電子工程設(shè)計(jì)2：小型溫度控制系統(tǒng)結(jié)題報(bào)告

1、電子工程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)、顯示和鍵盤電路及系統(tǒng)軟件專 業(yè):小 組:姓名學(xué)號：指導(dǎo)教師：張輝完成日期：摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)上的各種技術(shù)指標(biāo)精度的要求也越來越高，在眾 多指標(biāo)中，溫度的測量與控制是一個(gè)永恒的話題，只有了精確地溫度測量，才能把加熱和 散熱的工作做得更好。本課題是小型溫度測量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以單片機(jī)AT89C51芯片為核心，和LED數(shù)碼管顯示，數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換和輔以穩(wěn)壓電源及變送器的測量控制系統(tǒng)，另 配有鍵盤輸入控制。本設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了 LED顯示與鍵盤控制電路的工作原理，硬件電路組成的思路和相應(yīng) 的C語言閉環(huán)程序。本設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)模塊：LED

2、顯示模塊、鍵盤控制模塊。能夠?qū)Νh(huán)境溫度隨時(shí)隨地檢測與顯示，并可以在模板上設(shè)定相應(yīng)溫度值使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度?！娟P(guān)鍵詞】：LED顯示、鍵盤控制、閉環(huán)程序、模板測試。目錄一、功能指標(biāo)要求 1二、D/A 模塊調(diào)試 1三、A/D 模塊調(diào)試 2四、顯示電路模塊 31. 顯示電路設(shè)計(jì) 32. 顯示電路原理分析 4五、鍵盤控制電路模塊 41. 鍵盤控制電路設(shè)計(jì) 42. 鍵盤控制電路原理分析 4六、系統(tǒng)調(diào)試及程序設(shè)計(jì) 4七、出現(xiàn)的問題分析及解決方法 14八、創(chuàng)新性 1 4九、體會(huì)與建議 1415【附錄I】，、功能指標(biāo)要求1）顯示模塊：4位7段數(shù)碼顯示，前3位含小數(shù)點(diǎn)2）鍵盤模塊：09數(shù)字輸入鍵及若干功能設(shè)置按鍵

3、控制；第10數(shù)字鍵作為允許控制開關(guān)3）獨(dú)立電路板安裝結(jié)構(gòu)調(diào)試方法：數(shù)據(jù)為從00FF順序遞增并不斷循環(huán)的數(shù)值。圖二調(diào)試程1、D/A模塊調(diào)試(1)序：#i nclude #i nclude #i nclude #defi ne C3XBYTE0x4000#defi neTIMER 0x8000#i nclude void delay(void);void ma in (void)un sig ned char x;In it_Device();while(1) +x; C3=x; delay(); void delay(void)int i;for(i=0;iTIMER;+i) ;、A/D 模塊調(diào)

4、試調(diào)試方法：輸入信號范圍： 0V+5V 改變設(shè)置溫度，運(yùn)行 A/D 測試程序，檢查模 /數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果；在調(diào)試臺上通過+10按鍵不斷改變溫度數(shù)值，調(diào)試臺 LED會(huì)顯示相應(yīng)溫度。調(diào)試程序：#include #include #include #defineC2XBYTE0x2000#defineTIMER0x8000#include void delay(void);void main(void)unsigned char x;Init_Device();while(1) C2=x; delay(); x=C2; delay(); void delay(void) unsigned char i;f

5、or(i=0;i2圖四 顯示模塊電路圖見圖四（2）:(1)圖四（2）2.顯示電路原理分析：我們選用靜態(tài)顯示控制電路，八位數(shù)據(jù)位作為 74LS273數(shù)據(jù)鎖存器的輸入信號，273的 輸出信號作為七段數(shù)碼管的輸入信號，控制七個(gè)LED的亮滅。地址數(shù)據(jù)Ai和A作為74LS138 三八譯碼器的輸入信號，138輸出信號為鎖存器時(shí)鐘信號，Vcc接Gi端恒高有效，汽：和C1 分別接譯碼器G2A和G2B端，恒低有效。Yo控制選通鎖存器1 （即設(shè)定值高位），Y控制選通鎖存器2（即設(shè)定值低位），丫2控制選通鎖存器3（即顯示值高位），丫3控制選通鎖存器4（即 顯示值低位）。A1和A按照程序設(shè)定的變化脈沖依次令 Yo、丫

6、1、丫2、丫3輸出高脈沖，分別選 通四個(gè)數(shù)碼管，當(dāng)8051芯片數(shù)據(jù)位輸入信號時(shí)，四位數(shù)碼管可以依照事先譯好的數(shù)據(jù)表顯 示出相應(yīng)的數(shù)值。五、鍵盤控制電路模塊1.鍵盤控制電路設(shè)計(jì)：見圖五（1）vcc4.7kf)ALA2CS34,7kQG .1 2 X- 4 DDDD D4,7kQ4.7kQSIS2S3S474LS244O1020504圖五（1）2.鍵盤控制電路原理分析：我們采用陣列鍵盤讀取方案，C4和*均輸入低電平到74LS32或門，32輸出到譯碼器 選通。同時(shí)32也輸出到74LS244數(shù)據(jù)鎖存器選通。編寫程序使138譯碼器依次輸出低電平， 掃描是否有鍵按下，當(dāng)鍵盤上有鍵按下時(shí)， Yn為低電平，對

7、應(yīng)的Sn也為低電平（即對應(yīng)的 Dn也為低電平）。六、系統(tǒng)調(diào)試及程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)試：第一步：我們首先用調(diào)試臺調(diào)試，測試開環(huán)，編寫程序燒錄進(jìn)8051，使我們自己設(shè)計(jì)的顯示模塊顯示位跟隨調(diào)試臺上 LED顯示模塊的變化。第二步：編寫PID閉環(huán)程序，編寫程序燒錄進(jìn)8051，使系統(tǒng)能夠從鍵盤上輸入一個(gè)設(shè)定溫 度值并顯示在系統(tǒng)顯示模塊設(shè)定位上。隨后按下調(diào)試臺“ Manu al ”按鍵，使系統(tǒng)能夠?qū)F(xiàn)在溫度值與設(shè)定值做差，以確定需要升溫還是降溫，系統(tǒng)顯示模塊顯示值會(huì)逐漸接近設(shè)定 值并最終穩(wěn)定在一個(gè)與設(shè)定值誤差非常小的數(shù)值上。第三步： 將完整系統(tǒng)（包括電源模塊、系統(tǒng)模塊、 A/D 模塊和變送器、 D/A 模塊、顯

8、示模塊 和鍵盤控制模塊）移植到實(shí)驗(yàn)室真實(shí)模板上，先將模板設(shè)定為手動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)定一個(gè)值看系 統(tǒng)顯示位是否隨動(dòng)；再將模板還原為自動(dòng)調(diào)節(jié)，從鍵盤輸入一個(gè)設(shè)定值，打開調(diào)節(jié)按鈕， 觀察系統(tǒng)顯示位是否逐漸靠近設(shè)定位并最終穩(wěn)定在一個(gè)非常相近的數(shù)值上， 模板上加熱（或 制冷）提示燈是否點(diǎn)亮。如果上述答案是肯定的，系統(tǒng)成功，能夠滿足教學(xué)要求，實(shí)現(xiàn)小 型溫度控制系統(tǒng)。調(diào)試程序：（自定義頭函數(shù)見附錄I）#include1111#include#include1111#include1111#include1111#include1111#include1111/ 設(shè)備地址列表/ 鍵盤的鍵值表/ 數(shù)碼管的編碼表stat

9、ic unsigned int DataT=0; static int DataTO=0;static unsigned int DataTI=0;static unsigned int TargetT=0; static char tp=0;static unsigned int sign=0; static unsigned char Switch=0; static unsigned int Input=0;16進(jìn)制的A/D數(shù)據(jù)/10 進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)/10 進(jìn)制的目標(biāo)溫度（臨時(shí)）/10 進(jìn)制的目標(biāo)溫度/ 目標(biāo)溫度和當(dāng)前溫度的差值/表示tp的正負(fù)號/ 開關(guān)鍵是否按下的標(biāo)志/ 輸入void

10、delay(void);void delay1(void);void Display(const unsigned int,const unsigned int); unsigned int Convert(const unsigned int); unsigned int ReadT(void);unsigned int ReadKey(void);unsigned int ReadKeyS(void);unsigned int Decode(unsigned int);unsigned int ReadInput(void);void Task(void);void main(void)I

11、nit_Device();while(1)ReadInput();Task();/ 讀取鍵盤/ 對溫度進(jìn)行調(diào)整（主任務(wù)）unsigned int Convert(const unsigned int a) return (int) 95*a/0xff;值范圍( 095)/ 返回值 =輸入數(shù)據(jù) *95/255 （取整數(shù)）返回unsigned int ReadT(void) C2=0; delay();return C2;/向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出指令/等待采樣完成 /返回采樣數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)void Display(const unsigned int x,const unsigned int z)/ 第三個(gè)

12、數(shù)碼管，顯示第二個(gè)數(shù)字的個(gè)位 / 第四個(gè)數(shù)碼管，顯示第二個(gè)數(shù)字的十位 / 第一個(gè)數(shù)碼管，顯示第一個(gè)數(shù)字的個(gè)位 / 第二個(gè)數(shù)碼管，顯示第一個(gè)數(shù)字的十位C13=DT3z/10;C14=DT4z%10;C11=DT1x/10;C12=DT2x%10;/延時(shí)子程序void delay(void)long int i; for(i=0;i0x1f0;+i) ;void delay1(void)long int i; for(i=0;i0x81f0;+i) ;unsigned int ReadKeyS(void) unsigned char temp=0;unsigned char temp1=0;uns

13、igned char i=0;temp=C43;temp=0x1f&C43;if(temp=0x1f)return 0xff;temp1=temp;是抖動(dòng)delay();temp=0x1f&C43;if(temp!=temp1)return 0xff;if(temp=0x1e)定義)return K11;if(temp=0x1d)則返回K12 (在keytable定義)Switch=Switch; return K12;unsigned int ReadKey(void)unsigned int temp=0;unsigned int i=0;while(1)temp=0x1f&C41; if

14、(temp!=0x1f)i=0x0;break;temp=0x1f&C42; if(temp!=0x1f)/ 讀取鍵盤第三行/ 屏蔽高 3位/ 如果沒有按下，退出/ 如有按下，則延時(shí)后再讀一次，看看是不/ 兩次讀取值不同，說明是抖動(dòng)，退出/是第三行第一列的鍵，則返回K11 （在keytable/是第三行第二列的鍵，對Switch做求反操作,/ 掃描第一行，看有無按下/第一行如有有按下，則跳出while循環(huán)/ 掃描第二行，看有無按下/第二行如有有按下，則跳出while循環(huán)i=0x40; break;while循環(huán)while循環(huán)temp=0x1f&C43;if(temp!=0x1f)i=0x80;

15、break;temp=0x1f&C44;if(temp!=0x1f)i=0xC0;break;return 0xff;return i|temp;unsigned int Decode(unsigned int a)switch(a)case K1:return 1;case K2:return 2;case K3:return 3;case K4:return 4;case K5:return 5;case K6:return 6;case K7:return 7;case K8:return 8;case K9:return 9;case K10:return 0;/ 掃描第三行，看有無按

16、下/ 第三行如有有按下，則跳出/ 掃描第四行，看有無按下/ 第四行如有有按下，則跳出/ 都沒有按下，返回 0xff/ 將高三位和低五位合并/ 對鍵值解碼case K11: return 10; default: return 0xff;unsigned int ReadInput(void)unsigned int key=0;unsigned int i=0;unsigned int temp=0;key=ReadKeyS(); i=Decode(ReadKeyS();if(i!=10)則不讀數(shù)據(jù)，退出return 0xff;Display(0,DataTO);/delay1();while

17、(1)key=ReadKey(); i=Decode(key);if(i10)輸入數(shù)據(jù))DataTI=i;Display(DataTI,DataTO); break;Task();據(jù)的時(shí)候單片機(jī)失去控溫能力while(1)key=ReadKey(); if(key=0xff) break;/ 讀取開關(guān)鍵是否按下/ 對讀取的鍵值解碼/如果不等于開關(guān)鍵 （10為開關(guān)鍵解碼后的值）/ 數(shù)碼管的輸入?yún)^(qū)清零/ 讀取第一個(gè)鍵值（十位）/ 解碼/如果是前二行的鍵值，則更新DataTI （臨時(shí)的/更新 DataTI/更新數(shù)碼管，顯示輸入的數(shù)字/和mai n（）的那個(gè)Task（相同，目的是防止輸入數(shù)/讀取鍵值/

18、等鍵盤松開Task();while(1)key=ReadKey(); i=Decode(key);if(i95) 時(shí)溫度變送器為 5V)DataTI=95;tp=TargetT-DataTO; if(tp0)tp=tp+1; sign=1;elsesign=0;讀取A/D的數(shù)據(jù)/把A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)/如果溫度大于 95度，就修正為 96度（95度/目標(biāo)溫度和目標(biāo)溫度的差值/如果為負(fù)/求差值絕對值/ 符號位標(biāo)記為 1（ 1為負(fù)數(shù)， 0為正數(shù)）/ 符號位標(biāo)記為 0（ 1為負(fù)數(shù)， 0為正數(shù)）/分三段控制， 030度， 3 1 70度,7 1 95度if(DataTO31);while

19、(1)if(tp1)C3=0x80; break;if(tp4&sign=0)但不是滿載)C3=170; break;if(tp4&sign=1)但不是滿載)C3=30; break;if(sign=1)C3=0;break;if(sign=0)C3=255; break;/ 第一段/ 如果差值為 0，則令驅(qū)動(dòng)器空載（ 0V）/如果差值小于 4且為正數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器加熱/如果差值小于 4且為負(fù)數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器冷卻/ 如果差值大于 4且為負(fù)數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器冷卻（滿載）/ 如果差值大于 4且為正數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器加熱（滿載）break;if(DataTO30); / 第二段 while(1)if(tp1)C3=0x

20、80;break;if(tp4&sign=0)但不是滿載)C3=220;break;if(tp4&sign=1)但不是滿載)C3=75;break;if(sign=1)C3=0;break;if(sign=0)C3=255;break;break; if(DataTO70);while(1)if(tp1)/ 如果差值為 0，則令驅(qū)動(dòng)器空載（ 0V）/ 如果差值小于 4且為正數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器加熱/ 如果差值小于 4且為負(fù)數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器冷卻/ 如果差值大于 4且為負(fù)數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器冷卻（滿載）/ 如果差值大于 4且為正數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器加熱（滿載）/ 第三段/ 如果差值為 0，則令驅(qū)動(dòng)器空載（ 0V）C3=0x8

21、0;break;if(tp4&sign=0)/ 如果差值小于 4且為正數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器加熱但不是滿載)C3=255; break;if(tp4&sign=1)但不是滿載)C3=100;break;/ 如果差值小于 4且為負(fù)數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器冷卻if(sign=1)C3=0; break;if(sign=0)C3=255; break;/ 如果差值大于 4且為負(fù)數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器冷卻（滿載）/如果差值大于 4且為正數(shù)，令驅(qū)動(dòng)器加熱 （滿載）break;Display(DataTI,DataTO);return;/ 更新數(shù)碼管顯示七、出現(xiàn)的問題分析及解決方法問題一：我們在用老師的調(diào)試程序調(diào)試 LED數(shù)碼管時(shí)，發(fā)現(xiàn)

22、無論怎么弄LED都顯示亂碼。 解決方法：后來問老師，我得知老師的程序是按照 QiQ7依次對應(yīng)數(shù)碼管的ag,同時(shí)將程序再按照四個(gè)數(shù)碼管不同的對應(yīng)線路譯出四個(gè)獨(dú)立的表。問題二： 一開始調(diào)試閉環(huán)程序時(shí)我們用的是 P 調(diào)節(jié)，顯示值確實(shí)很接近設(shè)定值，但是不能 穩(wěn)定在某一數(shù)值，而是不停地變換，比如 85、84 來回跳。解決方法：我們改進(jìn)了程序，將P調(diào)節(jié)改進(jìn)成PID調(diào)節(jié)，雖然在某些溫度依然會(huì)來回跳，但是比改進(jìn)算法前要穩(wěn)定了很多。問題三： 將系統(tǒng)移植到實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳蠒r(shí)，我們發(fā)現(xiàn)最終顯示值偏離設(shè)定值較大，最大偏差甚 至達(dá)到 67 度。解決方法：我將0C對應(yīng)變送器輸出OV, 100C對應(yīng)5V。然而當(dāng)我用萬用表測了 1

23、00C時(shí)變送器輸出端的電壓值，發(fā)現(xiàn)超過 5V很多。于是我們重新整 定，調(diào)節(jié)變送器模塊的兩個(gè)電位器，使系統(tǒng)在模板上 0 C時(shí)輸出0V, 100 C時(shí)輸出5V。再次進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試，問題解決。八、創(chuàng)新性創(chuàng)新點(diǎn)一： 按鍵除抖，我們將程序設(shè)定為在掃描完一次按下的鍵后，間隔一定時(shí)間再次掃 描按下的鍵，如果兩次掃描到的值相等，則確定其按下，否則將其作為誤觸。創(chuàng)新點(diǎn)二：我們將鍵盤K11鍵作為設(shè)定允許鍵，每次要輸入設(shè)定值前要先按下 K11（即設(shè)定 允許鍵）方可進(jìn)行輸入。這樣可以防止鍵盤被誤觸。創(chuàng)新點(diǎn)三： 真實(shí)條件測試，我們在調(diào)試臺測試完整個(gè)系統(tǒng)后，將我們所有的模塊移植到實(shí)驗(yàn)室模板上，調(diào)試。使其成為能夠調(diào)節(jié)真實(shí)溫度

24、的具有實(shí)際作用的系統(tǒng)。創(chuàng)新點(diǎn)四： 程序模塊化編寫，我們將一些有可能需要經(jīng)常改動(dòng)的參數(shù)寫為頭文件形式，如報(bào)告后邊的附錄I。這樣可以大大減少程序調(diào)試時(shí)的工作量， 比如在調(diào)試LED時(shí)，如果 發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的碼位不對， 只需要在頭文件里修改相應(yīng)的值， 代替修改主程序的所有相關(guān)參 數(shù)。同時(shí)使程序更精簡，運(yùn)行速度更快。九、體會(huì)與建議經(jīng)歷了這次長達(dá)一年的電子工程設(shè)計(jì)。我們確實(shí)學(xué)到了很多很多，從一開始的不知從 何下手，到最終的能夠在真實(shí)模板上測試成功。這一年里，我們碰到過各種問題，比如電 源保險(xiǎn)燒斷，芯片燒裂，程序出現(xiàn)問題無法進(jìn)行，但是我們運(yùn)用我們的能力最終將其解決， 不管是問老師，問同學(xué)，上圖書館、網(wǎng)絡(luò)查資料。這

25、次大實(shí)驗(yàn)使我了解了一個(gè)真正具有實(shí) 用意義的專業(yè)系統(tǒng)到底由哪些模塊組成，他們之間又是怎么聯(lián)系起來共同為系統(tǒng)服務(wù)的。 其次就是鍛煉了我們的耐心，一個(gè)從下午一點(diǎn)半上到晚上九點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，而且要在這期間不 停地學(xué)知識，動(dòng)手焊電路，編程?，F(xiàn)在課設(shè)結(jié)束了，我要謝謝老師一年來不光傳授我們知 識，更鍛煉了我們很多優(yōu)良的特性，讓我們提前適應(yīng)了工作時(shí)的那種高效的要求。除此之外，我也有一些建議。大家在查芯片的時(shí)候不要排斥英文的數(shù)據(jù)手冊，因?yàn)楸緛砗芏嘈酒褪峭鈬a(chǎn)的，他們更了解這個(gè)芯片的特性，而且在查PDF 的過程中還能鞏固 很多專業(yè)詞匯。其次，大家要敢于動(dòng)手，不要因?yàn)楸艘粋€(gè)電容，被烙鐵燙了一下手就對 課設(shè)膽戰(zhàn)心驚，其

26、實(shí)現(xiàn)在多經(jīng)歷些總強(qiáng)于以后因此出大錯(cuò)。【附錄I】#defineC11XBYTE0xE000/ 第一個(gè)數(shù)碼管#defineC12XBYTE0xE100/ 第二個(gè)數(shù)碼管#defineC13XBYTE0xE200/ 第三個(gè)數(shù)碼管#defineC14XBYTE0xE300/ 第四個(gè)數(shù)碼管#defineC3XBYTE0xBF00/D/A 轉(zhuǎn)換器#defineC2XBYTE0xDF00/A/D 轉(zhuǎn)換器#defineC40XBYTE0x7F00/ 鍵盤#defineC41XBYTE0x7000/ 鍵盤第一行#defineC42XBYTE0x7100/ 鍵盤第二行#defineC43XBYTE0x7200/ 鍵盤第三行#defineC44XBYTE0x7300/ 鍵盤第四行#defineK10x1E#defineK20x1D#defineK30x1B#defineK40x17#defineK50x0F#defineK60x5E#defineK70x5D#defineK80x5B#defineK90x57#defineK100x4F#defi