电子系统设计系统设计

1、1 1第9章 系 统 设 计第9章 系 统 设 计9.1 车用超载限制系统车用超载限制系统9.2 超声波流量计、热量计系统超声波流量计、热量计系统9.3 智能小车控制系统智能小车控制系统2 2第9章 系 统 设 计一个电子产品的可靠性可靠性、实用性实用性、易用性易用性，直接决定了电子产品的生命周期，本书只讲述了有关电子系统的电路实现，未就具体系统的整体进行设计。在实际工程设计中需考虑外观结构、使用人群、使用习惯、现有产品对比、市场推广能力等各类因素。本章就书中第1章提出的三个系统的设计给出电路实现原理及程序设计流程，具体程序未给出，读者可根据前几章的讲解自行设计。3 3第9章 系 统 设 计1

2、、系统方案及论证系统方案及论证。画出系统（或结构）框图，各模块选用方案比较，理论分析与计算理论分析与计算（有时将该点单独列出）。2、硬件设计硬件设计。给出各模块原理图。3、软件设计软件设计。给出主程序、各子程序流程图。4、性能测试性能测试。功能型：各功能实现如何？指标型：各参数指标的测试数据。电子系统设计的主要内容（报告内容）电子系统设计的主要内容（报告内容）4 4第9章 系 统 设 计9.1 车用超载限制系统车用超载限制系统5 5第9章 系 统 设 计任务：任务：车用超载限制系统就是针对于载重货车、大平板车、带挂汽车和集装箱车的载重进行检测的，在货车进行装载作业时实时检测汽车载重，当达到载重

3、要求时该系统告警，同时该系统还有超载时自动切断油路，强行停车功能。该系统设计要求如下：(1) 起重量达到额定值(起重机额定最大载重量)的90%95%时，会发出声、光预警信号。预警灯为黄色。(2) 起重量达到动作点(起重机额定值的105%110%)时，起重机要立即停止上升动作，下降动作可以正常进行。同时，发出声、光报警信号。6 6第9章 系 统 设 计(3) 声、光预警和报警信号应在各种环境下清晰可辨，不刺目，不干扰司机视线。(4) 要有开机自检程序，对报警、显示功能进行自检。(5) 要有故障报警功能，如产品发生故障时，要立即发出报警信号。(6) 能自动检测车内外温度，并显示，误差1。(7) 如

4、电源突然断电，产品要保留其设置参数。(8) 要有起重量的设置，以便对作业量及作业时间进行统计，并有与计算机或PLC通信的接口，支持数据传输及下载。7 7第9章 系 统 设 计(9) 应有手动自检装置，在起重机不加载时，能确定产品的有效性。手动自检装置应能自动复位。(10) 要有能区分实际超载和正常作业时，上升、下降、运行、晃动、制动等产生的动载变化，要求在运动过程中不产生误报警。8 8第9章 系 统 设 计图9-1 车用超载限制系统框图9 9第9章 系 统 设 计进一步分析设计要求：对于温度测量和压力测量，需要将温度信号进行采集、放大、滤波处理，处理完毕后送入A/D转换器，将其转换为数字信号显

5、示输出；要求显示数据清晰可见，车用超载限制系统放置于卡车中，这就需要使用LED显示，一般液晶显示无法达到要求；要求采集载重卡车空载可超载的压力，因此需要采用宽测量范围的压力传感器；要求系统超载时切断油路强行停车，因此需要使用电机驱动阀门的关闭和开启，选择电机时需考虑电机的可靠性、驱动简单性、瞬时大功率输出、可过载等，综合各种因素选择直流电机。1010第9章 系 统 设 计9.1.1 方案及其论证方案及其论证1温度检测装置选用方案的确定温度检测装置选用方案的确定在前面的章节中已讲到常用的温度测量元件有热电偶温度传感器、铂电阻温度传感器、集成温度传感器。根据系统设计要求对温度的检测精度为0.5，而

6、热电偶容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，不适合测量微小的温度变化，故不采用热电偶温度传感器。本设计需检测车内外的温度，要求可靠性较高，在此选用铂电阻温度传感器，该传感器可靠性高，一般常用于工业场合。1111第9章 系 统 设 计2压力传感器选用方案的确定压力传感器选用方案的确定按工作原理分类，压力传感器可分为应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、光电式等。经过调研论证，选出以下4种传感器用来检测车辆是否超载。几种传感器性能比较见表9-1。1212第9章 系 统 设 计表9-1 传感器性能比较1313第9章 系 统 设 计由表9-1可知，拉压传感器工作可靠，检测相对准确，

7、但其致命的缺点是寿命短、抗震能力差，由于车上使用环境恶劣，故不能采用。霍尔传感器在汽车上应用较多，经过了时间的验证可靠性较高，但其感应范围只是一个点(贴磁片的点)，超载检测传感器需要的感应范围是一条线，故也不能采用。膜片式应变片传感器本身检测比较精确，对安装要求较高，操作简单，因是宽测量范围的压力传感器等原因而被选用。光电传感器本身检测精确，但由于车辆运行的环境比较差，泥水灰尘会造成其光线被遮挡而系统误启动，故不予采用。1414第9章 系 统 设 计所以，本系统采用膜片式应变片制成的集成压力传感器，该传感器出厂之前已有厂家校准，只需提供+12 V电源，传感器即可输出与压力呈线性关系的电压信号。

8、1515第9章 系 统 设 计3单片机选用方案的确定单片机选用方案的确定本书采用MSP430系列单片机讲解程序的设计。由于本设计要求单片机具有A/D转换模块、通信模块和至少4组I/O口，因此选用MSP430F135单片机。1616第9章 系 统 设 计4电机选用方案的确定电机选用方案的确定由于本设计要求系统超载时切断油路强行停车，因此需要使用电机驱动阀门的关闭和开启，选择电机时需考虑电机的可靠性、驱动简单性、瞬时大功率输出、可过载等，综合各种因素选择直流电机。1717第9章 系 统 设 计9.1.2 电路原理电路原理1电源电路电源电路由于系统适用于车中，因此采用车用+12 V供电，经78L05

9、、AP1231-3.6分别产生+5 V、+3.6 V电压。电源电路如图9-2所示。1818第9章 系 统 设 计图9-2 电源电路1919第9章 系 统 设 计2温度采集电路温度采集电路系统中使用铂电阻(Pt100)作为温度传感器，根据第4章的讲解，需要设计一恒流源电路，电路如图9-3所示。2020第9章 系 统 设 计图9-3 温度采集电路2121第9章 系 统 设 计3压力采集电路压力采集电路系统中使用厂家已校准好的集成压力传感器，给传感器提供+12 V电源，即可输出与压力成正比的电压信号，该信号经电压跟随器适当放大或衰减后(在单片机转换量程0 V2.5 V内)送入单片机。电路如图9-4所

10、示。2222第9章 系 统 设 计图9-4 压力采集电路2323第9章 系 统 设 计4通信电路通信电路系统需要对外进行数据通信，可采用RS-485进行通信，电路如图9-5所示。2424第9章 系 统 设 计图9-5 通信电路2525第9章 系 统 设 计5报警电路报警电路系统要求具有声光报警功能，该部分电路简单，如图9-6所示。2626第9章 系 统 设 计图9-6 报警电路2727第9章 系 统 设 计6按键显示电路按键显示电路按键显示电路如图9-7所示，系统要求在室外显示清晰可见，故选用LED数码管作为显示电路。在该系统中所需按键较少，因此采用独立按键检测方法，以减少I/O口使用数量。2

11、828第9章 系 统 设 计图9-7 按键显示电路2929第9章 系 统 设 计7直流电机驱动电路直流电机驱动电路直流电机驱动电路如图9-8所示，该系统中使用小功率直流电机切断供油回路，因此使用小功率PNP和NPN三极管驱动直流电机即可。3030第9章 系 统 设 计图9-8 直流电机驱动电路3131第9章 系 统 设 计8主控电路主控电路主控电路如图9-9所示，采用MSP430F135单片机，由于该单片机向下与MSP430F133，向上与MSP430F148/149兼容，可以保证以后电路的可扩展性。3232第9章 系 统 设 计图9-9 主控电路3333第9章 系 统 设 计9.1.3 程序

12、设计程序设计1按键、显示模块程序设计按键、显示模块程序设计该系统按键采用独立式按键结构，显示采用数码管动态扫描方式，按键与显示采用分时复用方式共用一组I/O口。具体工作原理参考人机界面章节的相关内容。按键检测、显示输出流程图如图9-10所示。需注意本系统采用共阴极数码管。3434第9章 系 统 设 计图9-10 按键检测、显示输出流程图3535第9章 系 统 设 计2温度、压力采集模块程序设计温度、压力采集模块程序设计温度测量时，将恒流源流经铂电阻后输出电压经放大后送到单片机A/D转换器输入端，根据A/D转换的值计算出铂电阻的阻值，然后进行故障判断，如无故障，则由铂电阻的温度分度表查出对应的温

13、度值。温度、压力测量流程图如图9-11所示。压力测量时，将变送器电流输入标准电阻，得到电压值，通过A/D转换算出压力值。根据A/D转换的值同样可以判断出压力传感器是否有故障。3636第9章 系 统 设 计图9-11 温度、压力测量流程图3737第9章 系 统 设 计3电机驱动模块程序设计电机驱动模块程序设计驱动电机时，按照操作的要求是切断油路还是打开油路控制电机进行正转或反转。电机驱动流程图如图9-12所示。3838第9章 系 统 设 计图9-12 电机驱动流程图3939第9章 系 统 设 计4主程序设计主程序设计主程序是统管各个子程序模块功能的程序。在不同系统中，主程序的功能相差不大，在此只

14、给出该系统的主程序流程，如图9-13所示。4040第9章 系 统 设 计图9-13 系统主程序流程图4141第9章 系 统 设 计 现有一个温湿度监测系统，该系统由若干个无线检测节点和一个监测终端组成，检测节点可以检测环境的温湿度，并通过无线模块将数据发送；监测终端通过无线模块接收各节点发来的信息，在LCD上显示各节点的温湿度，并能将相关的信息通过RS232接口上传给上位机（个人电脑）。请画出该监测系统的结构框图并画出检测节点的主程序流程图。温湿度监测系统温湿度监测系统4242第9章 系 统 设 计数字显示脉冲信号参数测试仪（数字显示脉冲信号参数测试仪（A题）题） 2014年福建省大学生电子设

15、计竞赛题 4343第9章 系 统 设 计一、任务一、任务 设计制作一个脉冲信号测试仪，可以测量脉冲信号的幅值、周期（频率）、占空比、上升和下降时间等基本参数。4444第9章 系 统 设 计二、要求二、要求1.基本功能基本功能（1）自制电源；由交流）自制电源；由交流220V作为输入，产生测试仪所需直流电源；作为输入，产生测试仪所需直流电源；（2）脉冲信号幅值范围为：）脉冲信号幅值范围为：0.2VP5VP，测量精度，测量精度2%；（3）脉冲信号频率范围为：）脉冲信号频率范围为：1Hz100KHz；频率测量精度；频率测量精度0.1%；（4）占空比测量范围为：）占空比测量范围为：2575，测量误差，测量误差10；（5）上升时间和下降时间测量范围为）上升时间和下降时间测量范围为1us1ms，测量误差，测量误差1us；2.发挥部分发挥部分（1）脉冲信号幅值范围为：）脉冲信号幅值范围为：0.02VP0.5VP，测量精度，测量精度2%；（2）脉冲信号频率范围为：）脉冲信号频率范围为：1Hz500KHz；频率测量精度；频率测量精度0.01%；（3）占空比测量范围为：）占空比测量范围为：2080，测量误差，测量误差5； （4）上升时间和下降时间测量范围为）上升时间和下降时间测量范围为100ns