北工大電工實驗2報告

1、電子工程設(shè)計第二階段設(shè)計報告23電子工程設(shè)計報告題目：閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)專業(yè)：電子信息工程小組：姓名學(xué)號： 指導(dǎo)教師：張印春 完成日期：2016年1月1日摘要本電子工程設(shè)計實驗的任務(wù)是完成一套小型的溫度控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)需要完成非電量到電量信號轉(zhuǎn)換、信號處理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人機交互、數(shù)據(jù)通信、控制等設(shè)計工作，幾乎覆蓋一般電子系統(tǒng)的所有設(shè)計環(huán)節(jié)。本實驗在課程安排上包含三個階段。本學(xué)期一到七周已經(jīng)完成了第一階段，本報告主要針對的是第二階段內(nèi)容。在第一階段直流穩(wěn)壓電源模塊、變送器模塊，驅(qū)動器模塊的基礎(chǔ)上，又包含：單片機模塊的設(shè)計與實現(xiàn)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計與實現(xiàn)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

2、、鍵盤顯示模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。在上述七個模塊的硬件基礎(chǔ)上，通過軟件設(shè)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(shè)定。本報告針對以上模塊分別詳細給出了設(shè)計要求、方案設(shè)計、電路設(shè)計、原理分析、電路調(diào)試、電路故障等方面的內(nèi)容，以完整反映實驗過程?！娟P(guān)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(yīng)用電路設(shè)計與實現(xiàn) 1.設(shè)計要求6 2.方案設(shè)計與電路設(shè)計6 3.原理與理論計算8 4.調(diào)試過程及方法9 5.出現(xiàn)問題及解決.9四、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計與實現(xiàn)1.設(shè)計要求10 2.方案設(shè)計與電路設(shè)計10 3.

3、原理與理論計算11 4.調(diào)試過程及方法12 5.出現(xiàn)問題及解決12五、顯示與鍵盤控制電路設(shè)計與實現(xiàn)1.設(shè)計要求13 2.方案設(shè)計與電路設(shè)計13 3.原理與理論計算13 4.調(diào)試過程及方法15 5.出現(xiàn)問題及解決15六、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計與實現(xiàn)1.設(shè)計要求15 2.方案設(shè)計與電路設(shè)計15 3.原理與理論計算16 4.調(diào)試過程及方法17 5.出現(xiàn)問題及解決18七、溫度測量和控制程序設(shè)計 1.基本任務(wù)歸納19 2.程序設(shè)計方案19 3.程序模塊設(shè)計20 4.調(diào)試原理與方法21 5.出現(xiàn)問題及解決21八、最終實現(xiàn)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(tǒng)作為一種應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控

4、制系統(tǒng)，不僅廣泛的應(yīng)用在化工、石油、冶金等生產(chǎn)過程的物理過程和化學(xué)反應(yīng)中，而且逐漸民用化，應(yīng)用于家用的各種電器中。單片機技術(shù)作為計算機技術(shù)的一個重要分支，廣泛應(yīng)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(lǐng)域，它具有體積小、功能多、價格低廉、使用方便、系統(tǒng)設(shè)計靈活等優(yōu)點，因此具有非常大的應(yīng)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(tǒng)，可以用來保持溫度恒定或者使溫度按照設(shè)定的溫度變化。因此，具有極其廣泛的應(yīng)用前景。二、 需求分析本報告所涉及的小型溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：(1)溫度控制范圍：0100 (2)測溫元件：半導(dǎo)體溫度傳感器AD592(3)溫度控制執(zhí)行

5、元件：半導(dǎo)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(tǒng)基本組成如圖所示： 圖1. 1 系統(tǒng)整體功能框三、 單片機應(yīng)用電路設(shè)計與實現(xiàn)1.設(shè)計要求片選信號： 6個 地址信號： 4個數(shù)據(jù)總線： AD0AD7控制信號： WR，RD ，ALE，INT0安裝： 獨立電路板結(jié)構(gòu)2.方案設(shè)計與電路設(shè)計（1）MCS-51系列單片機有眾多性能優(yōu)異的兼容產(chǎn)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(xué)者的首選機型。8051是MCS-51系列單片機早期產(chǎn)品之一，內(nèi)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(tǒng)。所以我們選擇805

6、1作為我們的單片機（2）安裝結(jié)構(gòu)（3）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(yīng)唯一地址。部分地址參與譯碼，產(chǎn)生的控制信號對應(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)生的控制信號對應(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)動電路，產(chǎn)生的控制信號對應(yīng)某一地址區(qū)域。 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(guān)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(guān)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

7、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：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(qū)動負載或總線。當 OE 為高電平時，Q0Q7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)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(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，D 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)據(jù)/地址復(fù)用端口，為了得到低8位地址，需要數(shù)據(jù)/地址分離電路。C8051通過A13、A14、A15三口輸出信號給74LS138 譯碼器，經(jīng)過芯片譯碼后輸出6個片選信號，當輸出相應(yīng)地址時輸出相應(yīng)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(shù)據(jù)/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(shù)據(jù)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(diào)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(xiàn)錯誤。（2）測試時，將電源板放到相應(yīng)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(yīng)）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(guān)系是否正確；正確波形如下：5、出現(xiàn)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(xiàn)是示波器使用不當引起，學(xué)習示波器的使用之后再次檢查，正確。四、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路1. 設(shè)計要求輸入信號范圍： 0V+5V分辨率： 8bit精度：1LSB轉(zhuǎn)換時間：&l

10、t; 1ms安裝：獨立電路板結(jié)構(gòu)2.方案設(shè)計與電路設(shè)計本次設(shè)計AD轉(zhuǎn)換電路采用芯片ADC0804，芯片主要參數(shù)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(zhuǎn)換值介于0255之間。 轉(zhuǎn)換時間：100us（fCK=640KHz時）。 轉(zhuǎn)換誤差：±1LSB。 參考電壓：2.5V，即Vref=2.5V。模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是將模擬電信號轉(zhuǎn)變成計算機能識別的數(shù)字信號。在模數(shù)轉(zhuǎn)換中，應(yīng)根據(jù)測量精度要求，考慮轉(zhuǎn)換電路的精度和分辨率，并力求降低成本。模數(shù)轉(zhuǎn)換有多種方法可以實現(xiàn)，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(yīng)考慮轉(zhuǎn)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(yīng)注意保護。根據(jù)課設(shè)要求，溫度0100 的變化是用電壓05V表示的，轉(zhuǎn)成數(shù)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(zhuǎn)換精度：A/D轉(zhuǎn)換器也采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。分辨率是指引起輸出數(shù)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(zhuǎn)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(shù)越多，量化單位越小

12、，分辨率越高。轉(zhuǎn)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(shù)表示，反映A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字量和理論輸出數(shù)字量之間的差異。(2) 轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換時間是指轉(zhuǎn)換控制信號（vL）到來，到A/D轉(zhuǎn)換器輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間與A/D轉(zhuǎn)換器類型有關(guān)，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(shù)量級。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)位數(shù)、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(zhuǎn)換器的選用。(3) 8位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路主要技術(shù)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(zhuǎn)換時間 - 100微秒為便于各模塊協(xié)調(diào)一致的工作，電路設(shè)計統(tǒng)一接口模式，方便調(diào)試與查錯，模數(shù)裝換模塊安裝接口如圖2.8所示。圖2. 2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路安裝結(jié)構(gòu)圖。4.調(diào)試過程及方法改變設(shè)置溫度，運行A/D測試程序，檢查模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。一般為05伏特之間改變，相應(yīng)數(shù)為0255.改變設(shè)置溫度，運行A/D測試程序，檢查模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。在調(diào)試臺上通過旋鈕不斷改變溫度數(shù)值5.出現(xiàn)問題及解決由于電路比較簡單，調(diào)試一切正常。一般故障檢測方法為：查數(shù)據(jù)線是否漏接， 若A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值不隨設(shè)置溫度正比變化檢查數(shù)據(jù)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(guān)元件連接是否正確，若頻率過高（正常約為640KHz）檢查元件參數(shù)是否有誤。如果元件連接及元件參數(shù)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(shù)去掉，加快程序循環(huán)的時間，檢查轉(zhuǎn)換控制信號、和數(shù)據(jù)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(shè)計要求：1、4 位7 段數(shù)碼顯示，前 3 位含小數(shù)點2、0 9數(shù)字輸入鍵及若干功能設(shè)置按鍵控制3、獨立電路板安裝結(jié)構(gòu)2.方

15、案設(shè)計與電路設(shè)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(fù)雜，適用于顯示位數(shù)較多的場合?？墒褂弥悄苄酒?279完成。本階段我們用74LS273 設(shè)計顯示數(shù)據(jù)輸出電路，然后用74LS244設(shè)計鍵盤狀態(tài)讀入電路，最后設(shè)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(fù)雜，適用于顯示位數(shù)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(xié)調(diào)一致的工作，電路設(shè)計統(tǒng)一接口模

16、式，方便調(diào)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(jié)構(gòu)圖3.調(diào)試過程及方法（1）顯示電路模塊調(diào)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(shù)碼管上應(yīng)有數(shù)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(diào)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(shù)碼顯示管，顯示相應(yīng)的行編碼和列編碼。否則，說明電路存在故障。4.出現(xiàn)問題及解決由于焊接之

17、前就知道此電路相當復(fù)雜，錯焊或者虛焊都會使檢查工作變得復(fù)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(diào)試時發(fā)現(xiàn)有一行鍵盤無反應(yīng)，我們初步推斷漏焊了一根線，檢查后發(fā)現(xiàn)確實如此，焊接上再次進行調(diào)試，一切正常。六、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路1. 設(shè)計要求輸入范圍： 00H 0FFH 對應(yīng)輸出： -10V+10V 誤差： 1%FSR 響應(yīng)時間： < 1ms電源供電： +5V，±12V安裝： 獨立電路板結(jié)構(gòu)2.方案設(shè)計與電路設(shè)計D/A的作用是把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。有電流開關(guān)型、脈寬調(diào)制型等。在這里，我們采用DAC0832構(gòu)成D/A電路。 DAC0832是8 位

18、乘算型電流輸出的典型產(chǎn)品，具有MCU兼容接口，使用方便，價格低，能滿足設(shè)計要求。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。DAC0832工作原理及特性如圖2.13所示：圖2. 7模數(shù)裝換工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖2.14所示：圖2. 8 數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)：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(xié)調(diào)一致的工作，電路設(shè)計統(tǒng)一接口模式，方便調(diào)試與查錯，數(shù)模裝換模塊安裝接口如圖2.15所示。圖2. 9 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊安裝結(jié)構(gòu)圖4.調(diào)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(yù)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(shù)模轉(zhuǎn)換測試波形圖5.出現(xiàn)問題及解決調(diào)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(xiàn)輸出波形正確但是幅值不對。經(jīng)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(shè)計1.基本任務(wù)歸納在分模塊電路設(shè)計完成之后，就要進行整系統(tǒng)聯(lián)合的功能調(diào)試，整體調(diào)試主要實現(xiàn)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(diào)試與實現(xiàn)，進一步深化對系統(tǒng)設(shè)計的理解，增強系統(tǒng)調(diào)試能力與發(fā)

21、現(xiàn)問題、解決問題的能力。設(shè)計數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)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(shè)計方案 開始數(shù)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(shù)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(shè)計溫度采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊溫度顯示模塊4.調(diào)試原理與方法 調(diào)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(tǒng)數(shù)字顯示，應(yīng)跟隨調(diào)試臺設(shè)置溫度變化并與調(diào)試臺設(shè)置溫度接近。若測量溫度與設(shè)置溫度相差過大

22、的調(diào)試，則調(diào)整變送器。調(diào)試臺設(shè)置低端溫度，變送器進行零點校準，調(diào)試臺設(shè)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(shè)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(diào)節(jié)控制精度。5.出現(xiàn)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(yīng)的鍵值存在一個二維數(shù)組中，每次進行地址掃描，將按下的鍵的行列取出來，對應(yīng)到二維數(shù)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(shù)組，一個數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)小，我們將積分項系數(shù)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(shù)的調(diào)整，發(fā)現(xiàn)當積分項系數(shù)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(xiàn)，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(xiàn)情況經(jīng)過了九周的努力，最終我們完成了閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過剛開始的硬件焊接到后來軟件的編程，以及無數(shù)個不斷調(diào)試的夜晚，最終我們的驗收結(jié)果還算讓人滿意。我們的系統(tǒng)能實現(xiàn)從5.4度到80.5度的精確控制。唯一讓