智能杯垫设计与实现

实验题目：智能杯垫设计与实现

课程简要信息

课程名称：模拟电子技术基础

课程学时：80

项目学时：6+6（课内、课外）

适用专业：电子信息工程

学生年级：大二，第四学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

本案例为电子综合设计课程系列开放型综合设计实验之一，利用模拟电路及单片机系统，设计并制作一个智能杯垫，能够感知杯子温度、重量变化，控制加热保持杯体恒温，并可上传手机APP。原理可参考下图：

图1智能杯垫框图

实验任务按照基础部分、发挥部分、创新部分三个层次确定指标要求，难度层层递进，以满足不同能力的学生的需求。基本部分要求全部同学都要完成，发挥部分和创新部分要求学有余力的同学选做完成。具体指标要求如下：

1. 基本部分

A. 具有温度测量功能，温度测量采用半导体测温法：

1. 采用LM335传感器测量杯垫上物体温度，并转换为摄氏温度显示；

2. 测量范围为-20℃ 至85℃；

3. 摄氏温度精度1℃，具有温度校正功能 ；

B. 液量测量采用称重法，具有称重测量功能：

1. 采用压力传感器构成惠斯顿电桥，并采用三运放自制仪表放大器放大，总增益40~60dB可调，共模抑制比≥80dB，输入阻抗≥100KΩ；

2. 仪表放大器后设计不低于二阶的有源滤波器，带宽0-20Hz。

3. 称重范围0~500g，具有调零功能，测量精度1g，并显示。

基本部分限制不超过2片LMV324实现。

1. 发挥部分

2. 增加摄氏转华氏温度转换功能，进一步提升精度至0.1℃；

3. 量程扩展至1000g，进一步提升精度至不低于0.5g，增加去皮功能；

4. 具有自动控制加热恒温功能（模拟PID）。

5. 创新部分

6. 采用Wifi或蓝牙手机端显示温度、重量等，并定时提醒；

7. 监测用户饮水动作以及饮水量，并能够通过APP和同学进行互动提醒，主要功能有量身定制饮水计划、饮水量监测、智能饮水提醒、同学互动等，适用于各种水杯。

8. 增加语音功能，语音提醒，识别语音等。

9. 其他（数字PID控制）。

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 学习了解智能杯垫原理，掌握智能杯垫电路的设计方法；

2. 查阅单片机及运算放大器数据手册，了解单片机及运算放大器电路形式及参数计算方法，理解运放的工作条件及其非理想参数；

3. 开展方案论证，设计智能杯垫电路，合理选择器件与元件（运放、单片机等），计算各单元电路的参数，并利用TINA、Multisim、Protus 等软件仿真验证；

4. 在万用板上搭建实际电路，逐个模块焊接调试，并记录调试中遇到的问题，如果电路设计用到单片机，在单片机开发板上编程实验，并记录编程中遇到的问题；

5. 系统设计完成后，通过示波器进行测试各项指标是否达到实验要求，分析电路误差产生的原因，以及如何提高精度；

6. 撰写设计总结报告；

7. 分组实物验收，记录完成情况，并计入成绩。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

这是一个运用模拟电子技术和嵌入式技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用波形发生、模拟调理、波形幅度测量、温度测量、重量测量相关知识与技术方法，并涉及精度等工程概念与方法。本实验配合电路分析、微机原理、模拟电子线路和数字电子技术等工科类专业课程，并辅以单片机，有一定趣味性，为学生课内实验以及课外科技工程创新活动提供了一种良好的解决方案。

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

项目实施需要的环境条件如下：

1. 实验仪器：示波器、信号源或NI的myDAQ（集成口袋式仪器）等。

2. 实验器材：万用板、集成运放NE5532、LM324、TL431、IRF540管子等，电阻、电容开架。

3. 设计软件工具：TINA仿真软件、Multisim仿真软件、Proteus仿真软件等。

4. 参考资料：TI单片机、NE5532、LM324、TL431、IRF540等器件说明书。

教学目标与目的（限150字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

本案例是一个完整的模拟-数字与单片机混合设计工程实验案例。教学目标与目的如下：

1. 引导学生熟悉智能杯垫电路的原理，掌握智能杯垫电路的设计方法；

2. 培养学生数字系统设计、模拟电路、元器件选择、虚拟仿真、实物电路电装与调试等电子技术综合设计及知识的运用能力；

3. 培养与提高学生工程设计能力及团队协作能力。

教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、虚拟仿真、实物电装与调试、设计总结等过程。实验教学的具体实施过程安排包括：预习自学、现场教学、虚拟仿真、实物电装与调试、实物验收、实验总结等过程。教师现场教学讲解2课时，安排实验任务，并引导学生进行系统设计与仿真。在虚拟仿真环节完成后，时间开放空间开放方案开放，学生两人一组组队，在一周的时间内完成实物制作与调试测试，教师不定期指导。最后统一进行实物验收并提交实验报告。

在教学过程的实施中注意应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. **预习自学：**在课前提前让学生查阅资料，学习温度测量、重量测量的方法。

教师注意引导学生学习多种波形产生的基本方法，并了解不同波形产生技术之间的差异，掌握参数计算的方法；熟悉运放构成的放大器设计方法，掌握放大器参数计算及虚拟仿真方法。

2. **现场教学：**教师介绍包括实验背景需求、任务安排、实验原理与参考方案、实验要求、课后思考等部分教学内容。

3. 任务安排：介绍实验背景需求，激发学生兴趣；引导学生理解系统的各项指标要求，熟悉实验任务；

4. 教学中通过实验原理与参考方案的介绍，引导学生熟悉解决实际工程问题整体思路与步骤，包括：性能指标分析、方案论证、电路设计、参数计算与器件选择、虚拟仿真、实物电装、调试测试等。

5. 与理论课教学不同，实验教学中重点引导学生学习实际电路设计中元器件选择与计算方法，以及如何提高幅度精度的方法，引导学生独立完成自己的电路方案设计。

6. 教学中引导学生熟悉采用软件对电路进行虚拟仿真验证的方法、实物电装的流程与方法、电路调试与测试的方法。

7. **虚拟仿真：**由学生按照自己设计的电路方案进行软件虚拟仿真验证，单人单组完成。

虚拟仿真环节完成后，学生提交虚拟仿真文件与仿真结果，教师进行虚拟仿真验收并打分。

4. **实物电装与调试：**在虚拟仿真完成后，学生两人一组组队，选择设计好的方案，完成实物电路的制作与调试。

此环节时间开放、地点开放，学生自行完成实物电装与调试，教师不定期指导。教师应引导学生注意调试过程中工作电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

5. **实物验收：**在实物制作完成后，进行实物验收并打分。

实物验收中，注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成、模块间的接口方式与参数要求、功能与性能指标的完成程度、焊接质量、组装工艺、功能构思与电路设计的创新性、实验成本等方面。

6. **实验总结：**学生撰写并提交实验设计报告，教师打分。

教师应引导学生注意实验报告撰写的规范性与完整性，并注意实验数据的测试与误差分析。

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

本案例可以由多种方案来实现，这里给出部分电路的参考实现方案，不限于如下参考方案。

(1)系统总体结构

智能杯垫系统总体结构由测温模块、称重测量模块、波形发生、波形驱动、幅度测量、单片机及显示、无线传输等模块组成。其中，测温模块主要用于测量杯体的温度等信息，称重测量模块主要用于测量液体量的重量变化，波形发生用于产生所需的PWM脉冲波，波形驱动用于产生低阻抗驱动信号，幅度测量可采用绝对值电路、峰值保持电路也可以采用集成的交流检测芯片如AD637等，单片机包含液晶显示键盘交互及信号处理功能，最后通过蓝牙、Wifi等无线传输至PC界面或手机界面。模块中，测温模块、测重量模块、单片机系统、波形发生模块和幅度测评模块是系统的核心模块，均可采用多种方案实现，学生需要独立进行方案论证与选择。

图2 系统总体结构图及多种实现方案

(2) 智能杯垫电路实现参考方案

以下是实现测温模块的一种方案，供其学生设计时候参考：

A. 测温原理与参考方案

半导体温度传感器大多采用了带隙结构，它们的输出大多数是以绝对零度（-273℃）为起点，需要一定的数学运算将其转化为常见的摄氏温度（℃）或华氏温度（℉）。其原理框图参考图1，工作过程如下：

图3 杯垫测温原理框图

图4 杯垫测温电路

半导体温度传感器LM335输出正比于开氏温度的电压值U1（10mV/K），将电压U1减去2730mV后，得到正比于摄氏温度的电压U2（10mV/℃），再经过U3= 1.8U2+320mV的运算后，得到正比于华氏温度的电压U3（10mV/℉）。开关选择U2或U3送入2V数字表头，它具有1mV分辨率，即温度分辨率为0.1℃或0.1℉。最后将数字表头的小数点固定于十位，显示值即为温度值。如果没有2V表头，也可以将输出电压值10:1分压后，送入普通数字万用表的200.0mV档，亦可完成温度值的显示。

本实验中的运放要求使用一片LM324四运放，即最多使用4个运放完成全部电路设计。为了使用方便，本设计要求采用单5V供电，运放所需的-5V电压利用电荷泵芯片（ICL7660）来提供。考虑到5V电源电压可能不稳定，参与运算所需的2730mV、320mV等固定电压由2.5V基准源芯片（TL431）分压或放大得到。

（A）注意事项

1. 电源可采用USB供电，也可以使用4.5V或6V电池盒。

2. 注意所有的芯片电源端对地应加上0.1uF退耦电容，电源入口处应加至少10uF退耦电容。

3. 注意元件误差、运放失调、基准源偏差等都会带来误差，电路设计中要适当留有电位器以便调整零点偏移。

（B）元器件参考资料

LM335：半导体温度传感器

LM335是一种电压输出型温度传感器，它的用法与稳压管相同，电流IZ>500uA即可工作。它的稳压值UZ是随温度的变量：UZ=10mV*T，式中T是绝对温度（单位K）。例如0℃时输出2.73V，27℃时输出3.00V，依次类推。

(a) 外形和引脚 (b) 典型应用电路

图4 LM335温度传感器

a. LM324：通用型四运放

LM324是一款通用型四运放，内部集成了4枚运算放大器。典型指标如表2所示：

表1 LM324的典型指标

(a)外形和引脚（顶视） (b) 内部电路

图5 LM324 通用型四运放

b. ICL7660：电荷泵芯片

ICL7660是一款多用途的电荷泵芯片，所谓电荷泵，指的是不断地用一个电容C1存储电荷再将电荷注入另一电容C2，它能够实现倍压、反压等电源电压变换功能。本电路中用它将单电源VCC（+5V）变换为Vee（-5V），可以为运放提供负电源电压。其电路接法如图5(a)，图5(b)是它的内部原理，请自行分析。

(a) 管脚和典型电路（顶视） (b)电压反转的原理（供参考）

图6电荷泵芯片ICL7660

c. TL431：2.5V基准源

所谓基准源，就是电路中一个稳定不变的电压源，考虑到VCC的稳定度通常很差，本实验中的某些常数（如2.73V，320mV等）都需要通过基准源来得到。TL431是常用的一种基准源，其内部集成了一个2.5V的带隙基准，一枚运放以及一只三极管，如图6(a)所示；TL431的电路符号是在齐纳二极管的基础上增加了一只调整脚（R），引脚排布如图6(b)，典型应用电路如图6(c)所示。

(a) TL431的内部电路和符号 (b)TL431管脚排列 (c)TL431典型应用

图7 TL431原理及应用

如果将R1短路，R2不接，也可以作为2.5V固定基准源使用。注意流过TL431的Iz>1mA才能正常稳压（通常取2~10mA），另外输出端必须并联不小于10uF电容，否则会自激震荡。

B. 测重原理与参考方案

智能杯垫中需设计的重量测量电路电可包含以下几个部分，重量传感部分将待测物体重量转换为模拟电信号，经信号调理部分放大处理后，进入信号转换模块，将模拟信号转换为数字信号送入输出显示模块。中间控制器可以切换量程和精度或显示方式等。注意根据设计要求选择合适的电阻应变式传感器（又称为称重传感器），选择传感器时需注意传感器量程、灵敏度等参数。并设计重量传感桥式电路，如单臂电桥、差动电桥等，将重量值转换为电信号。

图8 称重计测量原理及参考方案

部分学生报告及作品照片如下：

图9 学生报告及实物作品正面

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验需求分析

2. 实现方案论证

3. 理论推导计算

4. 电路设计与参数选择

5. 电路虚拟仿真与验证

6. 电路装配过程

7. 电路测试方法

8. 实验数据记录

9. 数据处理分析

10）实验总结与心得体会

设计报告的内容中需包含：

1. 完整的电路图，并详细标明每一部分的功能。

2. 电路的原理说明，以及各元件参数计算（有详细推导过程）。

3. 仿真结果。如果与理论计算相比有误差，请作分析。

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1. **仿真验收：**电路元件参数选择与指标完成程度，2-3人一组进行。（20分）

2. **实物验收：**功能与性能指标的完成程度（如产生波形频率），完成时间。（30分）

3. **实验质量：**电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。（10分）

4. **自主创新：**功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。（10分）

5. **实验成本：**是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。（10分）

6. **实验数据：**测试数据和测量误差。（10分）

7. **实验报告：**实验报告的规范性与完整性。（10分）

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色与创新在于：

1. **模式创新：**将传统实验箱或完整开发板模块实验转变为用万用板搭建电子系统实验的模式，并且项目背景与现代电子技术紧密结合，易于激发学生的兴趣；

2. **方法创新：**项目综合了所学的电路基础、模拟电子电路、数字电路等多学科的知识，采用先虚拟仿真后搭建实物的“虚实结合”实验模式，引导学生掌握现代电子系统设计实验新方法，提高学生理论结合实际以及解决问题的能力。

3. **形式创新：**项目为开放性实验，学生可以自主安排时间，在规定时间周期内完成实验验收。题目要求采用学生学号作为参数之一进行设计，有一定趣味性，并且项目中设有发挥部分和创新部分，为学有余力的学生提供锻炼机会，充分发挥学生自主创新潜能。

4. **趣味性强：**项目选题贴近实际，容易激发学生兴趣。将模拟电子技术与数字电子技术结合起来，综合考察学生能力，并按照难度设计分层次任务要求，满足不同层次学生需求。

5. **项目普及性：**项目所需条件一般实验室均可满足，便于推广。

附件1 证明材料：

图10 教务系统该课程截图及网上建课与提交等证明材料