電網(wǎng)停電，在控制器的輸入端設(shè)置有備用電源，保證報警器在停電時能正常工作。（2）報警器的原理圖圖1-7報警器原理圖①控制電路由晶體管T、電阻R和穩(wěn)壓二極管DZ組成，見下圖。圖1-8報警器控制電路電源電壓通過R、DZ給T提供基極直流偏置，同時在DZ兩端并接設(shè)防線使T的基極對地短路，這時T處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出端無信號輸出。一旦防線被破壞，DZ擊穿穩(wěn)壓，T迅速導(dǎo)通，輸出信號使報警電路工作，發(fā)出聲、光報警信號。②電網(wǎng)電壓通過電源變壓器降壓后，經(jīng)二極管整流，電容器濾波，集成穩(wěn)壓后供給控制電路，同時將備用直流電源通過二極管并入控制電路的輸入端。電網(wǎng)電壓正常供電時，二極管截止，一旦電網(wǎng)停電，二極管導(dǎo)通，備用電源自動供電。③指示燈可采用發(fā)光二極管LED顯示，控制電路輸出信號使其發(fā)光。顯示器可按不同設(shè)防地點進行編號。采用NE555時基電路和阻容元件組成音調(diào)振蕩器，控制器輸出信號。輸出電壓控制其工作，NE555的腳輸出音頻信號使揚聲器發(fā)聲報警。1.2.4家用風(fēng)扇控制器設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個家用風(fēng)扇控制器?？刂破髅姘鍨?按鈕3個,分別為風(fēng)速、風(fēng)種和停止;LED指示燈6個,指示風(fēng)速強、中、弱,風(fēng)種為睡眠、自然和正常。二、設(shè)計要求①電扇處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)時,所有指示燈不亮,只有按下"風(fēng)速"鍵時，才會響應(yīng),進入起始工作狀態(tài);電扇在任何狀態(tài),只要按停止鍵,則進入停轉(zhuǎn)狀態(tài)。②處于工作狀態(tài)時,有下列規(guī)則:初始狀態(tài)時,風(fēng)速為"弱",風(fēng)種為"正常"。按"風(fēng)速"鍵,其狀態(tài)由"弱"→"中"→"強"→"弱"……往復(fù)循環(huán)改變,每按一下按鍵改變一次;按"風(fēng)種"鍵,其狀態(tài)由"正常"→"睡眠"→"自然"→"正常"……往復(fù)循環(huán)改變。③風(fēng)速的弱、中、強對應(yīng)于電扇的轉(zhuǎn)動由慢到快。④風(fēng)種的不同選擇,分別為:正常,電扇連續(xù)運轉(zhuǎn);自然,電扇模擬自然風(fēng),即轉(zhuǎn)4s,停4s;睡眠,電扇慢轉(zhuǎn),產(chǎn)生輕柔的微風(fēng),運轉(zhuǎn)8s,停轉(zhuǎn)8s。⑤按照風(fēng)速與風(fēng)種的設(shè)置輸出相應(yīng)的控制信號。⑥直接用供風(fēng)扇的電源供電。⑦按鍵用"輕觸"鍵。1.2.5灌藥顆粒計數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求為:①工藝過程:如下圖1-9所示的自動藥粒灌裝系統(tǒng),當(dāng)瓶口到達料口處時,下料管通過葉輪轉(zhuǎn)動使藥粒逐粒落下,葉輪是通過直流伺服電機M1減速后轉(zhuǎn)動。當(dāng)落下藥粒達到設(shè)定值n后,葉輪停止轉(zhuǎn)動。伺服電機M2使傳送帶向前傳動,直到隨后的一個空瓶瓶口對準(zhǔn)下料口時,傳送帶停止傳動,料口葉輪開始轉(zhuǎn)動送料。重復(fù)此過程。圖1-9自動藥粒灌裝系統(tǒng)②要求選擇并設(shè)計下落藥粒檢測和藥瓶定位的傳感器裝置。③要求有每瓶藥粒值設(shè)定裝置,在藥粒下落時,有計數(shù)顯示裝置。④設(shè)計電機M1的控制系統(tǒng)，當(dāng)空瓶瓶口對準(zhǔn)時啟動M1，當(dāng)下落藥粒數(shù)等于設(shè)定值n時，M1停止。⑤設(shè)計傳送帶電機M2的控制裝置,當(dāng)完成一個藥瓶裝藥后,啟動M2向前傳送,直至下一個空瓶瓶口對準(zhǔn)料口,停止M2。⑥設(shè)計整個系統(tǒng)的供電電源。1.2.6電子活動靶紅外線光電打靶游戲器設(shè)計任務(wù)與要求為:①設(shè)計并制作紅外線光電打靶游戲器,采用電子活動靶,用LED指示目標(biāo)位置,目標(biāo)以一定的時間間隔無規(guī)則移動,緊靠每個目標(biāo)有紅外光敏三極管,當(dāng)紅外光電槍打中目標(biāo)時,記分。②紅外光電槍。用開關(guān)模擬扳機,當(dāng)扣動扳機時,應(yīng)能定向發(fā)射紅外光,有效距離6m~8m,光線到達目標(biāo)點,有效范圍不大于15mm?？蹌右淮伟鈾C,發(fā)光時間不超過100m。在扣動扳機時,能發(fā)出模擬機槍聲。紅外光電槍用2節(jié)5號干電池供電。電子活動靶有10個可能目標(biāo),目標(biāo)停留時間約2s,目標(biāo)用發(fā)光二極管指示,在其相鄰處應(yīng)有一個紅外光敏三極管,兩者中心距離不大于7mm。當(dāng)擊中目標(biāo)時,發(fā)出信號聲音,時間1s左右。③記分及顯示。每次打中目標(biāo),記1分,并用7段LED顯示。最高分為999分。④打靶時間?？稍O(shè)定0~30min,時間間隔為1min,當(dāng)設(shè)定時間到,停止計分,并發(fā)出相應(yīng)的聲音。1.2.7無線報警系統(tǒng)的設(shè)計本系統(tǒng)適用于物業(yè)管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)有1個接收站,接收本區(qū)16戶住戶的報警。要求設(shè)計一個發(fā)射機及接收站。(1)基本設(shè)計要求①各戶的報警發(fā)射機可發(fā)出火警、匪警、盜警、求助、求醫(yī)報警信號、密碼鎖錯誤信號以及本戶號碼。②接收站可以接收各戶發(fā)出的報警信號及住戶號碼?？梢暂喠黠@示各戶報警信號及號碼。③發(fā)射頻率為業(yè)余頻段。④發(fā)射功率<1W。⑤報警距離>25m。⑥全部使用電池供電。⑦可以使用部分專用芯片(如接收機芯片〉(2)發(fā)揮部分①增加語言報警功能。②增加對講功能。1.2.8水位控制器設(shè)計1、設(shè)計任務(wù)與要求：（1）設(shè)計并制作一個水塔水位控制器，該控制器具有4個水位檢測輸入，由低水位到高水位檢測點分別為H1、H2、H3、H4，控制器根據(jù)水位狀態(tài)控制兩臺水泵的工作；（2）要求個水位檢測點應(yīng)能準(zhǔn)確可靠地檢測出水位狀態(tài)，所設(shè)計（或選購）的傳感器應(yīng)能經(jīng)受長期水泡的工作環(huán)境而不影響其性能；（3）兩臺水泵分別為M1和M2，當(dāng)水位低于H1時，開水泵M1和M2，當(dāng)水位低于H1時，開水泵M1和M2，當(dāng)水位高于H4時，關(guān)掉兩臺水泵；（4）水位由H1上升到H3時，關(guān)掉水泵M1；（5）水位由H4降至H2時，打開水泵M1；2、備用水泵的控制：（1）當(dāng)兩臺工作水泵任一臺發(fā)生故障時，應(yīng)能檢測出故障，并使備用水泵投入工作而取代故障水泵；（2）在備用水泵投入運行后，對故障水泵有相應(yīng)的指示；（3）每臺水泵的功率設(shè)為10KW。1.2.9電子秤的設(shè)計設(shè)計一個實用的電子秤。（1）基本設(shè)計要求①重量顯示——單位:g，最大秤重10kg，重量誤差不大于5g；②單價全額及總金額顯示——單價金額單位“分”，最大金額999．99元，單價誤差不大于1分；③有去皮，累計運算功能。（2）發(fā)揮部分①全部數(shù)據(jù)可以單向傳輸至管理中心，傳輸距離不大干500m；②管理中心可檢測、管理16個電子秤的數(shù)據(jù)；③管理中心具有統(tǒng)計、報表、打印功能。1.2.10電子密碼鎖的設(shè)計設(shè)計一個可供家庭使用的電子密碼鎖．（1）基本設(shè)計要求①密匙容量>6×104；②使于預(yù)制、更換密碼，使用方便；③連續(xù)三次輸入錯誤密碼即產(chǎn)生報警信號,報警信號有兩種；聲光報警、向物業(yè)管理中心發(fā)出報警信號（聯(lián)網(wǎng)）；④設(shè)有主電源和備用電池,備用電池在主電源斷電時自動快速接入。（2）發(fā)揮部分緊急處置方案的研究。一旦發(fā)生斷電、電池失效（地震情況、火警等）情況或是不能確定密碼（忘記新?lián)Q密碼）情況，設(shè)計一個妥善解決途徑。1.2.11出租車計價器的設(shè)計1．里程計費（1）顧客上車后即顯示起步價8元,行車距離小于5km時車費為起步價;（2）里程價為1.8元/km,當(dāng)行車距離大于5km后每增加0.5km,車費增加0.9km,小于0.5km不計.2．計誤時費車速低于100m/min為誤時狀態(tài),誤時10s后開始計誤時.誤時價為0.6元/min,要求開始計誤時后,每誤時10s車費增加誤時價0.1元,誤時小于10s不計價.總車費為里程費與誤時費之和.3．面板顯示（1）時間顯示,顯示時、分、秒，可手工切換或自動切換分別顯示實際行車時間和誤時時間，有校正實際行車時間按鈕，誤時時間人工不能修改。自動切換是指當(dāng)有誤時時自動切換到顯示誤時時間，讓乘客看到累計的誤時時間。（2）計費顯示，顯示里程費與誤時費總和，顯示器為4位，價格上限為999.9元。4．計價器的工作程序（1）無乘客時，空車標(biāo)牌亮，計價器的顯示為零，誤時時間累計為零，顯示北京時間。（2）乘客上車后，司機按下空車標(biāo)牌，計價器顯示起步價，然后運行。（3）當(dāng)乘客要求下車時，計價器保持并顯示車費總額，誤時計時器保持總誤時時間并可由人工選擇顯示。（4）乘客下車后，司機翻上空車標(biāo)牌，所有的數(shù)據(jù)清零，恢復(fù)初態(tài)。1-10出租車計價器面板圖1.2.12公共汽車自動報站系統(tǒng)的設(shè)計1．基本設(shè)計要求（1）按壓到站控制鍵，通知乘客到站，介紹到站的有關(guān)情況，下車、上車的注意事項；（2）汽車啟動后，自動介紹前方的有關(guān)情況，汽車啟動后的注意事項；（3）其他信息、緊急情況、誤點等；（4）具有放音樂的功能、收音的功能，放錄音機的功能。2．發(fā)揮部分（1）具有前門、后門的監(jiān)視系統(tǒng)，停車時開啟。（2）具有對講系統(tǒng)，中門和后門各有一對話筒，控制話筒按紐即可對講。1.2.13音樂門鈴的設(shè)計設(shè)計一個可以演奏樂曲的紅外遙控門鈴，其原理框圖如下：圖1-11紅外遙控門鈴原理框圖1．基本設(shè)計要求（1）按一下鍵音樂門鈴奏三遍樂曲（主旋律）；（2）可以區(qū)分家人與客人，家人與客人奏不同樂曲，樂曲的音階限于12個音階內(nèi)；作用距離不小于2m；（4）放大器輸出功率P0=1W；（5）節(jié)拍頻率在0.5Hz~5Hz范圍內(nèi)可調(diào).2．發(fā)揮部分使電路可以演奏有特色的樂曲,例如音階超過12個;有不同節(jié)奏,例如可以有華爾茲、探戈、迪斯科；有不同音色，例如小提琴、單簧管、吉他等以及其他的打擊樂配音如低音鼓、沙錘等。3．樂曲建議選用《草原晨曲》及《軍港之夜》的主旋律。1.2.14自行車?yán)锍瘫碓O(shè)計一個可以適用各種自行車（不同尺寸）的輕便、省電、全天候野外使用的自行車?yán)锍瘫怼?．基本設(shè)計要求（1）總里程<999.99km.（2）可以輪流顯示或選擇顯示(用十進制);里程——當(dāng)前行駛里程；速度——當(dāng)前平均速度（km/h）；最大速度——本次行駛中的最大速度；時間——當(dāng)前行駛累計時間（時、分、秒）。電源為3V。體積小、結(jié)構(gòu)可靠、便于安裝及使用。2．發(fā)揮部分（1）可以顯示最大加速度；（2）用可編程邏輯器件實現(xiàn)；1.2.15市內(nèi)電話計費電路的設(shè)計設(shè)計一個家庭用監(jiān)測電話費開支的檢測電路。1．基本設(shè)計要求①通信檢測功能。檢測本電話打出的有效電話次數(shù)及時間。②每次通話以3min為計時單位,不滿3min以3min計算。③計費裝置可以設(shè)置計費標(biāo)準(zhǔn)并可顯示每次通話的單價(3min為單位),可顯示一個月的總費用,最多不超過999.99元。④每日0時至7時半價計費。2．發(fā)揮部分①長話電話計費功能如上。②長話計費與市話計費分別顯示(可選擇)并可累計總費用。1.2.16點陣電子顯示屏制作一、任務(wù)設(shè)計并制作一臺簡易LED電子顯示屏，16行*32列點陣顯示，原理示意圖如下：LED顯示控制顯示器LED顯示控制顯示器控制器串行口鍵盤接口數(shù)據(jù)存儲器PC機鍵盤鍵盤圖1-12LED電子顯示屏原理框圖二、要求1、基本要求：設(shè)計并制作LED電子顯示屏和控制器。(1)自制一臺簡易16行*32列點陣顯示的LED電子顯示屏；(2)自制顯示屏控制器，擴展鍵盤和相應(yīng)的接口實現(xiàn)多功能顯示控制，顯示屏顯示數(shù)字和字母亮度適中，應(yīng)無閃爍。(3)顯示屏通過按鍵切換顯示數(shù)字和字母；(4)顯示屏能顯示4組特定數(shù)字或者英文字母組成的句子，通過按鍵切換顯示內(nèi)容；(5)能顯示4組特定漢字組成的句子，通過按鍵切換顯示內(nèi)容。2、發(fā)揮部分：(1)自制一臺簡易16行*64列點陣顯示的LED電子顯示屏；(2)LED顯示屏亮度連續(xù)可調(diào)。(3)實現(xiàn)信息的左右滾屏顯示，預(yù)存信息的定時循環(huán)顯示；(4)實現(xiàn)實時時間的顯示，顯示屏數(shù)字顯示：時∶分∶秒（例如18∶38∶59）；(5)增大到10組（每組漢字8個或16個數(shù)字和字符）預(yù)存信息，信息具有掉電保護；(6)實現(xiàn)和PC機通訊，通過PC機串口直接對顯示信息進行更新（須做PC機客戶程序）；(7)其他發(fā)揮功能。三、說明顯示格式和顯示信息可以自定義。電子顯示屏LED顯示燈只允許使用8*8LED點陣顯示模塊。顯示屏的顯示控制方案和控制器的選擇方案任選。不允許使用LED集成驅(qū)動模塊。1.2.17電表IC卡管理裝置的設(shè)計IC卡管理裝置配置于用戶電表中,用以接收用戶交納的電費,顯示用戶當(dāng)前用電情況,對用戶用電情況進行必要的管理。1．基本設(shè)計要求①用密碼方式設(shè)置電費單價和最大用電量(由電力公司統(tǒng)一進行)。②隨時顯示當(dāng)月用電量、累計用電量、電費余款,最多可顯示9999.9度電、999元余款。③當(dāng)余額不足3天電費時(當(dāng)月平均值),每天早、晚各報警(聲光)一次。當(dāng)余款不足1天時,每小時報警一次,當(dāng)電費出現(xiàn)赤字時,報警燈始終亮。④電表最多允許欠費1天,超過1天,加倍收費,超過10天加3倍收費,最多允許欠費20天,20天以后停止供電。2．發(fā)揮部分：通過電源線可以實行中央集中抄表。1.2.18自動控制升降旗系統(tǒng)一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個自動控制升降旗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動控制升旗和降旗，升旗時，在旗桿的最高端自動停止；降旗時，在最低端自動停止。自動控制升降旗系統(tǒng)的機械模型如圖所示。旗幟的升降由電動機驅(qū)動，該系統(tǒng)有兩個控制按鍵，一個是上升鍵，一個是下降鍵。二、設(shè)計要求（一）基本部分1.按下上升按鍵后，國旗勻速上升，同時流暢地演奏國歌；上升到最高端時自動停止上升，國歌停奏；按下下降按鍵后，國旗勻速下降，降旗的時間不放國歌，下降到最低端時自動停止。2.能在指定的位置上自動停止。3.為避免誤動作，國旗在最高端時，按上升鍵不起作用；國旗在最低端時，按下降鍵不起作用。4.升降旗的時間均為43秒鐘，與國歌的演奏時間相等，同時，旗從旗桿的最下端上升到頂端。降旗不演奏國歌，同時，旗從旗桿的最上端下降到底端。5.數(shù)字即時顯示旗幟所在的高度，以厘米為單位，誤差不大于2厘米。（二）發(fā)揮部分增設(shè)一個開關(guān)，由開關(guān)控制是否是半旗狀態(tài)，該狀態(tài)由一發(fā)光二極管顯示。1.半旗狀態(tài)（根據(jù)《國旗法》）。升旗時，按上升鍵，奏國歌，國旗從最低端上升到最高端之后，國歌停奏，然后自動下降到總高度的2/3高度處停止；降旗時，按下降鍵，國旗先從2/3高度處上升到最高端，再自動從最高端下降到底之后自動停止，國歌停奏。2.不論旗幟是在頂端還是在底端，關(guān)斷電源之后重新合上電源，旗幟所在的高度數(shù)據(jù)顯示不變。3.要求升降旗的速度可調(diào)整，旗桿高度不變的情況下，升降旗時間的調(diào)整范圍是30—120秒鐘，步進1秒。此時國歌停奏。4.具有無線遙控升、降旗及停止功能。說明：旗幟用大于100克的重物代替。滑輪最高點1．8米電動機起始點圖1-13自動控制升降旗系統(tǒng)模型1.2.19液位自動控制裝置一、任務(wù)設(shè)計并制作一個水位監(jiān)測與控制裝置，示意圖如下圖所示。圖1-14水位監(jiān)測與控制裝置二、要求1、基本要求（1）通過鍵盤可以設(shè)定B瓶里的液位（0-25cm內(nèi)的任意值），并通過控制電磁閥（或類似于電磁閥的裝置）使B瓶的液位達到設(shè)定值。（2）液位誤差不超過±0.3cm。（3）液位超過25cm或液位低于2cm時發(fā)出警報。（4）顯示器能實時顯示當(dāng)前液位狀態(tài)和瓶內(nèi)液體重量，以及閥門狀態(tài)。2、發(fā)揮部分設(shè)計并制作一個由主站控制8個從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)。8個從站中，只有一個從站是按基本要求制作的一套液位監(jiān)控裝置，其它從站為模擬從站(僅要求制作一個模擬從站)。（1）主站功能：a．具有所有基本要求里的功能。b．可顯示從站傳輸過來的從站號和液位訊息，可控制從站液位。c．在巡回檢測時，主站能任意設(shè)定要查詢的從站數(shù)量、從站號和各從站的液位訊息。d．收到從站發(fā)來的報警信號后，能聲光報警并顯示相應(yīng)的從站號；可自動調(diào)整從站液位為20cm。（2）從站功能：a．能輸出從站號、液位訊息和報警信號；從站號可以任意設(shè)定。b．接收主站設(shè)定的液位控制信息并顯示。c．對異常情況進行報警和自動調(diào)整。（3）主站和從站間的通信方式不限，通信協(xié)議自定，但應(yīng)盡量減少信號傳輸線的數(shù)量。（4）其它。三、說明1、電磁閥類型不限或采用類似裝置替代，其安裝位置及安裝方式自定。2、儲液瓶和受液瓶可用2.25升可樂瓶（透明容器、容器中為無色透明液體）。3、測試時，僅提供醫(yī)用移動式點滴支架，其高度約1.8m，也可自帶支架；測試所需其它設(shè)備自備。1.2.20消防智能電動車一、任務(wù)設(shè)計制作一個消防智能小車模型，能到指定區(qū)域進行搶險滅火工作。以蠟燭模擬火源，隨機分布在場地中，場地如圖所示：180cm安全區(qū)180cm安全區(qū)180cm障礙物180cm障礙物30cm30cm30cm30cm圖1-15消防模擬場地二、要求1、基本要求（1）智能小車從安全區(qū)域啟動，自動尋找到火源并顯示。（2）除安全區(qū)外，場地隨機出現(xiàn)2個火源，要求智能小車能夠發(fā)現(xiàn)其中一個火焰并將其完全撲滅。（3）能夠發(fā)現(xiàn)并撲滅第二個火焰。（4）撲滅二個火焰的總時間不超過5分鐘。（5）能夠自動計算和顯示撲滅的火源數(shù)。2、發(fā)揮部分（1）搶險完畢后智能小車能夠返回到安全區(qū)域（原位）。（2）能夠自動計算和顯示路程。（3）能夠用不同聲音對不同的狀態(tài)進行報警。（4）其他三、說明1、小車尺寸小于30cm×30cm，所用電源電壓小于等于24V。2、控制電機類型不限，其安裝位置及安裝方式自定。3、滅火方式不限，但不允許碰倒蠟燭。4、小車不能完全離開場地。5、允許一次重啟動機會。6、蠟燭高度：15—20厘米。蠟燭置于方框的中間位置。7、障礙物尺寸15cm×15cm×15cm，且位置固定。8、試驗場地可采用黑膠皮，網(wǎng)格線可采用寬度為2.5—3.0cm的白色單面膠紙，測試時可自帶。電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐實驗教程第2章SOPC系統(tǒng)設(shè)計實驗第2章SOPC系統(tǒng)設(shè)計實驗SOPC(SystemOnProgrammableChip)即可編程的片上系統(tǒng)，或者說是基于大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng)。SOPC的設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計技術(shù)、EDA技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。SOPC技術(shù)是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等，在單一FPGA中嵌入實現(xiàn)。大量采用IP復(fù)用、軟硬件協(xié)同設(shè)計、自頂向下和自底向上混合設(shè)計的方法，邊設(shè)計、邊調(diào)試、邊驗證。原本需要寫上幾千行的VHDL代碼的功能模塊，通過嵌入IP核后，只需幾十行C代碼即可實現(xiàn)。因此，可以使得整個設(shè)計在規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標(biāo)、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護及其硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化。傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)已經(jīng)很難滿足系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、高速度、低功耗、多媒體等實際需求，SOPC（片上可編程系統(tǒng)）可將處理器、存儲器、外設(shè)接口和多層次用戶電路等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一塊芯片上，因其靈活、高效、設(shè)計可重用特性，已經(jīng)成為集成電路未來的發(fā)展方向，廣泛應(yīng)用到汽車、軍事、航空航天、廣播、測試和測量、消費類電子、無線通信、醫(yī)療、有線通信等領(lǐng)域。SOPC技術(shù)是一門全新的綜合性電子設(shè)計技術(shù)，涉及面廣。因此在知識構(gòu)成上對于新時代嵌入式創(chuàng)新人才有更高的要求，除了必須了解基本的EDA軟件、硬件描述語言和FPGA器件相關(guān)知識外，還必須熟悉計算機組成與接口、匯編語言或C語言、DSP算法、數(shù)字通信、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、片上系統(tǒng)構(gòu)建與測試等知識。顯然，知識面的拓寬必然推動電子信息及工程類各學(xué)科分支與相應(yīng)的課程類別間的融合，而這種融合必將有助于學(xué)生的設(shè)計理念的培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的升華。本章SOPC實驗全部基于SmartSOPC核心板,其FPGA引腳分配表見附錄B。這些實驗也可在其它FPGA核心板上實現(xiàn)，只是需要修改其IO適配即可。本章將從基礎(chǔ)實驗開始，分層次由淺入深，帶領(lǐng)大家實踐SOPC的設(shè)計方法。這些實驗可作為開放性實驗，供大家課外進行訓(xùn)練，以提高實踐動手能力和培養(yǎng)創(chuàng)新意識。2.1SOPC軟件編程基礎(chǔ)實驗2.1.1PIO輸出實驗1—流水燈控制一、實驗?zāi)康氖煜iosIIPIO設(shè)備的訪問方法。二、實驗設(shè)備硬件：PC機一臺SmartSOPC教學(xué)實驗開發(fā)平臺（或自制實驗板）SmartSOPC_standard_1c6/1c12NiosII系統(tǒng)軟件：NiosIIIDE5.0或以上版本。三、實驗內(nèi)容使用PIO口控制8個LED進行流水燈顯示。實驗?zāi)０逦挥冢号涮坠獗P\SmartSOPC\SmartSOPC_Software_Template\led_flow。四、實驗步驟(1)啟動NiosIIIDE并新建一個空白C\C++工程，然后命名為led_flow。(2)參考提供的參考程序在led_flow工程文件夾中新建應(yīng)用程序文件led_flow.c。(3)在SystemLibrary設(shè)置頁中，把程序和數(shù)據(jù)區(qū)都指定為sdram。(4)編譯整個工程，查找語法錯誤。(5)將實驗箱主板上JP6中有關(guān)LED的跳線全部短接。(6)下載硬件配置文件(SmartSOPC_standard_1c6)到FPGA。(7)Debug或全速運行整個程序，看輸出是否正確。五、實驗參考程序PIO輸出控制實驗的例程見程序清單2.1。程序清單2.1流水燈實驗/*********************************************************************文件名：led_flow.c*功能：LED顯示控制。*通過PIO直接控制8個LED產(chǎn)生流水燈效果*說明：********************************************************************/#include"system.h"#include"altera_avalon_pio_regs.h"#include"alt_types.h"/*******************************************************************與硬件相關(guān)的宏定義，用戶根據(jù)實際情況修改******************************************************************///LED_PIO_BASE是用戶添加并命名的外設(shè)基地址,在SYSTEM中定義,用戶需要根據(jù)不同的命名來修改此處#ifndefLED_PIO_BASE//這是LED_PIO核的基地址#defineLED_PIO_BASE0xffffffff//user'sdefinitionhere#endif#ifLED_PIO_BASE==0xffffffff#error"NodefinitionofLED_PIOcore.\n"#endif/*流水燈花樣，低電平點亮，注意調(diào)用時候用了取反操作*/constalt_u32LED_TBL[]={0x00,0xFF,//全部熄滅后，再全部點亮0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,//依次逐個點亮0x01,0x03,0x07,0x0F,0x1F,0x3F,0x7F,0xFF,//依次逐個疊加0xFF,0x7F,0x3F,0x1F,0x0F,0x07,0x03,0x01,//依次逐個遞減0x81,0x42,0x24,0x18,0x18,0x24,0x42,0x81,//兩個靠攏后分開0x81,0xC3,0xE7,0xFF,0xFF,0xE7,0xC3,0x81//從兩邊疊加后遞減};/*********************************************************************名稱：main()*功能：控制LED流水顯示。********************************************************************/intmain(void){alt_u8i;alt_u32j;while(1){for(i=0;i<42;i++){/*流水燈花樣顯示*/IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE,~LED_TBL[i]);j=0;while(j<100000)//延時j++;}}return0;}下面，我們按照以上的實驗步驟進行演示操作。首先，打開NiosIIIDE軟件，并將工作路徑指定到SmartSOPC_standard_1c6的工程文件。此文件夾在準(zhǔn)備工作中，我們已經(jīng)將其從光盤拷貝到了我們的硬盤中。然后，點擊瀏覽選擇其所在路徑，點擊OK按鈕，再點擊右上角的workbench圖標(biāo)進入IDE的工作界面。接下來，我們新建一個C＋＋工程，選擇【File】>>【New】>>【C/C++Application】,在彈出的新建工程向?qū)е?，我們?yōu)槠溥x擇目標(biāo)硬件。在此使用我們?yōu)榇蠹姨峁┑臉?biāo)準(zhǔn)硬件系統(tǒng)。點擊瀏覽按鈕，找到放置硬件系統(tǒng)的文件夾并雙擊其中的niosII_1c6.ptf文件。在左側(cè)的工程模板中選擇我們?yōu)榇蠹姨峁┑谋緦嶒灥哪０錖ed_flow。然后單擊finish。C++工程創(chuàng)建完成先設(shè)置C++工程的屬性。在左側(cè)Led_flow_0文件夾上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇最后一項。在此對話框中，本實驗只需保持默認(rèn)的選項即可，然后點擊OK返回。進行編譯C++工程的工作。右鍵點擊左側(cè)模板中的led_flow_0文件夾。選擇BuildProject對工程進行編譯。在編譯的這段時間里我們可以做一些其他的工作，我們將FPGA的配置文件下載到FPGA中，點擊在后臺運行的按鈕，再選擇【Tools】>>【Programmer】來打開編程器窗口。然后在File欄下雙擊找到SmartSOPC_standard_1c6文件夾下的.sof文件。選中Program下的復(fù)選框，確認(rèn)進行編程操作。然后點擊Srart開始下載。下載完成后，關(guān)閉編程窗口。返回到IDE界面后，C++工程已經(jīng)編譯完成，現(xiàn)在已經(jīng)可以運行程序了。右鍵單擊led_flow_0文件夾，選擇Rusas->NiosIIHardward。軟件經(jīng)過一系列操作后，便可在實驗板上看到運行結(jié)果。2.1.2通過C庫函數(shù)訪問UART一、實驗?zāi)康牧私馐褂肁NSIC標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)訪問UART的方法。二、實驗設(shè)備硬件:PC機,SmartSOPC教學(xué)實驗開發(fā)平臺（或自制實驗板）,串口電纜線,SmartSOPe-standard-1c6/1c12NiosII系統(tǒng);軟件:NiosIIIDE5.0或以上,超級終端。三、實驗內(nèi)容用ANSIC標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)從UART中讀入字符。如果檢測到符合要求的字符,則輸出提示信息。學(xué)習(xí)printf()、scanfO、fopenO和fwrite()等函數(shù)的用法。實驗?zāi)０逦挥?配套光盤＼SmartSOPC＼SmartSOpe-Software\Template＼Uart-testl。四、實驗步驟（1）啟動NiosIIIDE,新建一個空白C＼C++工程,并命名為Uart-test1。（2）根據(jù)提供的參考程序在Uart-test1工程文件夾中新建應(yīng)用程序文件Uart_test1.c,如程序清單4.10所示(波特率為11520Obps)。（3）在SystemLibrary設(shè)置頁中,先將標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出設(shè)備指定為uart,再將程序和數(shù)據(jù)區(qū)都指定為sdram,如圖2-1所示。（4）編譯整個工程,查找語法錯誤。（5）連接串口線到PC機串口。（6）下載硬件配置文件(Smartsope-standard-lc6)到FPGA。（7）全速運行程