电子工程设计报告——闭环温度控制系统(共24页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上电子工程设计报告题目：闭环温度控制系统设计单片机、AD、DA、显示键盘电路及系统软件 专 业：自动化小 组：12C姓名学号：李晓云（） 吕柳璇（）指导教师：张辉 完成日期：2012年4月23号摘 要随着电子产品向智能化和微型化不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器，并在检测和控制系统中得到广泛的应用，而温度作为工业控制中的一个很重要的参数，是系统常须测量、控制和保持的。本论文将从硬件和软件两个方面，介绍以8051单片机为核心的温度控制系统的组成和原理。关键词：8051单片机，A/D，D/A，键盘，显示，数码管。目 录一、背景与功能指标要求二、系统方案设

2、计2.1 单片机的介绍2.1.1 单片机的特点2.1.2 单片机的基本组成2.2 系统功能的确定2.3 ADC0804的介绍2.3.1 ADC0804的特点2.3.2 ADC0804 的引脚及功能2.4 DAC0832的介绍2.4.1 DAC0832的特点2.5 人机交互与串口通信三， 硬件电路设计 3.1 单片机电路设计3.1.1 单片机工作过程及原理 3.1.2 单片机设计基本要求 3.1.3 单片机选择 3.1.4 8051单片机最小系统组成 3.1.5 单片机功能扩展图 3.1.6 单片机系统应用电路 3.1.7 单片机电路的地址分配情况3.2 A/D电路设计与实现3.2.1 A/D电

3、路的基本要求3.2.2 ADC0804工作原理及特性3.2.3 A/D转换电路3.3 D/A电路设计与实现3.3.1 基本设计要求3.3.2 D/A 电路选择3.3.3 DAC0832电压转换电路3.3.4 DAC0832 与8051单片机的接口设计3.3.5 D/A转换电路图3.4 显示键盘电路3.4.1 显示电路3.4.2 键盘电路3.5电路调试3.5.1调试的原理与方法3.5.2调试的过程与数据一、背景与功能指标要求1） 设计背景随着电子产品向智能化和微型化不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器，并在检测和控制系统中得到广泛的应用，而温度作为工业控制中的一个很重要的参数，

4、是系统常须测量、控制和保持的。2) 功能指标要求:我们所设计的基于8051单片机的温度控制系统，以单片机作为核心部件进行检测控制，增强了设计的通用性，适时性。该系统能检测环境温度，并根据通过键盘输入设置好的温度在0100范围内相应地进行制冷或制热。3） 技术指标要求：此温度控制系统设计的是4*5的键盘，4位数码管显示，并且要求A/D的分辨率为8位，误差为±1LSB，转换时间为100s,要求D/A的分辨率为8位，误差为0.2%FSR，电流稳定时间为1s。控温范围0100，温度误差控制在±2左右。二、系统方案设计此温度控制系统由温度采集，4*5矩阵键盘输入，温度显示，温度控制执

5、行等四大模块组成。系统电路的总线如图1所示： 图1 系统电路的总线 2.1 单片机的介绍 随着单片机大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU，RAM，ROM，定时器/计数器和多重I/O口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早起的含义成为单片微型计算机，直译为单片机。2.1.1 单片机的特点 1，具有优异的性能价格比 2，集成度高、体积小、可靠性高 3，控制功能强 4，低电压、低功耗2.1.2 单片机的基本组成 1, 8051的管脚图如图2所示2， 8051的管脚功能P0口有三个功能1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0D7为数据总线接口） 2、外部扩展存储器时，当

6、作地址总线（如图1中的A0A7为地址总线接口） 3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； P3口有两个功能除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能。上拉电阻输入信号时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。 ALE/PROG 地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁

7、存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。 PORG为编程脉冲的输入端 在8051单片机内部有一

8、个4KB或8KB的程序存储器（ROM），通过编程脉冲输入输入端口PROG把编写好的程序存入进这个ROM中。 PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。 1、内部ROM读取时，PSEN不动作； 2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； 3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出； 4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。2.2 系统功能的确定 一个控制系统是否能被大众所接受，在于该控系统是否拥有人性化的操作功能。为了使本次的温度控制系统具有操作简单，灵活及高可靠性等特点，确定了该系统功能：4*5矩阵键盘输入温度采集温度

9、显示温度控制执行温度测量范围为0100，温度误差范围为±2。2.3 ADC0804的介绍ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片，具有MCU 兼容接口，使用方便，且价格低廉。2.3.1 ADC0804的特点ADC0804的分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为 5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路2.3.2 ADC0804 的引脚及功能 图3 ADC0804的管脚图各个管脚的作用： D0-D7：八位数字量输出端； CLK：为芯片工作提

10、供工作脉冲，时钟频率计算方式是：fCK=1/(1.1×R×C） CS：片选信号； WR：写信号输入端； RD：读信号输入端； INTR：转换完毕中断提供端； 其他管脚，是供电和提供参考电压的管脚输入端。2.4 DAC0832的介绍 DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。2.4.1 DAC0832的特点 由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。分辨率为8位；电流稳定时间1us； 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下

11、调整其线性度； 单一电源供电（+5V+15V）；低功耗20mW。2.4.1 DAC0832的内部结构、管脚图及引脚功能 1，DAC0832的内部结构、管脚图如图4所示： 图4 DAC0832内部结构、引脚图2，DAC0832引脚功能说明：* D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)； * ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； * CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效； * WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入

12、数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存； * XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效； * WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。 * IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； * IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数； * Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度； * Vcc：电源输入

13、端，Vcc的范围为+5V+15V； * VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V； * AGND：模拟信号地 * DGND：数字信号地2.5 人机交互与串口通信温度采集模块由温度传感器AD590完成，并通过串口通信技术，与单片机进行数据传输。4*5矩阵键盘输入模块采用外部中断0来判断是否有输入请求，并通过键盘扫描技术来获取所输入的温度值和偏差温度值，输入更灵活，更方便。温度显示模块通过4个7段LED数码显示管显示当前温度值和设定的温度，及时反映当前温度的变化与设置的温度的关系。温度控制执行模块系统根据当前温度自动进行响应的升温或降温的操作，在系统自动进行升温或降温处理的同时显

14、示响应的指示灯，让使用者知道系统正在进行的操作。 三、硬件电路设计3.1单片机电路设计3.1.1单片机工作过程及原理8051负责中心运算和控制，以及各个模块的协调工作。首先，AD590检测到环境温度并输送到变送器输出温度信号，经A/D转换器转换为数字信号后，将所得的数字信号传送于单片机微处理接口，单片机将所得信号与其检测到键盘的输入信号即设定温度值相比较得到偏差，再将偏差信号送于D/A转换器，继而控制驱动器进行加热或制冷。3.1.2 单片机设计基本要求片选信号：4个 ；地址信号：4个；数据总线：AD0AD7；I/O口线：P0口，P1口； 安装：独立电路板结构。3.1.3 单片机选择MCS-51

15、系列单片机有众多性能优异的兼容产品、成熟的开发环境、世界上最大的单片机客户群、高性价比、畅通的供货渠道。故我们采用8051.3.1.4 8051单片机最小系统组成 图5 8051单片机最小系统组成3.1.5功能扩展图（单片机为了完成更加复杂的工作必须进行功能扩展。） 图5 8051功能扩展框图3.1.6 单片机系统应用电路I/O端口不需要用地址进行访问定位，但仍然需要片选信号进行访问控制，I/O端口访问控制信号的产生方法包括：全地址译码、部分地址译码、地址信号线直接作为I/O选通信号（直接选择）。我们采用的是直接使用地址线作为读/写访问控制信号线的直接选通电路，电路图如图6所示。 图6 单片机

16、系统直接选通电路3.1.7 单片机电路的地址分配情况3.2 AD电路设计与实现3.2.1 A/D电路的基本要求输入信号范围： 0V+5V ； 分辨率： 8bit ；精度： 1LSB ； 转换时间： < 1ms； 安装：独立电路板结构3.2.2 ADC0804工作原理逐次逼近式A/D转换器基本工作原理如图7所示： 图7 逐次逼近式A/D转换器基本工作原理图模拟输入电压范围：0+5V，即0Vin+5V。使V逼近Vi的过程：开关状态： 1 0 1 1 （1011为用数字表示的模拟量）近似电压：ADC0804的转换结果与模拟输入电压的关系3.2.3 A/D转换电路图8 A/D转换电路图3.3 D

17、/A电路设计与实现3.3.1 基本设计要求：输入范围：00H 0FFH ； 对应输出： -10V+10V ； 误差： 1%FSR ； 响应时间： < 1ms； 电源供电： +5V，±12V； 安装：独立电路板结构。3.3.2 DAC0832 的工作原理DAC0832工作原理图如图9中所示：输出为电流，量值正比于 DATA最大电流输出最小电流变化图9 DAC0832工作原理图3.3.3 DAC0832电压转换电路（完整双极输出电流）双极性输出转换电路输出电压可为正或负极性。 图10 DAC0832电压转换电路3.3.4 DAC0832 与8051单片机的接口设计单缓冲电路设计3.

18、3.5 D/A转换电路图3.4 显示键盘电路3.4.1 显示电路显示电路基本原理图3-4-1 LED 数码显示器内部电路 LED数码管是将8个发光二极管封装而成的，每段为一发光二极管，其字形结构如图3-4-1左所示。选择不同字段发光，可显示出不同的字形。共阳极数码管：内部8个LED的阳极连接在一起作为公共引出端；只有在公共端接高电平时，该数码管才会亮。共阴极数码管：内部8个LED的阴极连接在一起作为公共引出端；只有在公共端接低电平时，该数码管才会亮。图3-4-2 本实验中用到2位数码管电路基本显示控制电路数码管的显示方法有两种：1）动态显示。一位一位地轮流点亮各位数码管的显示方式。 即在某一时

19、段，只选中一位数码管的“位选端”，并送出相应的字型编码，在下一时段按顺序选通另外一位数码管，并送出相应的字型编码。依此规律循环下去，即可使各位数码管分别间断地显示出相应的字符。这一过程称为动态扫描显示。（2）静态显示。指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或+5V（共阳极）。每个数码管的八个位段分别与一个八位I/O端口相连。I/O端口只要有字型码输出，数码管就显示给定字符，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。2种方案相比：动态显示：电路简单，成本低，但控制程序复杂，适用于显示位数较多的场合。静态显示：使用的元件多，成本相对较高

20、。但是每位独立控制，程序设计比较简单，适用于显示位数较少的场合。综上所述采用静态扫描显示控制电路。如图3-4-3右侧所示 图3-4-3 显示键盘电路图其中74LS273与数码管的电路改为图3-4-4 图3-4-4 显示板焊接图 74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。第一脚WR：主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；CP（CLK）：触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0D7的数据不变。74LS138即38译码

21、器，输入端A2A0组成的三位2进制数是多少，相应的输出Y为低电平，其他为高电平。如A2A0：111，即7，则Y7输出为低电平，其他为高电平。3.4.2 键盘电路按键状态读取方案有两种：其中直读键盘电路方案：按键较多时，成本高，控制程序较简单，适用于按键较少的场合。矩阵键盘电路方案：按键较多时，成本低，控制程序较直读电路复杂，适用于显示位数较多的场合。实验所提供的是键盘电路，其工作原理图如图3-4-5 图3-4-5 键盘实现方案也有两种：其中先写后读方案需要的芯片74LS273及74LS244各一，仅读操作方案需要芯片74LS138及74LS244各一，其中74LS138可与显示电路的共用，使电

22、路简单化，因此选择仅读方案，电路图如图3-4-3左侧所示。74LS244主要用于三态输出，作为地址驱动器、时钟驱动器、总线驱动器和定向发送器等。其真值表如图3-4-6： 图3-4-674LS244引脚图及引脚功能：1A11A4,2A12A4：输入端； /1G, /2G： 三态允许端(低电平有效)；1Y11Y4,2Y12Y4：输出端。图3-4-7 74LS244逻辑引脚功能图3.5电路调试3.5.1调试的原理与方法（一）单片机调试原理如图3-5-1.1所示： 图3-5-1.1调试方法：断开P2口负载，运行测试程序，检查P2口各引脚输出是否正常；电路故障及其现象：一旦出现故障，其原因明确

23、，只有 2 种情况：信号线漏接或仿真器输出有问题。解决办法：（1）接上信号线；（2）修改设置；重启电脑或程序（二）AD电路调试方法：调整变送器电路在正常工作状态，连接变送器输出至模/数转换电路输入。运行测试程序，改变调试台温度设置值，检查单片机采集到的数据是否正确，如果不正确按照故障诊断预案进行诊断分析，并且排除故障。改变设置温度，运行A/D测试程序，检查模/数转换结果。在调试台上通过+10按键不断改变温度数值。运行C调试程序，观察变量窗口，相应变量应在00FF之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。电路故障检测方法：检查/INTR引脚有无脉冲信号输出:(1)有脉冲信号输出，表明ADC0804

24、工作正常: 查数据线是否漏接， 若A/D转换结果数值不随设置温度正比变化检查数据线是否错接；查Vin(-)是否接GND；查 Vin(+)是否有变化，如无变化，逆向检查直至变送器输出。 (2)无脉冲信号输出，表明ADC0804未正常工作: 查电源是否正确连接;若电源连接正常，查CLK-IN引脚是否有锯齿波信号输出，若没有输出检查相关元件连接是否正确，若频率过高（正常约为640KHz）检查元件参数是否有误。如果元件连接及元件参数无误仍无信号输出，则ADC0804损坏; 若CLK-IN引脚有正常的锯齿波信号输出，可修改测试程序，将延时子程序或延时函数去掉，加快程序循环的时间，检查转换控制信号/C2、

25、/WR和数据读取控制信号/C2、/RD是否正常。若上述控制信号正常，则可能是ADC0804损坏。/RD,/WR接反也可能导致电路不能正常工作.用于检查控制信号的简化C程序如下：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#define C2 XBYTE0xD000void main(void) unsigned char x; while(1) C2=x; x=C2;（三）DA电路调试方法：断开电路负载，运行测试程序，检查各节点信号是否正确。如果有问题，按照故障诊断预案进行诊断分析，并且排除故障。 运行D/A测试程序数/模数据显示窗口将有相应数

26、据显示,数据为从00FF顺序递增并不断循环的数值;第一级运放正常输出信号波形;D/A电路各主要节点正常输出信号波形。3.5.2调试的过程与数据（一）单片机调试系统包括JTAG适配器、单片机模块和单片机系统电路电路板三个部分。 JTAG适配器由USB接口供电，单片机模块和单片机系统板由自制稳压电源供电。不得带电插拔电路。正确的加电顺序是：被测电路先加电，适配器后加电。连接方法如图3-5-2.1所示。 图3-5-2.1 调试接线图所用仪器：JTAG适配器；单片机应用系统板；150MHz数字双踪示波器。直接选通电路 A1 A4 信号的测试汇编语言测试程序 MCUtest2.asm$include (

27、C8051F020.inc)LOOP: LCALL Init_Device MOV DPTR, #0EE00H MOVX DPTR , A MOV DPTR, #0DD00H MOVX DPTR , A MOV DPTR, #0BB00H MOVX DPTR , A MOV DPTR, #07700H MOVX DPTR , A SJMP LOOP$include (Init_Device.inc) END输出波形图与下图近似： 图3-5-2.2 直接选通输出波形图（二）AD电路所用仪器：单片机仿真器；单片机应用系统板；模/数转换电路板；变送器电路板；40MHz双踪示波器。连接方法如图3-5-

28、2.3所示。图3-5-2.3 AD调试连接图A/D调试C程序#include "C8051F020.h"#include "absacc.h"#include "data_define.c"#define C2 XBYTE0xD000#define TIMER 0x1000#include "Init_Device.c"void delay (void);void main (void) unsigned char x; Init_Device(); while(1) C2=x; delay(); x=C2; delay(); void