北工大电子工程设计报告(小型温度控制系统)

'电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组电子工程设计报告题目：温度测量系统/闭环温度控制系统设计专业：电子科学与技术小组：第8小组姓名学号：王丹阳11023224覃业泰11023226李赉龙11023228指导教师：高新完成日期：2013.12.1529 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组中文摘要本电子工程设计的任务是完成一套小型的温度测量与控制系统。这个系统需要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、数据处理、人机交互、数据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所有设计环节。其中包含有三个阶段。本报告为第二阶段内容，在第一阶段电源模块、变送器模块，驱动器模块的基础上，又包含：单片机模块的设计与实现；数模转换模块的设计与实现；模数转换模块的设计与实现；键盘显示模块的设计与实现。在上述七个模块的基础上，通过软件设计完成环境温度的显示与闭环温度控制两大功能。并通过键盘很方便的进行两大功能的自由切换和目标控制温度的设定。本报告针对以上模块分别详细给出了设计要求、方案设计、电路设计、原理分析、电路调试、电路故障等方面的内容，以完整反映实验过程。关键词【关键词】单片机；温度；闭环控制29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组目录中文摘要1关键词11课题背景41.1课题背景41.2设计概述42简单电路的模块化设计与实现52.1单片机应用电路设计与实现52.1.1基本要求52.1.2设计方案52.1.3单片机系统的调试72.1.4调试中遇到的问题92.2模/数转换电路设计与实现92.2.1实验要求92.2.2设计方案92.2.3电路主要参数计算102.2.4模数转换电路模块的调试122.3显示与键盘控制电路设计与实现132.3.1基本要求：132.3.2设计方案：132.3.3显示模块模块的调试142.3.4键盘模块的调试162.4数/模(D/A)转换电路设计与实现172.4.1基本要求：1729 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组2.4.2设计方案172.4.3数模转换模块的调试193整体电路的调试与功能实现213.1环境温度显示功能的实现213.2闭环温度控制功能的实现22附录23附录一、环境温度显示源程序23附录二、温度闭环控制源程序24附录三、参考文献2829 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组1课题背景1.1课题背景在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，需要准确地加以控制。因此以温度作为被控制量的反馈控制系统广泛的应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。目前，温度控制系统是应用最广泛的闭环控制系统，不但走进了工厂，而且走进了千家万户，为老百姓服务。本课程通过对闭环温度控制系统的设计与实现，逐步掌握系统的设计方法与设计流程，掌握单片机应用系统的设计与调试，并锻炼在调试中发现问题、解决问题的能力。1.2设计概述本报告所涉及的小型温度控制系统为教学实验系统，所以只提出功能、指标和采用元件的设计要求。(1)温度控制范围：0℃~100℃(2)测温元件：半导体温度传感器AD592(3)温度控制执行元件：半导体制冷片(4)核心控制部件：C8051F系列单片机小型温度控制系统基本组成如图所示：图1.1系统整体功能框图29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组需要说明的是本报告是在第一阶段——简单电路的模块化实现的基础上，通过更加复杂电路的设计与实现，并配合相关软件设计，共同完成温度控制任务。一般来说一个比较复杂的电路系统，可以按照电路实现的功能或电路的类型分为若干个模块。其中有些模块与其它模块之间的界面清晰，入口参数和出口参数明确，能够独立工作，这类电路模块可以称之为独立电路模块。为了简化系统电路的设计工作，并且使系统便于组装、调试，这类电路模块可以单独进行设计、实现和调试、检测。本阶段的设计任务仍然采取模块化的方法，分模块进行设计与焊接、调试。这样可以有效降低模块设计的难度，分模块调试，也是调试更加方便，降低了系统失败的风险。本阶段上上阶段已完成电源模块、变送器模块和驱动器模块的设计与实现的基础上。继续完成单片机模块、AD模块、DA模块、键盘显示模块的设计与实现。并在各模块的基础上完成软件设计，实现环境温度的采集与显示，环境温度的闭环控制两大功能，成功完成了预期目标。2简单电路的模块化设计与实现2.1单片机应用电路设计与实现2.1.1基本要求片选信号：6个地址信号：4个数据总线：AD0~AD7控制信号：WR，RD安装：独立电路板结构2.1.2设计方案采用以MCS-51（C8051F023）为核心的单片机做为控制芯片。MCS-51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，是初学者的首选机型。本电路直接采用成品单片机最小系统版，最小系统版内置晶振与复位电路，可以简化设计，方便焊接，也增加了设计与实现的成功率。是单片机模块更加可靠。29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组图2.1典型的51单片机的最小系统电路图本次设计采取总线结构，把单片机的P1口作为数据总线接口，P1、P2口联合使用作为地址总线接口。通过总线结构设计，可以有效减轻软件设计难度，也是单片机控制的多个功能部件更加协调一致的工作。图2.2单片机总线设计框图如图2.2所示，控制系统在数据/地址传输上采用数据/地址分离设计；在控制上采用部分译码电路。数据/地址分离电路设计：单片机模块P3口为数据/地址复用端口，为了得到低8位地址，采用74LS373锁存器构成典型的数据/地址分离电路。地址译码电路设计：采用74LS138构成部分译码电路。具体电路图如下：29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组图2.3单片机系统设计电路图为便于各模块协调一致的工作，电路设计统一接口模式，方便调试与查错，单片机模块安装接口如图2.4所示。图2.4单片机模块装结构图2.1.3单片机系统的调试调试平台：电子工程设计训练调试台调试内容：地址译码电路输出检测29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组适用电路：部分地址译码电路测试设备：JTAG适配器单片机应用系统板150MHz数字双踪示波器调试方法：1、检查电路连线无误后，将电路板安装在测试台上2、断开译码电路负载，运行测试程序，检查各输出引脚是否有输出，各个输出之间相对位置关系是否正确；3、用示波器观察CS0~CS5引脚，应有图示的波形输出。如果没有输出或者彼此关系错乱，都表明电路中存在故障。CS0~CS5输出波形图如图2.5所示：CS0：CS1:CS2:CS3:图2.5单片机模块调试波形图调试程序：#include"C8051F020.h"#include"absacc.h"#include"data_define.c"#defineC1XBYTE[0x0000]#defineC2XBYTE[0x2000]#defineC3XBYTE[0x4000]#defineC4XBYTE[0x6000]#include"Init_Device.c"voidmain(void){Init_Device();while(1){C1=0;C2=0;C3=0;C4=0;}}29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组2.1.4调试中遇到的问题刚开始调试的时候，我们用示波器观察CS0~CS5的波形，但是并没有得到正确的波形。后经检查，发现老师提供的测试程序的译码地址与我们的硬件电路并不匹配，查电路设计图后，修改程序译码地址，最终得到正确波形。完成了单片机模块的设计与调试。表2.1常见故障及原因故障现象故障原因输出全部没有变化74LS373未接电源输出全部没有变化74LS373漏接+5V输出全部没有变化74LS373漏接地线输出全部没有变化未接ALE或ALE无效输出关系混乱AD0~AD3接错对应引脚无输出AD0~AD3漏接2.2模/数转换电路设计与实现2.2.1实验要求输入信号范围：0V~+5V分辨率：8bit精度：1LSB转换时间：<1ms安装：独立电路板结构2.2.2设计方案本次设计AD转换电路采用芯片ADC0804，芯片主要参数如下：工作电压：+5V，即VCC=+5V。模拟输入电压范围：0～+5V，即0≤Vin≤+5V。分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0～255之间。29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组转换时间：100us（fCK=640KHz时）。转换误差：±1LSB。参考电压：2.5V，即Vref=2.5V。模数转换器，是将模拟电信号转变成计算机能识别的数字信号。在模数转换中，应根据测量精度要求，考虑转换电路的精度和分辨率，并力求降低成本。模数转换有多种方法可以实现，如采用电压/频率变换器，以频率或脉宽来计算温度，也可以采用A/D变换器或其它方法。如采用A/D变换器，应考虑转换器输入阻抗和变送器输出阻抗对信号的衰减可能引起的测试误差，并尽量降低这一误差。板间连接应注意保护。根据课设要求，温度0～100的变化是用电压0～5V表示的，转成数字表示，即0～FFH。AD电路模块电路图如图2.6所示图2.6AD模块工作的时序图如图2.7所示。图2.72.2.3电路主要参数计算29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组(1)转换精度：A/D转换器也采用分辨率和转换误差来描述转换精度。分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制码最低有效位（LSB）时，输入模拟量的最小变化量。他反映了A/D转换器对输入模拟量微小变化的分辨能力。在最大输入电压一定时，位数越多，量化单位越小，分辨率越高。转换误差通常用输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示，反映A/D转换器实际输出数字量和理论输出数字量之间的差异。(2)转换时间：转换时间是指转换控制信号（vL）到来，到A/D转换器输出端得到稳定的数字量所需要的时间。转换时间与A/D转换器类型有关，並行比较型一般在几十个纳秒，逐次比较型在几十个微秒，双积分型在几十个毫秒数量级。实际应用中，应根据数据位数、输入信号极性与范围、精度要求和采样频率等几个方面综合考虑A/D转换器的选用。(3)8位数模转换电路主要技术指标：分辨率---8位：表示能够分辨的最小电压变化DATA为1时的Vi表示最小电压变化误差---±1LSB转换时间---100微秒为便于各模块协调一致的工作，电路设计统一接口模式，方便调试与查错，模数装换模块安装接口如图2.8所示。29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组图2.8模数转换电路安装结构图2.2.4模数转换电路模块的调试改变设置温度，运行A/D测试程序，检查模/数转换结果。一般为0~5伏特之间改变，相应数为0~255.调试源程序为：#include"C8051F020.h"#include"absacc.h"#include"data_define.c"#defineCS1XBYTE[0x2000]#defineTIMER0x8000#include"Init_Device.c"voiddelay(void);voidmain(void){unsignedcharx;Init_Device();while(1){CS1=x;delay();x=CS1;delay();}}29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组voiddelay(void){unsignedinti;for(i=0;i9){hr=9;if(lr<1)lr=9;}display(hr,lr);delay();delay();delay();/*测温程序段*/unsignedcharnum1,num2;unsignedchardp[4];unsignedcharoutput,input;signedchardnum;DP1=DP2=DP3=DP4=0xff;Init_Device();aa:keyboard(dp);//Setanddisplaytheaimedtemperaturenum1=dp[3]*10+dp[4];do{C1=input;delay();input=C1;num2=(input*100)/256;display(1,num2/10);display(2,num2%10);//Displaycurrenttemperature29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组dnum=num1-num2;if(dnum>0){if(dnum>1)output=255;elseoutput=128-dnum;}else{if(dnum<-1)output=0;elseoutput=128-dnum;}C2=output;//OutputC2}while(dnum!=0);gotoaa;}}}unsignedcharkeyboard(unsignedchar*dp){unsignedcharcol,row,r_state,temp,c,i=1;intkey;do{key=0x0004;for(row=0;row<4;row++,key++){c=XBYTE[key];if(r_state=~c&0x1f){for(col=0,temp=0x01;col<4;++col,temp=temp<<1)if((r_state&temp)!=0){i++;if(keymatrix[row][col]=="A")return0;dp[3+i%2]=keymatrix[row][col];display(3+i%2,keymatrix[row][col]);delay();delay();delay();delay();delay();delay();delay();delay();}}}}while(1);}unsignedcharkey_scan(void){unsignedcharl_val,r_val,r_state,temp,conter,x,c;unsignedcharre_key=0;29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组unsignedinttab=0;intkey;Init_Device();while(1){key=0x0008;for(x=1;x<5;x++,key=key+2){c=XBYTE[key];if(r_state=~c&0x1f){for(conter=1,temp=0x01;conter<6;++conter,temp=temp<<1)if((r_state&temp)!=0){r_val=conter;l_val=x;re_key=10*l_val+r_val;tab=1;break;}}if(tab==1){break;}}if(tab==1){break;}}returnre_key;}unsignedcharconvert(unsignedchara){unsignedcharret;switch(a){case11:ret=0;break;case12:ret=1;break;case13:ret=2;break;case14:ret=3;break;case21:ret=4;break;case22:ret=5;break;case23:ret=6;break;case24:ret=7;break;case31:ret=8;break;case32:ret=9;break;default:break;}returnret;}29 电子工程设计Ⅱ实验报告110232班8组voiddelay(void){unsignedlonginti;for(i=0;i<0x8000;++i);}voiddisplay(unsignedcharx,unsignedchary){DP1=table1[x];DP2=table2[y];}voiddelay(void){unsignedchardatai,j;for(i=0;i