一種模數混合電子線路教學案例的設計與實現

金艷艷，胡志剛，何英杰

（成都工業學院，四川成都，611730）

0 引言

本教學案例的主要目的是加強學生對模擬電子技術及數字電子技術理論課程知識的綜合應用，提高學生硬件設計和調試的能力，加強學生硬件電路設計模塊化的理念，掌握硬件調試過程中的方法及技巧。無人駕駛汽車作為現代汽車行業的重點研究領域，涵蓋多個學科，在大眾創新的背景下，該教學案例將未來影響到人們出行的先進技術中的一部分經過巧妙設計引入到課堂內，緊跟科技創新的腳步，來提高學生學習興趣及主動性。

1 設計要求及原理

假設在未來無人駕駛發展成熟后，可以通過網絡預約無人駕駛網約車，在接送乘客的過程中，為保持乘客的舒適感，需要考慮到車內有無人、發動機狀態、溫度、濕度、車速、車內空調狀態等多個元素來調節窗戶開合程度。經過老師與同學們共同討論，根據實際需求，提出以下規則：（1）當車內有乘客時應該可以進行車窗手動控制模式和自動控制模式轉換，當車內無乘客時應工作在自動模式。（2）當發動機停止運行并且無乘客時說明乘客已經下車或者該車未被預約，則車窗應該全部閉合；（3）自動模式下當車內空調打開時車窗應該全部閉合。（4）自動模式下發動機正常運行并且空調未被打開時車窗閉合程度應該與外界溫度、濕度及車速相關。比如無人駕駛網約車被預約后再去接乘客路途中，可以根據外界環境提前開窗保證車內溫度適宜。

基于以上規則，提出設計要求，設計能夠測量自然環境溫度（0℃～45℃)、測量精度不低于±1℃、以數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）設計溫度檢測電路檢測車內溫度。

（2）設計開關單元模擬車速快慢、濕度高低、車內空調的開關狀態、發動機開關狀態、車內有無人、手動或自動選擇。

（3）設計控制電路，滿足如下規則：

①當車內有人并且選擇手動時，執行手動模式，否則執行自動模式；

②自動模式下，若車內空調打開或者發動機關閉或者濕度較高時，則車窗全關；

③自動模式下，若發動機啟動且空調關閉并且濕度較低時，設計要求如表1所示。

表1 自動模式下根據輸入不同時輸出要求

（4）設計數字顯示電路。

①通過數碼管顯示當前車內溫度；

②設計指示電路表示當前為手動模式還是自動模式；

③自動模式下，通過擋位數碼管顯示車窗的閉合程度，要求：車窗全關、車窗開1/3、車窗開2/3、車窗全開分別顯示0、1、2、3。

（5）設計電源轉換電路，為各單元電路提供電源。

（6）A/D轉換器所需時鐘信號的設計。

（7）印刷電路板的繪制、焊接及調試。

本案例主要的實驗原理為模擬電子技術部分：通過溫度傳感器將溫度信號轉換成模擬電壓信號Vin，通過信號放大電路將Vin進行放大，放大后的電壓信號作為A/D轉換集成電路的輸入信號；數字電子技術部分：A/D轉換器輸出數字信號經二進制轉BCD碼后經過譯碼顯示電路進行顯示。除此之外，A/D轉換器輸出的數字信號通過比較器及其他組合邏輯電路，結合題目設計要求，將最終車窗開合程度的擋位進行顯示[1]。

圖1 實現方案框圖

2 設計方案

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別，應根據所選熱電阻系列及所要求輸出溫度范圍設計放大電路，考慮電阻的典型值、放大倍數、差分比例等問題，滿足后級A/D轉換輸入電壓范圍，并盡量提高系統的抗干擾能力，信號放大電路采用常用的誤差放大器型號，如LM358，UA741等即可，設計樣例如圖2所示。

圖2 溫度采集及信號放大設計樣例圖

整個設計電源只需提供12V單電源供電，所需5V電源可采用常用三端口集成穩壓器處理，本實驗案例中采用的型號是LM7805[2]，采用其手冊中經典三端口電路。

將模擬信號轉化成數字量時，考慮采用常規的A/D轉換器，本實驗案例采用學生實驗室中常用的型號ADC0809[3]。ADC0809需要兩種脈沖頻率信號，分別為1kHz的時鐘信號及500kHz的采樣信號。設計樣例中1kHz時鐘信號采用555定時器構成的多諧振蕩器、500kHz采用有源晶振電路實現，如圖3所示。

圖3 ADC0809所需方波信號樣例

A/D轉換器輸出為二進制數制，通過邏輯芯片74LS185將二進制數制轉換成BCD碼，作為共陰極譯碼器74LS48的輸入，通過74LS48驅動共陰極數碼管即可顯示車內溫度[4]，如圖4所示。

圖4 車內溫度顯示電路樣例

根據車內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設定為00、01、10、11四種狀態，為后續顯示車窗擋位的電路提供輸入，如圖5所示溫度狀態設計電路樣例。

圖5 車內溫度狀態顯示電路樣例

根據溫度狀態及題目中要求設計開關單元模擬車速快慢、濕度高低、車內空調的開關狀態、發動機開關狀態、車內有無人、手動或自動選擇及規則要求，設計出真值表，進一步根據組合邏輯電路設計相關內容，設計出擋位顯示電路，其真值表如表2所示。

表2 真值表

根據真值表可知，當車窗控制模式為手動模式時，擋位直接顯示0，并且手動模式狀態燈亮。若為自動模式時，手動模式狀態燈滅。自動模式時，當發動機關或空調開或濕度較大時，無論溫度及風速如何，車窗全部關閉。自動模式下，當發動機開動并且空調關閉并且濕度較低時，擋位變化與風速和溫度有關，具體設定參考表1。結合真值表，樣例中采用譯碼器74LS138及常用門電路，設計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 實驗結果驗證

通過實物驗證設計的準確性。首先驗證自動模式下，當發動機開動并且空調關閉并且濕度較低時，風速較低時，隨著溫度變換擋位發生變化，以車內溫度29度為例，驗證了表1設定，如圖7所示。當風速較高時，對比圖7和圖8可知，雖然溫度均為29度，但是風速高時，車窗開合程度由2檔降為1檔，符合設計要求。

圖7 自動模式下風速低時溫度29度時擋位2

圖8 自動模式下風速低時溫度29度時擋位1

圖9為將手動開關打開，進入手動模式，右上角指示燈亮，同時自動模式擋位歸為0，表示已進入手動模式，客戶根據需求手動調節窗戶開合程度，符合設計要求。

圖9 手動模式驗證

4 教學引導及實施

電子線路設計過程是一個比較完整的工程實踐，需要經歷學習研究、方案論證、系統設計、實驗仿真、實物調試測試、設計總結等過程[5]。在教學中，會在以下幾個方面加強對學生的引導：

（1）學習溫度測量的基本方法，學會分析熱敏電阻阻值隨溫度變化的特性，如何根據設計要求選擇合適的熱敏電阻及設計溫度采樣電路，該部分內容涉及模電課程所學。

（2）要求學生熟練掌握信號放大電路的設計，根據平時理論指導和課程實驗選擇合適的電路和參數，該部分內容涉及模電課程所學。

（3）提示時鐘信號設計的多樣性，可采用模擬電子技術中所學信號產生電路和數字電路中所學脈沖產生整形電路，對比有源晶振和無源晶振電路的優缺點，結合數字分頻電路等設計出所需的時鐘信號。

（4）指導學生電路仿真，通過仿真驗證設計是否規范、是否合理、是否滿足要求、是否可以繼續優化電路等。

（5）提示學生可采用網孔板搭建電路，鼓勵學生通過繪制電路板完成電路搭建，并提醒學生調試電路板時的注意事項。

5 結語

本模數混合電子線路教學案例的特色在于：①著重培養學生硬件設計能力。②知識應用的綜合性：著重將模擬電子技術和數字電子技術課程中的知識點進行串聯。③案例實用性與趣味性：案例是前沿應用，將其轉化為可操作性的綜合實驗，增強了項目的趣味性。④實現方法多樣化：學生可靈活選擇和對比不同方案，多方面考慮電路實現的成本和穩定性，提高學生工程設計能力。