北工大電工實驗2報告

1、電子工程設計第二階段設計報告23電子工程設計報告題目：閉環(huán)溫度控制系統設計與實現專業(yè)：電子信息工程小組：姓名學號： 指導教師：張印春 完成日期：2016年1月1日摘要本電子工程設計實驗的任務是完成一套小型的溫度控制系統。這個系統需要完成非電量到電量信號轉換、信號處理、數據采集、數據處理、人機交互、數據通信、控制等設計工作，幾乎覆蓋一般電子系統的所有設計環(huán)節(jié)。本實驗在課程安排上包含三個階段。本學期一到七周已經完成了第一階段，本報告主要針對的是第二階段內容。在第一階段直流穩(wěn)壓電源模塊、變送器模塊，驅動器模塊的基礎上，又包含：單片機模塊的設計與實現、數模轉換模塊的設計與實現、模數轉換模塊的設計與實現

2、、鍵盤顯示模塊的設計與實現。在上述七個模塊的硬件基礎上，通過軟件設計完成環(huán)境溫度的顯示與閉環(huán)溫度控制兩大功能，并通過鍵盤能很方便的進行兩大功能的自由切換和目標控制溫度的設定。本報告針對以上模塊分別詳細給出了設計要求、方案設計、電路設計、原理分析、電路調試、電路故障等方面的內容，以完整反映實驗過程。【關鍵詞】 單片機；溫度；閉環(huán)控制 目 錄摘 要2目 錄3一、課題背景5二、需求分析5三、單片機應用電路設計與實現 1.設計要求6 2.方案設計與電路設計6 3.原理與理論計算8 4.調試過程及方法9 5.出現問題及解決.9四、模/數轉換電路設計與實現1.設計要求10 2.方案設計與電路設計10 3.

3、原理與理論計算11 4.調試過程及方法12 5.出現問題及解決12五、顯示與鍵盤控制電路設計與實現1.設計要求13 2.方案設計與電路設計13 3.原理與理論計算13 4.調試過程及方法15 5.出現問題及解決15六、數/模轉換電路設計與實現1.設計要求15 2.方案設計與電路設計15 3.原理與理論計算16 4.調試過程及方法17 5.出現問題及解決18七、溫度測量和控制程序設計 1.基本任務歸納19 2.程序設計方案19 3.程序模塊設計20 4.調試原理與方法21 5.出現問題及解決21八、最終實現情況22九、心得體會22十、附錄一、 課題背景目前，溫度控制系統作為一種應用最廣泛的閉環(huán)控

4、制系統，不僅廣泛的應用在化工、石油、冶金等生產過程的物理過程和化學反應中，而且逐漸民用化，應用于家用的各種電器中。單片機技術作為計算機技術的一個重要分支，廣泛應用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器，甚至電子玩具等各個領域，它具有體積小、功能多、價格低廉、使用方便、系統設計靈活等優(yōu)點，因此具有非常大的應用空間。而本實驗的目的是做一種用51單片機進行溫度控制的閉環(huán)系統，可以用來保持溫度恒定或者使溫度按照設定的溫度變化。因此，具有極其廣泛的應用前景。二、 需求分析本報告所涉及的小型溫度控制系統的設計要求如下：(1)溫度控制范圍：0100 (2)測溫元件：半導體溫度傳感器AD592(3)溫度控制執(zhí)行

5、元件：半導體制冷片(4)核心控制部件：C8051F系列單片機小型溫度控制系統基本組成如圖所示： 圖1. 1 系統整體功能框三、 單片機應用電路設計與實現1.設計要求片選信號： 6個 地址信號： 4個數據總線： AD0AD7控制信號： WR，RD ，ALE，INT0安裝： 獨立電路板結構2.方案設計與電路設計（1）MCS-51系列單片機有眾多性能優(yōu)異的兼容產品、成熟的開發(fā)環(huán)境、世界上最大的單片機客戶群、高性價比、暢通的供貨渠道，是初學者的首選機型。8051是MCS-51系列單片機早期產品之一，內建一次性可編程只讀存儲器 ( PROM ) ，只需要很少的外圍元件即可組成最小系統。所以我們選擇805

6、1作為我們的單片機（2）安裝結構（3）電路方案的比較、選擇和確定全部地址參與譯碼，產生的控制信號對應唯一地址。部分地址參與譯碼，產生的控制信號對應某一地址區(qū)域，而不是唯一地址。部分地址參與譯碼，產生的控制信號對應某一地址區(qū)域，而不是唯一地址。三種電路方案：1）部分地址譯碼、帶有總線驅動電路，產生的控制信號對應某一地址區(qū)域。 2）部分地址譯碼、無總線驅動電路 圖示部分地址譯碼，無總線驅動電路3）直接選通、不要低8位地址和驅動電路因為這個方案的片選信號與地址之間并不是線性關系，所以使用該方案需要熟練掌握片選信號與地址之間的關系計算。4）電路方案的確定 通過比較，我們最后選定相對容易實現的部分地址譯

7、碼，無總線驅動的方案，因為這樣可以簡化電路。電路圖如下：3.原理與理論計算（1）74LS373 工作原理當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，Q0Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當 OE 為高電平時，Q0Q7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE 為高電平時，Q 隨數據 D 而變。當 LE 為低電平時，D 被鎖存在已建立的數據電平。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。（2）74LS138工作原理當一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（(/E2)和/(E3)）為低電平時，可將地址端（

8、A0、A1、A2）的二進制編碼在Y0至Y7對應的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時，則Y6輸出端輸出低電平信號。（3）電路工作原理C8051的P3口為數據/地址復用端口，為了得到低8位地址，需要數據/地址分離電路。C8051通過A13、A14、A15三口輸出信號給74LS138 譯碼器，經過芯片譯碼后輸出6個片選信號，當輸出相應地址時輸出相應片選。譯碼器的E1、E2口接低，E3口接高，7、9兩口制空。C8051接收信號后需要數據/地址分離電路，而74LS373鎖存器便充當了這一功能。373從8051的D0D7口接收到信號后將信號分離，數據信號從鎖存器的Q0Q3口輸出，地址信號從鎖

9、存器的D0D7口輸出。4.調試過程及方法（1）按照電路圖將電路板焊接完畢，過程中需要嚴格檢查焊接線路是否正確，避免出現錯誤。（2）測試時，將電源板放到相應位置。將單片機正確插入，然后將仿真頭與單片機電路連接（注意缺口標志要對應）再把仿真器連好。（3）斷開譯碼電路負載，運行測試程序，檢查各輸出引腳是否有輸出， 各個輸出之間相對位置關系是否正確；正確波形如下：5、出現問題及解決檢查各引腳輸出，均不滿足上圖的正確波形圖，檢查硬件無誤后，發(fā)現是示波器使用不當引起，學習示波器的使用之后再次檢查，正確。四、模/數轉換電路1. 設計要求輸入信號范圍： 0V+5V分辨率： 8bit精度：1LSB轉換時間：&l

10、t; 1ms安裝：獨立電路板結構2.方案設計與電路設計本次設計AD轉換電路采用芯片ADC0804，芯片主要參數如下：工作電壓：+5V，即VCC=+5V。 模擬輸入電壓范圍：0+5V，即0Vin+5V。 分辨率：8位，即分辨率為1/2=1/256，轉換值介于0255之間。 轉換時間：100us（fCK=640KHz時）。 轉換誤差：±1LSB。 參考電壓：2.5V，即Vref=2.5V。模數轉換器，是將模擬電信號轉變成計算機能識別的數字信號。在模數轉換中，應根據測量精度要求，考慮轉換電路的精度和分辨率，并力求降低成本。模數轉換有多種方法可以實現，如采用電壓/頻率變換器，以頻率或脈寬來計

11、算溫度，也可以采用A/D變換器或其它方法。如采用A/D變換器，應考慮轉換器輸入阻抗和變送器輸出阻抗對信號的衰減可能引起的測試誤差，并盡量降低這一誤差。板間連接應注意保護。根據課設要求，溫度0100 的變化是用電壓05V表示的，轉成數字表示，即0FFH。AD電路模塊電路圖如圖2.6所示圖2. 1AD模塊工作的時序圖如圖2.7所示。3.原理與理論計算(1) 轉換精度：A/D轉換器也采用分辨率和轉換誤差來描述轉換精度。分辨率是指引起輸出數字量變動一個二進制碼最低有效位（LSB）時，輸入模擬量的最小變化量。他反映了A/D轉換器對輸入模擬量微小變化的分辨能力。在最大輸入電壓一定時，位數越多，量化單位越小

12、，分辨率越高。轉換誤差通常用輸出誤差的最大值形式給出，常用最低有效位的倍數表示，反映A/D轉換器實際輸出數字量和理論輸出數字量之間的差異。(2) 轉換時間：轉換時間是指轉換控制信號（vL）到來，到A/D轉換器輸出端得到穩(wěn)定的數字量所需要的時間。轉換時間與A/D轉換器類型有關，並行比較型一般在幾十個納秒，逐次比較型在幾十個微秒，雙積分型在幾十個毫秒數量級。實際應用中，應根據數據位數、輸入信號極性與范圍、精度要求和采樣頻率等幾個方面綜合考慮A/D轉換器的選用。(3) 8位數模轉換電路主要技術指標：分辨率 - 8位：表示能夠分辨的最小電壓變化DATA 為 1 時的 Vi 表示最小電壓變化 誤差 -

13、±1LSB轉換時間 - 100微秒為便于各模塊協調一致的工作，電路設計統一接口模式，方便調試與查錯，模數裝換模塊安裝接口如圖2.8所示。圖2. 2 模數轉換電路安裝結構圖。4.調試過程及方法改變設置溫度，運行A/D測試程序，檢查模/數轉換結果。一般為05伏特之間改變，相應數為0255.改變設置溫度，運行A/D測試程序，檢查模/數轉換結果。在調試臺上通過旋鈕不斷改變溫度數值5.出現問題及解決由于電路比較簡單，調試一切正常。一般故障檢測方法為：查數據線是否漏接， 若A/D轉換結果數值不隨設置溫度正比變化檢查數據線是否錯接；查Vin(-)是否接GND；查 Vin(+) 是否有變化，如無變化

14、，逆向檢查直至變送器輸出。 若電源連接正常，查CLK-IN引腳是否有鋸齒波信號輸出，若沒有輸出檢查相關元件連接是否正確，若頻率過高（正常約為640KHz）檢查元件參數是否有誤。如果元件連接及元件參數無誤仍無信號輸出，則ADC0804損壞。若CLK-IN引腳有正常的鋸齒波信號輸出，可修改測試程序，將延時子程序或延時函數去掉，加快程序循環(huán)的時間，檢查轉換控制信號、和數據讀取控制信號WR/RD是否正常。若上述控制信號正常，則可能是ADC0804損壞。五、電路顯示與鍵盤控制電路1設計要求：1、4 位7 段數碼顯示，前 3 位含小數點2、0 9數字輸入鍵及若干功能設置按鍵控制3、獨立電路板安裝結構2.方

15、案設計與電路設計單片機與LED顯示器有兩種接口方法。動態(tài)顯示電路方案：電路簡單，成本低，控制程序復雜，適用于顯示位數較多的場合?？墒褂弥悄苄酒?279完成。本階段我們用74LS273 設計顯示數據輸出電路，然后用74LS244設計鍵盤狀態(tài)讀入電路，最后設計出總的實驗電路圖，顯示模塊的電路原理圖如圖2.9所示。圖2. 3 顯示模塊電路原理圖矩陣鍵盤電路方案：按鍵較多時，成本低，控制程序較直讀電路復雜，適用于顯示位數較多的場合。鍵盤電路的電路圖如圖2.10所示。圖2. 4 鍵盤模塊電路圖鍵盤模塊工作的時序圖如圖2.11所示。圖2. 5鍵盤模塊工作時序圖為便于各模塊協調一致的工作，電路設計統一接口模

16、式，方便調試與查錯，鍵盤顯示模塊安裝接口如圖2.12所示。圖2. 6 鍵盤顯示模塊安裝結構圖3.調試過程及方法（1）顯示電路模塊調試按照圖進行電源板焊接完畢，而后再次認真查線一遍然后再開始測試。測試時，將電源板，單片機，顯示電路正確連接。按正確加電順序供電，如果一切正?？梢蚤_始進一步的測試。運行顯示模塊測試程序，如果電路工作正常，在4個數碼管上應有數字 0-9 滾動顯示。否則，說明電路存在故障。（1） 鍵盤控制模塊調試：運行鍵盤控制電路的測試程序，如果電路工作正常，在鍵盤上每按 1 個鍵，都會通過 2 位數碼顯示管，顯示相應的行編碼和列編碼。否則，說明電路存在故障。4.出現問題及解決由于焊接之

17、前就知道此電路相當復雜，錯焊或者虛焊都會使檢查工作變得復雜，所以我們焊接一根完畢之后，接著對它進行檢查，確保每一根線都正確。但是，調試時發(fā)現有一行鍵盤無反應，我們初步推斷漏焊了一根線，檢查后發(fā)現確實如此，焊接上再次進行調試，一切正常。六、數/模轉換電路1. 設計要求輸入范圍： 00H 0FFH 對應輸出： -10V+10V 誤差： 1%FSR 響應時間： < 1ms電源供電： +5V，±12V安裝： 獨立電路板結構2.方案設計與電路設計D/A的作用是把輸入的模擬信號轉化為數字信號。有電流開關型、脈寬調制型等。在這里，我們采用DAC0832構成D/A電路。 DAC0832是8 位

18、乘算型電流輸出的典型產品，具有MCU兼容接口，使用方便，價格低，能滿足設計要求。數模轉換器是整個控制系統將計算機輸出的數字信號轉化成模擬信號的重要部件，它的特性直接影響溫度轉換的精度。其轉換的精度主要由數模轉換器的位數和Vref。DAC0832工作原理及特性如圖2.13所示：圖2. 7模數裝換工作原理數模轉換電路如圖2.14所示：圖2. 8 數模轉換模塊電路圖3.原理與理論計算原理分析：DAC0832的Iout1和Iout2作為輸入信號輸入到LM358的輸入端。由電流-電壓轉換電路可知：LM358的1號管腳輸出為：，此管腳作為輸入信號輸入到U2BLM358的反相輸入端。則U2BLM358輸出端

19、輸出為：V= -Vout1*R3/R1-5*R3/R2取電阻參數：R1=5K,R2=10K,R3=20K。因為Vout1的取值為（-5V0V），R3/R1=4,故-Vout1*R3/R2的范圍為（0V20V）,又因為-5*R3/R2=-10V所以總輸出范圍：V=020V-10V=-10V10V。為便于各模塊協調一致的工作，電路設計統一接口模式，方便調試與查錯，數模裝換模塊安裝接口如圖2.15所示。圖2. 9 數模轉換模塊安裝結構圖4.調試原理與方法1、檢查電路連線無誤后，將電路板安裝在測試臺上2、斷開電路負載，運行測試程序，檢查各節(jié)點信號是否正確。如果有問題，按照故障診斷預案進行診斷分析，并且

20、排除故障。3、用示波器觀察LM3587號管腳。正確的輸出波形如圖2.16所示圖2. 10 數模轉換測試波形圖5.出現問題及解決調試時由于接線問題，沒能獲得正確波形。糾正接線問題后，發(fā)現輸出波形正確但是幅值不對。經細心觀察，實際輸出波形為正確波形幅值的0.1倍，初步判斷為示波器的衰減探頭打到了X10位置。檢查示波器探頭，果不其然。糾正錯誤后波形輸出終于正常。七、 溫度測量和控制程序設計1.基本任務歸納在分模塊電路設計完成之后，就要進行整系統聯合的功能調試，整體調試主要實現兩個功能。分別是環(huán)境溫度顯示功能和閉環(huán)溫度控制功能。通過整體功能的調試與實現，進一步深化對系統設計的理解，增強系統調試能力與發(fā)

21、現問題、解決問題的能力。設計數據采集、數據處理、數據顯示程序，完成溫度測量和顯示工作。溫度測量顯示誤差：+2。通過鍵盤鍵入目標溫度，讀鍵值后通過乒乓算法和PID算法控溫。2.程序設計方案 開始數碼管3、4位顯示所控制溫度鍵盤輸入需要的溫度，1、2位數碼管顯示判斷輸入溫度是否大于1、2顯示溫度 否 是 D/A輸出-10VD/A輸出10V 否取消鍵 是3.程序模塊設計溫度采集模塊數據處理模塊溫度顯示模塊4.調試原理與方法 調試過程：連接電路并運行程序，將程序燒進單片機。通過鍵盤切換到環(huán)境溫度顯示功能。觀察測溫系統數字顯示，應跟隨調試臺設置溫度變化并與調試臺設置溫度接近。若測量溫度與設置溫度相差過大

22、的調試，則調整變送器。調試臺設置低端溫度，變送器進行零點校準，調試臺設置高端溫度，變送器進行滿度校準。通過鍵盤切換到閉環(huán)溫度控制功能。通過鍵盤設定目標控制溫度，觀察實際溫度時候能變化到目標控制溫度?？梢酝ㄟ^改變程序來調節(jié)控制精度。5.出現問題及解決我們遇到的第一個問題就是鍵盤讀取的問題。鍵盤有效鍵值的讀取我們開始時采用了鍵盤測試的程序，將鍵盤的行列提取出來，將對應的鍵值存在一個二維數組中，每次進行地址掃描，將按下的鍵的行列取出來，對應到二維數組中，但是沒有做有效鍵分析，常常取出的鍵值不正確。我們選用了另一種方案，定義I三個一維數組，一個數組存鍵盤上一次的值，一個存當前的鍵值，另一個為鍵盤分析后

23、的正確的鍵值，這樣按鍵識別的準確性大大的增加，基本實現了鍵盤的正常讀取值。我們遇到的第二個挑戰(zhàn)就是PID算法的編程，依照老師所給的程序思路，我們進行了討論，但是顯示過程中，溫度很難保持穩(wěn)定不變，我們仔細的研究了PID算法的核心思路，我們發(fā)現在計算PID控制增量時，微分項并沒有太大的意義，將微分項的系數置為零時，控溫溫度曲線的上下浮動的幅度變小了。但是我們不能將溫度下降到5度，這說明積分項系數小，我們將積分項系數由0.1改為了0.2，溫度下降幅度加大，但是溫度沒有下降到5度以下，我們又進行了參數的調整，發(fā)現當積分項系數過大時，溫度曲線的震蕩也越劇烈，不利于溫度的穩(wěn)定。我們是做了一個死循環(huán)來進行不斷的PID控溫，實驗時發(fā)現，我們不能進行其他溫度的控溫了，為解決這個問題，我們編寫了一個跳出循環(huán)的標志，但按下的鍵值為F時，從死循環(huán)中退出，退出控溫。八、最終實現情況經過了九周的努力，最終我們完成了閉環(huán)溫度控制系統的設計。經過剛開始的硬件焊接到后來軟件的編程，以及無數個不斷調試的夜晚，最終我們的驗收結果還算讓人滿意。我們的系統能實現從5.4度到80.5度的精確控制。唯一讓