北京工業(yè)大學電子工程設計-二階實驗報告.doc

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電子工程設計報告 題目：溫度測量系統(tǒng)/閉環(huán)溫度控制系 統(tǒng)設計 專業(yè)： 電子科學與技術(shù) 小組： 7 姓名： 學號： 袁彬 11023221 賴力 11023222 指導教師： 高新 完成日期：2013.12.12 目錄 一、摘要 3 二 、設計任務與要求 3 （二）、設計要求 4 (三)單片機 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 25 九、附錄 26 一、摘要 在上學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備。通過上學期的準備，我們對焊接電路已經(jīng)基本上熟練掌握了，對一些電路的原理和設計也都達到了必要的要求，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 、設計任務與要求 設計小型溫度測量與控制系統(tǒng) --- 典型電子系統(tǒng) 驅(qū)動器 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 后向通道 1.電路設計 ⑴ 核心單元—單片機應用電路 ⑵ 模擬量接口—A/D、D/A 電路 ⑶ 人機交互單元—顯示、鍵盤控制電路 2.程序設計 ⑴ 控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換進行溫度數(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)，進行溫度控制。 ⑶ 控制鍵盤與顯示器，進行控制溫度設定和測量溫度顯示。 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)實現(xiàn)精確、平穩(wěn)的溫度控制 4.本學期關注的重點 ⑴ 設計并實現(xiàn)了一個能夠精確、穩(wěn)定控制溫度的系統(tǒng)。 ⑵ 知道了一個典型的電子系統(tǒng)應該具備哪些主要功能 ⑶ 知道了一個典型電子系統(tǒng)的設計實現(xiàn)過程和工作方法。 ⑷ 知道如何設計測試方法、創(chuàng)造測試條件，對設計完成的電路模塊或電路系統(tǒng)進行測試，使電路或系統(tǒng)的功能、指標充分展現(xiàn)。 ⑸ 設計組裝的電路系統(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)知識以及積累的經(jīng)驗，快速確定故障范圍和故障原因。 ⑹ 掌握電路的設計方法，通過設計、計算實現(xiàn)電路設計要求。 （二）、設計要求 1． 溫度測量范圍：0C ~ +100C。 2． 溫度測量誤差：不大于 2C 3． 單片機：具有獨立電路板結(jié)構(gòu)。 片選信號：4個， 地址信號：4個， 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：具有獨立電路板結(jié)構(gòu)。 輸入范圍：00H ~ 0FFH， 對應輸出：-10V~+10V， 誤差：1%，響應時間：< 1ms， 電源供電：+5V，12V。 5． 模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路: 獨立電路板結(jié)構(gòu) 輸入信號范圍： 0V~+5V 分辨率： 8bit 精度：1LSB 轉(zhuǎn)換時間：< 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)點獨立電路板安裝結(jié)構(gòu) 0 ~ 9數(shù)字輸入鍵及若干功能設置按鍵控制 (三)單片機 （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系列單片機性能優(yōu)異，因此單片機芯片采用MCS-51系列中的89C51。 在單片機的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敘述這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）接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，此引腳應接地；對CMOS單片機，此引腳作為驅(qū)動端。 XTAL2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機內(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，對HMOS單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對XHMOS，此引腳應懸浮。 3) 控制或與其它電源復用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP： RST/VPD（9腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。 ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存貯器時，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器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。 PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP（31腳）：當EA端保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但在PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH（對851/8751/80C51）或1FFFH（對8052）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。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，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LS型的TTL負載。 P1口（1腳至8腳）：是準雙向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（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。對8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時/計數(shù)器的 P2口（21腳至28腳）：是準雙向8位I/O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。 P3口（10腳至17腳）：是準雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口。 2、電路方案的比較、選擇和確定 全部地址參與譯碼，產(chǎn)生的控制信號對應唯一地址。部分地址參與譯碼，產(chǎn)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(chǎn)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(qū)動電路，產(chǎn)生的控制信號對應某一地址區(qū)域。 圖示部分地址譯碼、帶有總線驅(qū)動電路 （2）部分地址譯碼、無總線驅(qū)動電路 圖示部分地址譯碼，無總線驅(qū)動電路 （3）直接選通、不要低8位地址和驅(qū)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(xiàn)的部分地址譯碼，無總線驅(qū)動的方案， 因為這樣可以簡化電路。電路圖如下： 單片機的安裝結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 單片機電路 （二）、電路的調(diào)試 1．按照電路圖將電路板焊接完畢，過程中需要嚴格檢查焊接線路是否正確，避免出現(xiàn)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；以下是單片機測試的程序： #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，應有圖示的波形輸出。如果沒有輸出或者彼此關系錯亂，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)換器是整個控制系統(tǒng)將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號的重要部件，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)合電子工程設計的實際要求，結(jié)合高性價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)絡和模擬電子開關；另一類則集成了組成D/A轉(zhuǎn)換器的所有電路。本實驗選用DA0832，各引腳名稱及作用如下： D7～D0：具有三態(tài)特性數(shù)字信號輸出。 GND：信號地。 CS：低電平有效的片選端。 WR：寫信號輸入，低電平啟動D/A轉(zhuǎn)換。 RD：讀信號輸入，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現(xiàn)，在滿足要求的情況下，應力求降低成本。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)字對應于（－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： 本實驗要求模數(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)整兩個滑動變阻器的阻值，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)換為與其相應的模擬量，把各位對應的模擬量相加就可得到該數(shù)字兩所對應的模擬量。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：斷開電路負載，運行測試程序，檢查各節(jié)點信號是否正確。 1．焊接完畢，而后再次認真查線一遍然后再開始測試。 2．測試時，將電源板，單片機，數(shù)模電路正確連接。按正確加電順序供電，如果一切正常可以開始進一步的測試。 3．運行D/A測試程序數(shù)/模數(shù)據(jù)顯示窗口將有相應，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：連接電路并運行程序。觀察測溫系統(tǒng)數(shù)字顯示，應跟隨調(diào)試臺設置溫度變化并與調(diào)試臺設置溫度接近。若測量溫度與設置溫度相差過大的調(diào)試，則需調(diào)整變送器。調(diào)試臺設置低端溫度，變送器進行零點校準，調(diào)試臺設置高端溫度，變送器進行滿度校準。 以下是我們的實驗截圖： 八、 心得體會 第二階段我們一共完成了測溫系統(tǒng)中的單片機，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。 第一點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，同時在焊接過程中很容易出現(xiàn)失誤。在單片機這塊的焊接中，我們就出現(xiàn)了把芯管腳搞反，結(jié)果在插針焊接的時候錯了很多，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，在測試電路的時候出現(xiàn)問題，查線排除故障進行的非常緩慢。另外在顯示鍵盤電路這塊板子上，一開始四個數(shù)碼管只有兩個亮，我們以為是數(shù)碼管的問題，但更換之后問題依然存在。于是再進行電路檢查，查了三四遍線路都認為沒有問題這讓我們覺得非常奇怪，后來在和其他組同學的電路板對比之后發(fā)現(xiàn)少了兩根地線沒有接，還是我們焊接時候的粗心大意造成的。還有就是有些芯片的GND管腳沒有標在管腳圖上，也被我們忽略了，這是缺乏經(jīng)驗的緣故。 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行測試。在之前我們每塊板子單個都通過了測試，可是沒有想到進行測溫系統(tǒng)測試的時候竟然沒有成功。經(jīng)過推斷我們認為問題肯定是出現(xiàn)在單片機上，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習經(jīng)驗，讓我們收獲頗豐。 本學期電子工程設計課程圓滿結(jié)束，在這學期我們第一次嘗試去完成一個功能完善的電子系統(tǒng)。在這個過程中遇到了諸多的困難，但我們都頑強的客服了，我們的動手能力得到了鍛煉，讓我們明白紙上的電路轉(zhuǎn)換為實際的系統(tǒng)，需要付出百倍的努力和耐心才能實現(xiàn)。也讓我們更加敬仰在歷史長河中那些為人類做出貢獻的電子工程師。 最后感謝高新的耐心教導和幫助。 九、附錄 一、參考文獻 1.電子工程設計訓練任務書(信息控制與通信部分) 北京工業(yè)大學出版社 2.模擬電子技術(shù)基礎(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