环境湿度控制器.doc

2012年中等职业学院电子技能竞赛（学生组）

20**年某市中等职业学校电子技能竞赛（学生组）考题

考题名称：环境湿度控制器
完成时间：4小时

一、原理简介

电路说明部分 二、装配及调试说明

三、电路所需器件介绍

一、元件筛选与测试（15分）

考题目录 考题答卷部分 二、电路焊接与组装（30分）

三、电路调试（40分）

电路设计软件PROTEL DXP 2004应用部分（15分）

学 校：
姓 名：
考 号：
工 位 号：

电路相关说明部分

一、原理简介
环境湿度控制器（以下简称湿度控制器）的组成原理如图1所示，印刷电路如图2所示。电路主要由湿敏电容、湿度/频率转换电路、基准脉冲发生电路、频率比较电路和湿度控制输出电路组成。
湿敏电容HS1101和TLC555等组成湿度/频率转换电路，转换电路将湿度物理量转换为与湿度大小相对应的脉冲频率；集成电路U3与外部RC元件组成基准脉冲发生器，经过12级分频后将信号输出；脉冲频率比较电路由U2和部分外围元件组成，频率比较电路接受来自湿度/频率转换电路和基准脉冲发生电路的信号，比较结果经D触发器锁存后输出驱动继电器K1吸合。
具体效果如下：对湿敏电容轻微哈气，使湿敏电容周围的相对湿度增大，湿度/频率转换电路输出频率降低，当脉冲频率低于设定值（对应相对湿度90％RH）时，湿度控制电路启动输出（K1 吸合，LED1点亮），停止对湿敏电容哈气，湿敏电容脱湿后（脱湿时间约20秒），湿度控制电路停止输出（K1 断开，LED1熄灭）。

二、装配及调试说明
注意：电路焊接完成，检查无误后，方可通电调试。
1、 外部接线
J1接入+5V、＋12V和GND工作电源。
2、 调试说明
（1） 调试目的，当湿度大于90％RH时，继电器K1吸合，反之K1断开。
（2） 湿度/频率转换电路。测量电路板TP-A点的频率，TP-A点的频率范围应该在6033Hz～7351Hz范围内，湿度与脉冲频率的关系见表1
RH
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
F
7351
7224
7100
6976
6853
6728
6600
6468
6330
6186
6033
注：555为典型的COMS类型，TLC555（RH：百分比相对湿度，F：频率Hz）
表1
（3） 基准频率调整。调节RP1可改变RC振荡频率，将RC振荡电路的振荡频率调整为6186Hz（对应相对湿度90％RH），如果我们把频率计的探头直接接入RC振荡电路，会严重引起振荡电路频率漂移，所有我们只能测量通过4级分频后的脉冲信号(TP-B点)，通过4级分频后的信号为6186÷16≈386Hz。
（4） 频率比较电路，对湿敏电容轻微哈气，使湿度增大，湿度转换电路输出频率降低，当TP-A点的频率小于TP-C点的频率时继电器K1吸合。

图1
三、电路所需器件介绍
1、 时基电路TLC555
TLC555与NE555参数基本相同，但TLC555为COMS结构，具有温漂小、内部分布参数小等优点。
TLC555是一块时基集成电路，它可以构成多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等，是一块用途广泛的集成电路。
TLC555集成电路管脚如图3，内部等效电路如图4。

图3 图4
TLC555引脚功能简介：
1脚：公共地端为负极。
2脚：低触发端TRIG，低于1／3电源电压时即导通。
3脚：输出端OUT，电流可达200mA。
4脚：强制复位端RESET，不用时可与电源正极相连或悬空。
5脚：用来调节比较器的基准电压，简称控制端CONT，不用时可悬空，或通过0.01μF电容器接地。
6脚：高触发端THRES，也称阈值端，高于2/3电源电压时即截止。
7脚：放电端DISCH。
8脚：电源正极VDD。

2、 湿敏电容HS1101
HS1101湿敏电容传感器外形如图5，它具有测量精度高、互换性好、工作稳定等特点，HS1101为容性器件，环境相对湿度在55％RH时，HS1101的典型容量为180pF，湿度－容量对应表见图6

图5 图6

图7为HS1101典型应用图

此电路为典型的555非稳态电路，HS1101作为电容变量接在555的TRIG与THRES两引脚上，引脚7用作电阻R4的短路，等量电容HS1101通过R2与R4充电到门限电压约0.67Vcc，通过R2放电到触发电平约0.33Vcc，然后R4通过引脚7短路到地，传感器由不同的电阻R4与R2充放电其循环工作。
输出频率表见表1

图7
3、 14位二进制串行计数器/分频器CD4060
CD4060 是由一振荡器和 14 级二进制串行计数位组成，振荡器的结构可以是 RC 或晶振电路，RERST 为高电平时，计数器清零且振荡器停止工作,所有的计数器均为主-从触发器,在 φo和φo的下降沿，计数器以二进制进行计数,在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟的上升和下降时间无限制。

图8为CD4060的引脚图，引脚功能如下：
φI      时钟输入端
φo        时钟输出端
φo    反向时钟输出端
图8
RESET 复位端
Q4-Q10,Q11-Q14  计数器输出端
Q14       第 14 级计数器反相输出端
VDD       正电源
VSS        地

CD4060的RC典型振荡电路如图9

CD4060 通过外部简单的RC元件，可实现RC振荡，其振荡频率计算公式为F=1/(2.3RC),输出方波频率可选，有2的4次方～10次方，12次方，13次方，14 次方。

图9

4、 双重数据触发器CD4013
CD4013是由具有置位（SET）和复位（RESET）功能的2个数据型触发器构成的，对数据输入施加的信息，以时钟输入的低电平读入，以高电平传输到输出端Q。置位和复位，通过把各自的输入做成高电平，能够独立地进行时钟输入。
图10为CD4013的引脚图，图11为CD4013的内部框图

图10 图11

一、元件筛选与测试(15分)

1、元件筛选（3分）
清点套件中元件，并进行测试筛选。套件中，电阻共 个，挑出适用的电阻 个；电容共______个，选出适用的电容 个，三极管共 个，还包括 仍 然 等元件。
2、元件测试（12分）
将下表中涉及元器件检测结果填入表中。
注意：质量判定填写“可用”、“断路”、“短路”、“漏电”
所使用的万用表型号为:____________________________
元 器 件
识别及检测内容
配分
评分标准
得分
电阻器

标称值(含误差)
测量值
测量档位
每支1分
错1项，该电阻不得分。

R9

电容器

标称值(µ f)
介质
质量判定
每支1分
共计2分
错1项，该电容不得分。

C3

C4

二极管

正向
电阻
反向
电阻
测量档位
质量判定
每支1分
共计2分
错1项，该二极管不得分。

D2

LED1

三极管

画外形示意图
标出管脚名称
电路符号
质量判定
每支1分
错1项，该三极管不得分。

Q3

继电器

画外形示意图
标出管脚名称
电路符号
质量判断
每支2分
错1项，该继电器不得分。

K1

元件挑选
全部元器件
元件应用正确

2分

检查电路板上安装的元件，装错、漏装或操作损坏元件扣1分/件。

万用表的
使用和维护
万用表正常使用和维护
操作全过程中，对万用表的使用逐工位检查
2分
各项操作方法不当及错误操作手法扣1分/项

二、焊接与组装电路（30分）

工艺要求：元件安装整齐、焊点美观（30分）
内 容
技术要求
配分
评分标准
得分
元器件引脚
1、引脚加工尺寸及成形应符合装配工艺要求。
4
1、检查成品，不符合要求的，每处每件扣0.5分/件。

2、根据监考记录，工具的不正确操作，每次扣0.5分。

元器件安装
2、高度及字标方向应符合工艺要求
4

焊点
3、焊点大小适中，无漏、假、虚、连焊，焊点光滑、圆润、干净，无毛刺。
4、焊盘不应脱落。
5、修脚长度适当，一致，美观。
9

制作信号测试口
6、将从其它元件上剪下的引脚线，焊接在测试点的焊盘上，高度为5mm。
1

支撑螺柱安装
7、电路板安装4颗支撑螺柱
1

安装质量
8、集成电路、二三极管等及导线安装均应符合工艺要求。
9、元器件安装牢固，排列整齐。
10、无烫伤和划伤处，整机清洁无污物。
6

常用工具的
使用和维护
11、电烙铁的正确使用。
12、钳口工具的正确使用和维护。
13、万用表正常使用和维护。
5

三、电路调试（40分）

1、 本电路功能完成（14分）
鉴定内容
技术要求
配分
评分标准
得分
实现功能
能实现湿度控制的功能，对湿敏电容哈气，当相对湿度超过90％RH(A点频率6186Hz)时，继电器K1启动。
14分
TP-A点有正常信号输出（4分）
TP-B点有正常信号输出（4分）
TP-D点有正常信号输出（3分）
U4 1脚有正常信号输出（1分）
继电器K1动作正常(2分)

2、 完成检测报告（18分）
（1）、利用仪器，检测A点和B点的输出频率，记录波形并填写下表：(14分)
（每个表共7分，其中波形1分，数据各1分）

在电路正常工作时,测量TP-A点的波形：
TP-A： 记录示波器波形
示 波 器
计数器
毫伏表
得分

时间档位：

幅度档位：

峰峰值：

频率：

周期：

测量交流电压：

测量K1吸合时TP-B点的波形：
TP-B： 记录示波器波形
示 波 器
计数器
毫伏表
得分

时间档位：

幅度档位：

峰峰值：

频率：

周期：

测量交流电压：

（2）、电路调试成功后
a、测量K1吸合时整机的总电流： 。（1分）
b、测量K1吸合时LED1的端电压： ，测量LED2的端电压 。（各0.5分，共1分）

c、K1释放时，测Q1、Q2各脚电压。（2分）
三极管
Q1
Q2
引脚
C
B
E
C
B
E
电位

3、 电路原理和故障分析
（1）试分析RP1开路时，电路会出现什么情况，为什么?(3分)

（2）、电路中由R16、R18、R7、Q3、Q4和D2组成的电路作用是什么，如果不用该网络直接把信号送到U2和U3会出现什么情况?（5分）

四、电路设计软件PROTEL DXP 2004应用
――温度控制电路设计（15分）
考生须知：
考生必须在D:盘以“准号证号”为名建立一个文件夹，并在该文件夹中以“准号证号”为名建立设计数据库文件，将所有答题放入设计数据库里。

试题（以下所有题目都以图12为依据）：

图12 温度控制器电路原理图
1、 制作元件（共2分）
建立原理图元件库文件，并在库中画元件RT1和K1。
2、 制作封装（共2分）
建立PCB元件库文件，并在库中画元件CON2和K1的封装。
要求：元件K1的封装如图x所示。外形尺寸及孔距如下图，焊盘直径为100mil，焊盘孔径为50mil。（1分）
元件CON1的封装如图x所示。外形尺寸及孔距如下图，焊盘直径为60mil，焊盘孔径为32mil。（1分）

图13 图14

3、 画原理图（共4分）
（1）建立名为WK的原理图文件，并设置原理图图纸尺寸为A4。（0.5分）
（2）画原理图（见图11），必须将自制元件符号用于原理图中。（3.5分）
4、 创建网络表文件（1分）
根据原理图创建网络表文件。
5、 PCB设计（6）
要求：元件布局合理，布线完整，外形尺寸合适。
说明：（1）、使用单面板或双面板；
（2）、外形尺寸根据需要调整；
（3）、合适信号线宽度。

Designator
Footprint
C4
RAD0.2
C1
RAD0.2
C3
RAD0.2
C2
RAD0.2
D1
DIODE0.4
D2
DIODE0.4
R6
AXIAL0.3
R5
AXIAL0.3
R1
AXIAL0.3
R3
AXIAL0.3
R2
AXIAL0.3
R7
AXIAL0.3
R4
AXIAL0.3
Q2
TO-92B
Q1
TO-92B
LED1
DIODE0.4
RT1
RB.2/.4
U1
DIP8
K1
自制
CON1、CON2
自制

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