电子工程设计报告2阶

试用与北京工业大学电子工程实验课

题目：闭环温度控制系统设计与实现电子工程设计报告

专业：

小组：

姓名学号：

指导教师： 完成日期：2016年12月20日

试用与北京工业大学电子工程实验课

目 录

摘 要 ...................................................................................................................................................... i 目 录 ..................................................................................................................................................... ii

一、课题背景 ............................................................................................................................................ 1

二、需求分析 ............................................................................................................................................ 2

三、单片机应用电路设计与实现

1.设计要求 ........................................................................................................................................... 3

2.方案设计与电路设计 .................................................................................................................... 4

3.原理与理论计算 ............................................................................................................................. 6

4.调试原理与方法 8

5.调试过程及数据 ........................................................................................................................... 10

6.出现问题及解决 ........................................................................................................................... 12

四、模/数转换电路设计与实现

1.设计要求 ......................................................................................................................................... 13

2.方案设计与电路设计 .................................................................................................................. 13

3.原理与理论计算 ........................................................................................................................... 15

4.调试原理与方法 17

5.调试过程及数据 ........................................................................................................................... 17

6.出现问题及解决 ........................................................................................................................... 20

五、显示与键盘控制电路设计与实现

1.设计要求 ........................................................................................................................................ 20

2.方案设计与电路设计 ................................................................................................................. 21

3.原理与理论计算 .......................................................................................................................... 22

4.调试原理与方法 23

5.调试过程及数据 .......................................................................................................................... 26

6.出现问题及解决 .......................................................................................................................... 28

六、数/模转换电路设计与实现

1.设计要求 ........................................................................................................................................ 28

2.方案设计与电路设计 ................................................................................................................. 29

3.原理与理论计算 .......................................................................................................................... 30

4.调试原理与方法 33

5.调试过程及数据 .......................................................................................................................... 33

6.出现问题及解决 .......................................................................................................................... 34

七、温度测量和控制程序设计

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1.基本任务归纳 ............................................................................................................................... 35

2.程序设计方案 ............................................................................................................................... 36

3.程序模块设计 ............................................................................................................................... 36

4.调试原理与方法 .......................................................................................................................... 36

5.出现问题及解决 .......................................................................................................................... 40

八、设计任务完成情况总结 ............................................................................................................... 41

九、体会与建议 ..................................................................................................................................... 43

十、附录

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一、课题背景

在之前我们完成了焊接包括电源板、驱动器和变送器在内的一些工作，通过之前的准备，我们对焊接电路已经基本上熟练掌握了，也对电路原理和设计有了较为详尽的了解。

二、需求分析

温度测量软件的基本功能是进行温度的实时测量和显示。系统需要进行从测温数据采集到温度数字显示的设计；需要变送器、模/数转换器、单片机系统、人机交互控制器组成的测温电路子系统配合。

开环温度控制软件系统的基本功能为实时温度测量和显示，通过按键控制温度的升、降。需要变送器、模/数转换器、单片机系统、人机交互控制器、数/模转换器组成的温度控制电路子系统配合。在温度测量基础上还需要设计按键信息采集/分析方法，温度控制数据传送过程和方法。

闭环温度控制软件的基本功能为通过按键设定温度，控制半导体制冷片实时跟踪设定温度，显示当前温度。需要变送器、模/数转换器、单片机系统、人机交互控制器、数/模转换器组成的温度控制电路子系统配合。在开环温度控制基础上，还需要利用自动控制算法设计使温度迅速逼近并稳定在设定点的过程和方法。

三、单片机应用电路设计与实现

1.设计要求

具有独立电路板结构。

片选信号：4个， 地址信号：4个，

数据总线：AD0~AD7， I/O口线：P3口，P1口。

2.方案设计与电路设计

芯片的介绍和参数：MCS-51系列单片机性能优异，因此单片机芯片采用MCS-51系列中的89C51。 在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。 下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。

电路图：

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3.电路原理

（1）74LS373 当三态允许控制端或总线。当 OE 负载，数据 D 而变。当（2）74LS138当一个选通端（E1可将地址端（A0、A1比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。

（3）电路工作原理

①C8051的P3口为数据/地址复用端口，为了得到低8位地址，需要数据/地址分离电路。C8051通过A13、A14、A15三口输出信号给74LS138 译码器，经过芯片译码后输出6个片选信号，当输出相应地址时输出相应片选。译码器的E1、E2口接低，E3口接高，7、9两口制空。

②C8051接收信号后需要数据/地址分离电路，而74LS373锁存器便充当了这一功能。373从8051的D0~D7口接收到信号后将信号分离，数据信号从锁存器的Q0~Q3口输出，地址信号从锁存器的D0~D7口输出。

4.出现问题及解决

本模块完成较为顺利，只有第一次测试的时候发现不工作，故障原因是焊点脱落。在修复了该焊点后，单片机随即正常工作了。

这让我们对于焊接过程更加重视，越发理解在焊接的时候小心仔细就是为之后节省时间和精力。我们应该养成良好习惯，每一个焊点都应该焊接的一丝不苟，不能有糊弄的心态，否则最后麻烦的还是自己。

四、模/数转换电路设计与实现

1.设计要求：

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具有独立电路板结构。

输入范围：00H ~ 0FFH， 对应输出：-10V~+10V，

误差：1%，响应时间：< 1ms，

电源供电：+5V，±12V。

2.方案设计及电路设计

（1）芯片及原理

ADC0804芯片参数：工作电压：+5V，即VCC=+5V。

模拟输入电压范围：0～+5V，即0≤Vin≤+5V。

分辨率：8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0～255之间。 转换时间：100us（fCK=640KHz时）。

转换误差：±1LSB。

参考电压：2.5V，即Vref=2.5V。

模数转换器，是将模拟电信号转变成计算机能识别的数字信号。在模数转换中，应根据测量精度要求，考虑转换电路的精度和分辨率，并力求降低成本。模数转换有多种方法可以实现，如采用电压/频率变换器，以频率或脉宽来计算温度，也可以采用A/D变换器或其它方法。如采用A/D变换器，应考虑转换器输入阻抗和变送器输出阻抗对信号的衰减可能引起的测试误差，并尽量降低这一误差。板间连接应注意保护。根据课设要求，温度0～100 C0～5V表示的，转成数字表示，即0～FFH。

（2）电路参数计算及电路图

电路主要参数计算：

(1) 转换精度： A/D转换器也采用分辨率和转换误差来描述转换精度。 分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制码最低有效位（LSB）时，输入模拟量的最小变化量。他反映了A/D转换器对输入模拟量微小变化的分辨能力。在最大输入电压一定时，位数越多，量化单位越小，分辨率越高。 转换误差通常用输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示，反映A/D转换器实际输出数字量和理论输出数字量之间的差异。

(2) 转换时间： 转换时间是指转换控制信号（vL）到来，到A/D转换器输出端得到稳定的数字量所需要的时间。转换时间与A/D转换器类型有关，並行比较型一般在几十个纳秒，逐次比较型在几十个微秒，双积分型在几十个毫秒数量级。 实际应用中，应根据数据位数、输入信号极性与范围、精度要求和采样频率等几个方面综合考虑A/D转换器的选用。

(3) 4脚和19脚之间按图示的方法接10KΩ的电阻和150PF的电容，是根据芯片手册上给的参考电路所确定的。

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电路图： 3.出现问题及解决 本模块难度相对较低，且我们已经养成了慢工出细活的好习惯，因此很快便完成了，唯一的问题是我们的误差较大。经过分析，应该是因为变送器少接了几个电容，本就精度不高，因此影响了模数转换模块的精度。因此我们把漏接的几个电容都接好后再测试A/D转换器，精度果然有所提高。 五、显示与键盘控制电路设计与实现 1.设计要求 4 位7 段数码显示， 前 3 位含小数点独立电路板安装结构 0 ~ 9数字输入键及若干功能设置按键控制。 2.电路原理及电路图 (1)基本显示控制方式有静态和动态两种，静态电路考验的是焊接工艺，动态电路考验的是程序编写能力。因为我们组比较擅长于程序编写方面，所以我们选择了动态电路显示控制方式。其中最主要的部件是CH452芯片，基本功能是采用动态扫描控制方式 ， 4 线同步串行接口编程或 2 线（I2C）串行接口编程。动态显示电路方案：电路简单，成本低，控制程序复杂，适用于显示位数较多的场合。矩阵键盘电路方案：按键较多时，成本低，控制程序较直读电路复杂，适用于显示位数较多的场合。 (2)动态显示电路图

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键盘控制电路图

3.出现问题及解决

首先焊接、测试的是显示模块电路，在测试中我们的电源烧坏了一次保险丝，因此我们又反复检查了电源电路，试图找到是哪里短路。最后我们发现是+5管脚焊接的不够仔细牢固的问题。这更加提醒了我们焊接时一定不能图快。稳是最重要的。

下载程序并运行后，数码管示数很凌乱，速度也很快。我们首先请教了同学，在同学的建议下修改了程序使其数字跳动的速度明显降低了。经过观察，我们认为电路整体和程序都没有问题，但是片选有问题。将片选重焊正确后电路正常工作了。

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六、数/模转换电路设计与实现

1.设计要求：具有独立电路板结构。

输入范围：00H ~ 0FFH， 对应输出：-10V~+10V， 误差：1%，响应时间：< 1ms，

电源供电：+5V，±12V。

2.电路设计及电路原理

（1）DAC8032芯片介绍

数模转换器是整个控制系统将计算机输出的数字信号转化成模拟信号的重要部件，它的特性直接影响温度转换的精度。其转换的精度主要由数模转换器的位数和Vref结合电子工程设计的实际要求，结合高性价比的原则我们选择了8位D/A转换器 DAC0832。

单片集成D/A转换器产品种类繁多，按其内部电路结构一般可分为两类：一类集成芯片内部只集成了转换网络和模拟电子开关；另一类则集成了组成D/A转换器的所有电路。本实验选用DA0832，各引脚名称及作用如下： D7～D0：具有三态特性数字信号输出。 GND：信号地。 CS：低电平有效的片选端。 WR：写信号输入，低电平启动D/A转换。

RD：读信号输入，低电平输出端有效。 VREF：参考电平输入，决定量化单位。

（2）电路原理：数模转换电路，可以将数字电量转换成模拟电量。在数模转换中，应根据转换要求，考虑输出电压的分辨率和精度。数模转换有多种方法可以实现，在满足要求的情况下，应力求降低成本。可以采用频率/电压变换的方法，也可以采用D/A变换器或其它方法，如采用D/A变换器，建议使用DAC0832。（00－FF）数字对应于（－10V～＋10V）电压。

3.电路图

3.出现问题及解决

数模转换电路的焊接难度一般，算不上很难，但我们由于犯了一个非常低级的错误而导致无论如何都找不到波形，那就是我们的输入D0~D7都漏接了。 这给我们的教训是，第一电路图不要画得太简略，我们就是因为图省事没有在图里画出来，结果焊接过程中机械照着电路图一根线一根线的连接，最后就直接导致这个后果。第二就是焊接时，不要死板地机械工作，更不要盲目信任电路图，焊接时一定要有思考，这样既更加了解自己的电路板，也能避免这种事的发生。

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七、温度测量和控制程序设计

1.设计任务与设计要求：搭建测温硬件环境

设计数据数据采集

数据显示程序

完成温度测量和显示工作

设计系统流程图

完成闭环控温系统

2.实验内容及原理图

首先通过AD板读取当前温度，现在LED3、4位上，利用一个4*4的矩阵从软件上实现键盘正常顺序实现，设置标志flag来确定键入的是个位还是十位。设定flag_ctrl位来判断是否进行闭环控温，接下来需要设定一个差值diff0来判断是升温还是降温还是恒温.

程序及说明：

1、

#include "C8051F020.h"

#include "absacc.h"

#include "data_define.c"

#include "Init_Device.c"

#define CS1 XBYTE[0x2000]

#define CS2 XBYTE[0x4000]

#define DP1 XBYTE[0x0000]

#define DP2 XBYTE[0x0100]

#define DP3 XBYTE[0x0200]

#define DP4 XBYTE[0x0300]

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#define KEY_WR XBYTE[0x0400]

#define KEY_RD XBYTE[0x0400]

#define linescan1 0xfe

#define linescan2 0xfd

#define linescan3 0xfb

#define linescan4 0xf7

#define TIMER 0x8000

在头文件选取和端口设计按照之前PPT程序中给的。

2、CS1=x;

delay();

x=CS1;

x=(x*100)/256;

y=x%10;

DP4=table[y];

z=(x/10);

DP3=table[z];

显示当前温度，显示在DP4，DP3。

3、

{switch(l_val)

{ case 1: KEY_WR=linescan1; break;

case 2: KEY_WR=linescan2; break;

case 3: KEY_WR=linescan3; break;

default: KEY_WR=linescan4; }

if(r_state=~KEY_RD&0x0f)

for(conter=1,r_val=1,temp=1;conter<5;++conter,++r_val,temp=temp<<1) if((r_state&temp)!=0)

{ key_test=key[l_val-1][r_val-1];

switch(key_test)

{

case'c':

flag_ctrl=flag_display[0]&&flag_display[1];break;

case 'd': flag=0; break; case 'e': flag=1; break; case 'f': flag_ctrl=0;break; case 'a': break;

default: led[flag]=key_test; flag_display[flag]=1; }

if(flag&&flag_display[flag])

DP2=table[led[flag]];

if((!flag)&&flag_display[flag])

DP1=table[led[flag]];}

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}

这段程序利用键盘行列确定具体介入那个键，c键flag_ctrl=1设定为开始闭环控温，e键设定flag=1确定个位数字，f键flag_ctrl=0取消闭环控温，a键跳出循环。

其他位数字键。

4、

temper[0]=led[0]*10+led[1];

temper[1]=z*10+y;

diff0=temper[0]-temper[1];

if(flag_ctrl)

{

if(diff0>0)

diff1=255;

else if(diff0<0)

diff1=0;

else

diff1=128;

}

else{

diff1=128;

}

CS2=diff1;delay();

}

}

本程序通过diff0=temper[0]-temper[1];确定差值diff0，判断正负或者为零进行升降温、恒温。Delay函数保证数值不会跳变太频繁。

八、实验心得

本阶段实验我们感到非常有收获。首先，上一阶段中我们的主要任务还只是练习焊接技术等，但本阶段中我们可以参与设计系统，这对于编程能力有很大的提高。而且经过更多的练习，焊接能力有了更大的进步，包括电路板的布局、排线、怎样最高效率地将焊点焊牢固，减少后期工作量等等，和最初相比都有了非常明显的进步。同时，面对电路板出现的问题，我们在猜测、检查、推测故障原因上也越发有经验，遇到困难，我们比第一阶段时的心态要平稳得多，排查问题的效率也高得多了。虽然我们的能力并不能解决我们遇到的所有问题，但是通过请教老师和同学、查询资料等方法，我们还是顺利完成了本阶段的实验。

但是，正是因为有所进步，我们才更加明白自己的差距还很大。比如由于基础知识不扎实，编程阶段就很难顺利进行。这次实验不光是实践和能力的进步，更是对我们的鞭策，今后的学习中绝不可再轻视基础知识，毕竟实验的目的还是巩固知识、学以致用。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ayz1.html