一种模数混合电子线路教学案例的设计与实现

金艳艳，胡志刚，何英杰

（成都工业学院，四川成都，611730）

0 引言

本教学案例的主要目的是加强学生对模拟电子技术及数字电子技术理论课程知识的综合应用，提高学生硬件设计和调试的能力，加强学生硬件电路设计模块化的理念，掌握硬件调试过程中的方法及技巧。无人驾驶汽车作为现代汽车行业的重点研究领域，涵盖多个学科，在大众创新的背景下，该教学案例将未来影响到人们出行的先进技术中的一部分经过巧妙设计引入到课堂内，紧跟科技创新的脚步，来提高学生学习兴趣及主动性。

1 设计要求及原理

假设在未来无人驾驶发展成熟后，可以通过网络预约无人驾驶网约车，在接送乘客的过程中，为保持乘客的舒适感，需要考虑到车内有无人、发动机状态、温度、湿度、车速、车内空调状态等多个元素来调节窗户开合程度。经过老师与同学们共同讨论，根据实际需求，提出以下规则：（1）当车内有乘客时应该可以进行车窗手动控制模式和自动控制模式转换，当车内无乘客时应工作在自动模式。（2）当发动机停止运行并且无乘客时说明乘客已经下车或者该车未被预约，则车窗应该全部闭合；（3）自动模式下当车内空调打开时车窗应该全部闭合。（4）自动模式下发动机正常运行并且空调未被打开时车窗闭合程度应该与外界温度、湿度及车速相关。比如无人驾驶网约车被预约后再去接乘客路途中，可以根据外界环境提前开窗保证车内温度适宜。

基于以上规则，提出设计要求，设计能够测量自然环境温度（0℃～45℃)、测量精度不低于±1℃、以数字方式显示的温度测量电路，并且通过指示电路判断该温度所在范围。

基本要求如下：

（1）设计温度检测电路检测车内温度。

（2）设计开关单元模拟车速快慢、湿度高低、车内空调的开关状态、发动机开关状态、车内有无人、手动或自动选择。

（3）设计控制电路，满足如下规则：

①当车内有人并且选择手动时，执行手动模式，否则执行自动模式；

②自动模式下，若车内空调打开或者发动机关闭或者湿度较高时，则车窗全关；

③自动模式下，若发动机启动且空调关闭并且湿度较低时，设计要求如表1所示。

表1 自动模式下根据输入不同时输出要求

（4）设计数字显示电路。

①通过数码管显示当前车内温度；

②设计指示电路表示当前为手动模式还是自动模式；

③自动模式下，通过挡位数码管显示车窗的闭合程度，要求：车窗全关、车窗开1/3、车窗开2/3、车窗全开分别显示0、1、2、3。

（5）设计电源转换电路，为各单元电路提供电源。

（6）A/D转换器所需时钟信号的设计。

（7）印刷电路板的绘制、焊接及调试。

本案例主要的实验原理为模拟电子技术部分：通过温度传感器将温度信号转换成模拟电压信号Vin，通过信号放大电路将Vin进行放大，放大后的电压信号作为A/D转换集成电路的输入信号；数字电子技术部分：A/D转换器输出数字信号经二进制转BCD码后经过译码显示电路进行显示。除此之外，A/D转换器输出的数字信号通过比较器及其他组合逻辑电路，结合题目设计要求，将最终车窗开合程度的挡位进行显示[1]。

图1 实现方案框图

2 设计方案

温度采集电路可供选择的传感器有热敏电阻、PT系列热电阻等。不同类型的热电阻特性有所区别，应根据所选热电阻系列及所要求输出温度范围设计放大电路，考虑电阻的典型值、放大倍数、差分比例等问题，满足后级A/D转换输入电压范围，并尽量提高系统的抗干扰能力，信号放大电路采用常用的误差放大器型号，如LM358，UA741等即可，设计样例如图2所示。

图2 温度采集及信号放大设计样例图

整个设计电源只需提供12V单电源供电，所需5V电源可采用常用三端口集成稳压器处理，本实验案例中采用的型号是LM7805[2]，采用其手册中经典三端口电路。

将模拟信号转化成数字量时，考虑采用常规的A/D转换器，本实验案例采用学生实验室中常用的型号ADC0809[3]。ADC0809需要两种脉冲频率信号，分别为1kHz的时钟信号及500kHz的采样信号。设计样例中1kHz时钟信号采用555定时器构成的多谐振荡器、500kHz采用有源晶振电路实现，如图3所示。

图3 ADC0809所需方波信号样例

A/D转换器输出为二进制数制，通过逻辑芯片74LS185将二进制数制转换成BCD码，作为共阴极译码器74LS48的输入，通过74LS48驱动共阴极数码管即可显示车内温度[4]，如图4所示。

图4 车内温度显示电路样例

根据车内温度高低可通过比较电路和组合逻辑电路将温度从低到高输出状态设定为00、01、10、11四种状态，为后续显示车窗挡位的电路提供输入，如图5所示温度状态设计电路样例。

图5 车内温度状态显示电路样例

根据温度状态及题目中要求设计开关单元模拟车速快慢、湿度高低、车内空调的开关状态、发动机开关状态、车内有无人、手动或自动选择及规则要求，设计出真值表，进一步根据组合逻辑电路设计相关内容，设计出挡位显示电路，其真值表如表2所示。

表2 真值表

根据真值表可知，当车窗控制模式为手动模式时，挡位直接显示0，并且手动模式状态灯亮。若为自动模式时，手动模式状态灯灭。自动模式时，当发动机关或空调开或湿度较大时，无论温度及风速如何，车窗全部关闭。自动模式下，当发动机开动并且空调关闭并且湿度较低时，挡位变化与风速和温度有关，具体设定参考表1。结合真值表，样例中采用译码器74LS138及常用门电路，设计出最终挡位综合显示电路，如图6所示。

图6 挡位综合显示电路样例

3 实验结果验证

通过实物验证设计的准确性。首先验证自动模式下，当发动机开动并且空调关闭并且湿度较低时，风速较低时，随着温度变换挡位发生变化，以车内温度29度为例，验证了表1设定，如图7所示。当风速较高时，对比图7和图8可知，虽然温度均为29度，但是风速高时，车窗开合程度由2档降为1档，符合设计要求。

图7 自动模式下风速低时温度29度时挡位2

图8 自动模式下风速低时温度29度时挡位1

图9为将手动开关打开，进入手动模式，右上角指示灯亮，同时自动模式挡位归为0，表示已进入手动模式，客户根据需求手动调节窗户开合程度，符合设计要求。

图9 手动模式验证

4 教学引导及实施

电子线路设计过程是一个比较完整的工程实践，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实验仿真、实物调试测试、设计总结等过程[5]。在教学中，会在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）学习温度测量的基本方法，学会分析热敏电阻阻值随温度变化的特性，如何根据设计要求选择合适的热敏电阻及设计温度采样电路，该部分内容涉及模电课程所学。

（2）要求学生熟练掌握信号放大电路的设计，根据平时理论指导和课程实验选择合适的电路和参数，该部分内容涉及模电课程所学。

（3）提示时钟信号设计的多样性，可采用模拟电子技术中所学信号产生电路和数字电路中所学脉冲产生整形电路，对比有源晶振和无源晶振电路的优缺点，结合数字分频电路等设计出所需的时钟信号。

（4）指导学生电路仿真，通过仿真验证设计是否规范、是否合理、是否满足要求、是否可以继续优化电路等。

（5）提示学生可采用网孔板搭建电路，鼓励学生通过绘制电路板完成电路搭建，并提醒学生调试电路板时的注意事项。

5 结语

本模数混合电子线路教学案例的特色在于：①着重培养学生硬件设计能力。②知识应用的综合性：着重将模拟电子技术和数字电子技术课程中的知识点进行串联。③案例实用性与趣味性：案例是前沿应用，将其转化为可操作性的综合实验，增强了项目的趣味性。④实现方法多样化：学生可灵活选择和对比不同方案，多方面考虑电路实现的成本和稳定性，提高学生工程设计能力。