北京工業(yè)大學(xué)電子工程設(shè)計(jì)-二階實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

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電子工程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目：溫度測量系統(tǒng)/閉環(huán)溫度控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)： 電子科學(xué)與技術(shù) 小組： 7 姓名： 學(xué)號(hào)： 袁彬 11023221 賴力 11023222 指導(dǎo)教師： 高新 完成日期：2013.12.12 目錄 一、摘要 3 二 、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 3 （二）、設(shè)計(jì)要求 4 (三)單片機(jī) 5 （一）、電路工作原理及主要元件的功能 5 （二）、電路的調(diào)試 9 四 數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路 10 （一）、電路工作原理及主要元件功能 10 （二）、電路主要參數(shù)計(jì)算 12 (三)、電路調(diào)試 12 五、 模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路 13 （一）、ADC0804芯片介紹 13 （二）、電路主要參數(shù)計(jì)算 14 （三）、電路調(diào)試 15 六、電路顯示與鍵盤控制電路 16 （一）、電路工作原理 16 (二).電路調(diào)試 19 七、溫度測量 22 八、 心得體會(huì) 25 九、附錄 26 一、摘要 在上學(xué)期我們完成了溫度控制系統(tǒng)的第一階段，在這一階段，我們完成了焊接包括電源板、驅(qū)動(dòng)器和變送器在內(nèi)的一些工作。也為我們這次的第二階段做好了準(zhǔn)備。通過上學(xué)期的準(zhǔn)備，我們對(duì)焊接電路已經(jīng)基本上熟練掌握了，對(duì)一些電路的原理和設(shè)計(jì)也都達(dá)到了必要的要求，正是基于此我們目前已經(jīng)完成了第二階段的所有內(nèi)容。下面就主要介紹一下我們第二階段的工作。 二 、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)小型溫度測量與控制系統(tǒng) --- 典型電子系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)器 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 后向通道 1.電路設(shè)計(jì) ⑴ 核心單元—單片機(jī)應(yīng)用電路 ⑵ 模擬量接口—A/D、D/A 電路 ⑶ 人機(jī)交互單元—顯示、鍵盤控制電路 2.程序設(shè)計(jì) ⑴ 控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集 ⑵ 控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換改變控溫元件工作狀態(tài)，進(jìn)行溫度控制。 ⑶ 控制鍵盤與顯示器，進(jìn)行控制溫度設(shè)定和測量溫度顯示。 ⑷ 將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為顯示溫度數(shù)值的算法程序。 (5)控制溫度精確、平穩(wěn)變化的的算法程序。 3.系統(tǒng)聯(lián)調(diào) ⑴ 電路系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，配合測試程序?qū)崿F(xiàn)基本的測溫、控溫功能。 ⑵ 程序聯(lián)調(diào)，通過電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確、平穩(wěn)的溫度控制 4.本學(xué)期關(guān)注的重點(diǎn) ⑴ 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠精確、穩(wěn)定控制溫度的系統(tǒng)。 ⑵ 知道了一個(gè)典型的電子系統(tǒng)應(yīng)該具備哪些主要功能 ⑶ 知道了一個(gè)典型電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程和工作方法。 ⑷ 知道如何設(shè)計(jì)測試方法、創(chuàng)造測試條件，對(duì)設(shè)計(jì)完成的電路模塊或電路系統(tǒng)進(jìn)行測試，使電路或系統(tǒng)的功能、指標(biāo)充分展現(xiàn)。 ⑸ 設(shè)計(jì)組裝的電路系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能夠根據(jù)電路或系統(tǒng)的工作原理、自己掌握的專業(yè)知識(shí)以及積累的經(jīng)驗(yàn)，快速確定故障范圍和故障原因。 ⑹ 掌握電路的設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)、計(jì)算實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)要求。 （二）、設(shè)計(jì)要求 1． 溫度測量范圍：0C ~ +100C。 2． 溫度測量誤差：不大于 2C 3． 單片機(jī)：具有獨(dú)立電路板結(jié)構(gòu)。 片選信號(hào)：4個(gè)， 地址信號(hào)：4個(gè)， 數(shù)據(jù)總線：AD0~AD7， I/O口線：P3口，P1口。 4． 數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路：具有獨(dú)立電路板結(jié)構(gòu)。 輸入范圍：00H ~ 0FFH， 對(duì)應(yīng)輸出：-10V~+10V， 誤差：1%，響應(yīng)時(shí)間：< 1ms， 電源供電：+5V，12V。 5． 模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路: 獨(dú)立電路板結(jié)構(gòu) 輸入信號(hào)范圍： 0V~+5V 分辨率： 8bit 精度：1LSB 轉(zhuǎn)換時(shí)間：< 1ms 6． 顯示與鍵盤控制電路: 4 位7 段數(shù)碼顯示， 前 3 位含小數(shù)點(diǎn)獨(dú)立電路板安裝結(jié)構(gòu) 0 ~ 9數(shù)字輸入鍵及若干功能設(shè)置按鍵控制 (三)單片機(jī) （一）、電路工作原理及主要元件的功能 1，芯片的介紹和參數(shù) MCS-51系列單片機(jī)性能優(yōu)異，因此單片機(jī)芯片采用MCS-51系列中的89C51。 在單片機(jī)的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復(fù)用的引腳，32條輸入/輸出（I/O）引腳。 下面按其引腳功能分為四部分?jǐn)⑹鲞@40條引腳的功能。 1) 主電源引腳VCC和VSS： VCC——（40腳）接+5V電壓； VSS——（20腳）接地。 2) 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2： XTAL1（19腳）接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)HMOS單片機(jī)，此引腳應(yīng)接地；對(duì)CMOS單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。 XTAL2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)HMOS單片機(jī)，該引腳接外部振蕩器的信號(hào)，即把外部振蕩器的信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端；對(duì)XHMOS，此引腳應(yīng)懸浮。 3) 控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP： RST/VPD（9腳）當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG（30腳）：當(dāng)訪問外部存貯器時(shí)，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。 PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP（31腳）：當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過0FFFH（對(duì)851/8751/80C51）或1FFFH（對(duì)8052）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根）： P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲(chǔ)器時(shí)，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型的TTL負(fù)載。 P1口（1腳至8腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。對(duì)8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時(shí)/計(jì)數(shù)器的 P2口（21腳至28腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它可以作為擴(kuò)展電路高8位地址總線送出高8位地址。 P3口（10腳至17腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個(gè)引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口。 2、電路方案的比較、選擇和確定 全部地址參與譯碼，產(chǎn)生的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)唯一地址。部分地址參與譯碼，產(chǎn)生的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)某一地址區(qū)域，而不是唯一地址。部分地址參與譯碼，產(chǎn)生的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)某一地址區(qū)域，而不是唯一地址。 三種電路方案 （1） 部分地址譯碼、帶有總線驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)某一地址區(qū)域。 圖示部分地址譯碼、帶有總線驅(qū)動(dòng)電路 （2）部分地址譯碼、無總線驅(qū)動(dòng)電路 圖示部分地址譯碼，無總線驅(qū)動(dòng)電路 （3）直接選通、不要低8位地址和驅(qū)動(dòng)電路 因?yàn)檫@個(gè)方案的片選信號(hào)與地址之間并不是線性關(guān)系，所以使用 該方案需要熟練掌握片選信號(hào)與地址之間的關(guān)系計(jì)算。 （4）電路方案的確定 通過比較，我們最后選定相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的部分地址譯碼，無總線驅(qū)動(dòng)的方案， 因?yàn)檫@樣可以簡化電路。電路圖如下： 單片機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 單片機(jī)電路 （二）、電路的調(diào)試 1．按照電路圖將電路板焊接完畢，過程中需要嚴(yán)格檢查焊接線路是否正確，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤。 2．測試時(shí)，將電源板放到相應(yīng)位置。將單片機(jī)正確插入，然后將仿真頭與單片機(jī)電路連接（注意缺口標(biāo)志要對(duì)應(yīng)）再把仿真器連好。 3．?dāng)嚅_譯碼電路負(fù)載，運(yùn)行測試程序，檢查各輸出引腳是否有輸出， 各個(gè) 輸出之間相對(duì)位置關(guān)系是否正確；以下是單片機(jī)測試的程序： #include "C8051F020.h" #include "absacc.h“ #include "data_define.c" #define CS0 XBYTE[0x0000] #define CS1 XBYTE[0x2000] #define CS2 XBYTE[0x4000] #define CS3 XBYTE[0x6000] #define CS4 XBYTE[0x8000] #define CS5 XBYTE[0xA000] #include "Init_Device.c" void main(void) { Init_Device(); while(1) { CS0=0; CS1=0; CS2=0; CS3=0; CS4=0; CS5=0; } } 正確輸出波形如圖所示： 用示波器觀察C1~ C4引腳，應(yīng)有圖示的波形輸出。如果沒有輸出或者彼此關(guān)系錯(cuò)亂，都表明電路中存在故障。 四 數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路 （一）、電路工作原理及主要元件功能 1、DAC8032芯片介紹 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是整個(gè)控制系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)的重要部件，它的特性直接影響溫度轉(zhuǎn)換的精度。其轉(zhuǎn)換的精度主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和Vref。根據(jù)結(jié)合電子工程設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，結(jié)合高性價(jià)比的原則我們選擇了8位D/A轉(zhuǎn)換器 DAC0832。 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品種類繁多，按其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)一般可分為兩類：一類集成芯片內(nèi)部只集成了轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和模擬電子開關(guān)；另一類則集成了組成D/A轉(zhuǎn)換器的所有電路。本實(shí)驗(yàn)選用DA0832，各引腳名稱及作用如下： D7～D0：具有三態(tài)特性數(shù)字信號(hào)輸出。 GND：信號(hào)地。 CS：低電平有效的片選端。 WR：寫信號(hào)輸入，低電平啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。 RD：讀信號(hào)輸入，低電平輸出端有效。 VREF：參考電平輸入，決定量化單位。 2、原理說明 （1）、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，可以將數(shù)字電量轉(zhuǎn)換成模擬電量。在數(shù)模轉(zhuǎn)換中，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換要求，考慮輸出電壓的分辨率和精度。 （2）、數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方法可以實(shí)現(xiàn)，在滿足要求的情況下，應(yīng)力求降低成本。可以采用頻率/電壓變換的方法，也可以采用D/A變換器或其它方法，如采用D/A變換器，建議使用DAC0832。（00－FF）數(shù)字對(duì)應(yīng)于（－10V～＋10V）電壓。 3.電路的選擇 輸出方式：與數(shù)字量成比例的電流輸出/與數(shù)字量成比例的電壓輸出/數(shù)字量和參考電壓的相乘輸出。 我們組選擇的電路如圖： 本實(shí)驗(yàn)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓為－10V～＋10V電壓。因此，在DA的外圍電路上，我們連接了一個(gè)放大器。放大器的作用是將DAC0832的輸出電流轉(zhuǎn)化成電壓，通過合理調(diào)整兩個(gè)滑動(dòng)變阻器的阻值，可以調(diào)整輸出電壓的大小，即使D/A的輸出從0～5V變?yōu)椋?0V～10V。 安裝結(jié)構(gòu)圖 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路 （二）、電路主要參數(shù)計(jì)算 D/A轉(zhuǎn)換器用于將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，他的輸入糧食數(shù)字量D，輸出量為模擬量VO，要求輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量成正比，即： 其中VR為基準(zhǔn)電壓。 其中，，，…，是輸入的數(shù)字量代碼；n是輸入數(shù)字量的位數(shù)。 將D帶入得到：。該式說明，將輸入的每一位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的模擬量，把各位對(duì)應(yīng)的模擬量相加就可得到該數(shù)字兩所對(duì)應(yīng)的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出與數(shù)字量輸入成正比。 (三)、電路調(diào)試 調(diào)試方法：斷開電路負(fù)載，運(yùn)行測試程序，檢查各節(jié)點(diǎn)信號(hào)是否正確。 1．焊接完畢，而后再次認(rèn)真查線一遍然后再開始測試。 2．測試時(shí)，將電源板，單片機(jī)，數(shù)模電路正確連接。按正確加電順序供電，如果一切正?？梢蚤_始進(jìn)一步的測試。 3．運(yùn)行D/A測試程序數(shù)/模數(shù)據(jù)顯示窗口將有相應(yīng)，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)為從00—FF順序遞增并不斷循環(huán)。另外輸出管腳會(huì)有鋸齒波。 測試程序如下： #include "C8051F020.h" #include "absacc.h" #include "data_define.c" #define C3 XBYTE[0x4000] #define TIMER 0x8000 #include "Init_Device.c" void delay(void); void main(void) { unsigned char x; Init_Device(); while(1) { ++x; C3=x; delay(); } } void delay(void) { int i; for(i=0;i0) { if(dnum==1) output=128+20; else output=250; } else if(dnum<0) { if(dnum==-1) output=128-20; else output=5; } else output=128; return output; } void main(void) { unsigned char num1,num2; unsigned char dp[4]; unsigned char temperature,input; DP1=DP2=DP3=DP4=0xff; Init_Device(); aa:keyboard(dp);//Set and display the aimed temperature num1=dp[3]*10+dp[4]; temperature=num1*255/100; flag=0; do { C1=input; delay(); input=C1;//Read the current temperature delay(); num2=(input*100)/256; display(1,num2/10); display(2,num2%10);//Display current temperature C2=OUT(temperature,input);//Output C2 if(scan(key)==B) break; }while(1); goto aa; } 3.調(diào)試過程：連接電路并運(yùn)行程序。觀察測溫系統(tǒng)數(shù)字顯示，應(yīng)跟隨調(diào)試臺(tái)設(shè)置溫度變化并與調(diào)試臺(tái)設(shè)置溫度接近。若測量溫度與設(shè)置溫度相差過大的調(diào)試，則需調(diào)整變送器。調(diào)試臺(tái)設(shè)置低端溫度，變送器進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，調(diào)試臺(tái)設(shè)置高端溫度，變送器進(jìn)行滿度校準(zhǔn)。 以下是我們的實(shí)驗(yàn)截圖： 八、 心得體會(huì) 第二階段我們一共完成了測溫系統(tǒng)中的單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換，顯示鍵盤電路一共四塊電路板。雖然有了第一階段的一些經(jīng)驗(yàn)積累，沒有那么手忙腳亂，但是這四塊板子的難度相比第一階段來說是更加的高。第二階段我們主要面臨的問題有以下幾點(diǎn)。 第一點(diǎn)就是電路板需要焊接的線數(shù)量非常大，非常密集。這就意味著排線的難度大幅增加，同時(shí)在焊接過程中很容易出現(xiàn)失誤。在單片機(jī)這塊的焊接中，我們就出現(xiàn)了把芯管腳搞反，結(jié)果在插針焊接的時(shí)候錯(cuò)了很多，要更改起來特別困難。另外在布線的結(jié)構(gòu)上我們也存在很大的問題，這就讓焊接的線變得很多很亂，在測試電路的時(shí)候出現(xiàn)問題，查線排除故障進(jìn)行的非常緩慢。另外在顯示鍵盤電路這塊板子上，一開始四個(gè)數(shù)碼管只有兩個(gè)亮，我們以為是數(shù)碼管的問題，但更換之后問題依然存在。于是再進(jìn)行電路檢查，查了三四遍線路都認(rèn)為沒有問題這讓我們覺得非常奇怪，后來在和其他組同學(xué)的電路板對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)少了兩根地線沒有接，還是我們焊接時(shí)候的粗心大意造成的。還有就是有些芯片的GND管腳沒有標(biāo)在管腳圖上，也被我們忽略了，這是缺乏經(jīng)驗(yàn)的緣故。 最讓我們組頭痛的就是測溫系統(tǒng)，將6塊板子組合在一起進(jìn)行測試。在之前我們每塊板子單個(gè)都通過了測試，可是沒有想到進(jìn)行測溫系統(tǒng)測試的時(shí)候竟然沒有成功。經(jīng)過推斷我們認(rèn)為問題肯定是出現(xiàn)在單片機(jī)上，但是不論是查線還是測試輸出波形都查不出問題所在。在我們非常著急頭痛走投無路的時(shí)候，老師給予了我們巨大的幫助。在老師的測試下，一針見血的指出了A2管腳的線路有問題，經(jīng)過檢查果然如此，修正了電路之后果然就顯示了正確的結(jié)果。 最后一節(jié)課，我們還有幸聆聽了來自西門子的電子工程師的講座，為我們講述了他的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，讓我們收獲頗豐。 本學(xué)期電子工程設(shè)計(jì)課程圓滿結(jié)束，在這學(xué)期我們第一次嘗試去完成一個(gè)功能完善的電子系統(tǒng)。在這個(gè)過程中遇到了諸多的困難，但我們都頑強(qiáng)的客服了，我們的動(dòng)手能力得到了鍛煉，讓我們明白紙上的電路轉(zhuǎn)換為實(shí)際的系統(tǒng)，需要付出百倍的努力和耐心才能實(shí)現(xiàn)。也讓我們更加敬仰在歷史長河中那些為人類做出貢獻(xiàn)的電子工程師。 最后感謝高新的耐心教導(dǎo)和幫助。 九、附錄 一、參考文獻(xiàn) 1.電子工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練任務(wù)書(信息控制與通信部分) 北京工業(yè)大學(xué)出版社 2.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版) 童詩白,華成英 高等教育出版社 二、插座定義 +5V +5V +5V +5V P3.2 ALE RST WD P1,1 D0 RD P1.2 D1 A4 P1.3 D2 A3 P1.4 D3 A2 P1.5 D4 A1 P3.5 D5 C4 P3.3 D6 C3 串行輸入 D7 C2 串行輸出 P3.4 C1 地 地 地 地 SEL NC +5V +5V 地 地 BUSY 地 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 ACK 地 變送器輸出 D8 地 驅(qū)動(dòng)器輸入 D7 地 D6 地 數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出 D5 地 D4 NC -12V -12V D3 NC D2 NC +12V +12V D1 ERR STB NC 地 地