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电子工程设计报告题目：闭环温度控制系统设计——单片机、AD、DA、显示键盘电路及系统软件专业：自动化小组：12—C姓名学号：李晓云（09020330）吕柳璇（09020329）指导教师：张辉完成日期：2012年4月23号摘要随着电子产品向智能化和微型化不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器，并在检测和控制系统中得到广泛的应用，而温度作为工业控制中的一个很重要的参数，是系统常须测量、控制和保持的。本论文将从硬件和软件两个方面，介绍以8051单片机为核心的温度控制系统的组成和原理。关键词：8051单片机，A/D，D/A，键盘，显示，数码管。目录一、背景与功能指标要求二、系统方案设计2.1单片机的介绍2.1.1单片机的特点2.1.2单片机的基本组成2.2系统功能的确定2.3ADC0804的介绍2.3.1ADC0804的特点2.3.2ADC0804的引脚及功能2.4DAC0832的介绍2.4.1DAC0832的特点2.5人机交互与串口通信三，硬件电路设计3.1单片机电路设计3.1.1单片机工作过程及原理………………………………………………………3.1.2单片机设计基本要求…………………………………………………………3.1.3单片机选择……………………………………………………………………3.1.48051单片机最小系统组成……………………………………………………3.1.5单片机功能扩展图……………………………………………………………3.1.6单片机系统应用电路…………………………………………………………3.1.7单片机电路的地址分配情况…………………………………………………3.2A/D电路设计与实现3.2.1A/D电路的基本要求…………………………………………………………3.2.2ADC0804工作原理及特性……………………………………………………3.2.3A/D转换电路…………………………………………………………………3.3D/A电路设计与实现3.3.1基本设计要求…………………………………………………………………3.3.2D/A电路选择……………………………………………………………3.3.3DAC0832电压转换电路………………………………………………………3.3.4DAC0832与8051单片机的接口设计………………………………………3.3.5D/A转换电路图………………………………………………………………3.4显示键盘电路3.4.1显示电路…………………………………………………………………………3.4.2键盘电路…………………………………………………………………………3.5电路调试…………………………………………………………………………………3.5.1调试的原理与方法………………………………………………………………3.5.2调试的过程与数据………………………………………………………………一、背景与功能指标要求1）设计背景随着电子产品向智能化和微型化不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器，并在检测和控制系统中得到广泛的应用，而温度作为工业控制中的一个很重要的参数，是系统常须测量、控制和保持的。2)功能指标要求:我们所设计的基于8051单片机的温度控制系统，以单片机作为核心部件进行检测控制，增强了设计的通用性，适时性。该系统能检测环境温度，并根据通过键盘输入设置好的温度在0~100℃范围内相应地进行制冷或制热。3）技术指标要求：此温度控制系统设计的是4*5的键盘，4位数码管显示，并且要求A/D的分辨率为8位，误差为±1LSB，转换时间为100μs,要求D/A的分辨率为8位，误差为0.2%FSR，电流稳定时间为1μs。控温范围0~100℃，温度误差控制在±2℃左右。二、系统方案设计此温度控制系统由温度采集，4*5矩阵键盘输入，温度显示，温度控制执行等四大模块组成。系统电路的总线如图1所示：图1系统电路的总线2.1单片机的介绍随着单片机大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU，RAM，ROM，定时器/计数器和多重I/O口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早起的含义成为单片微型计算机，直译为单片机。2.1.1单片机的特点1，具有优异的性能价格比2，集成度高、体积小、可靠性高3，控制功能强4，低电压、低功耗2.1.2单片机的基本组成1,8051的管脚图如图2所示2，8051的管脚功能①P0口有三个功能1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。②P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。③P2口有两个功能1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；④P3口有两个功能除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能。⑤上拉电阻输入信号时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。⑥ALE/PROG地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。⑦PORG为编程脉冲的输入端在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），通过编程脉冲输入输入端口PROG把编写好的程序存入进这个ROM中。PSEN外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。1、内部ROM读取时，PSEN不动作；2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。2.2系统功能的确定一个控制系统是否能被大众所接受，在于该控系统是否拥有人性化的操作功能。为了使本次的温度控制系统具有操作简单，灵活及高可靠性等特点，确定了该系统功能：①4*5矩阵键盘输入②温度采集③温度显示④温度控制执行⑤温度测量范围为0~100℃，温度误差范围为±2℃。2.3ADC0804的介绍ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片，具有MCU兼容接口，使用方便，且价格低廉。2.3.1ADC0804的特点ADC0804的分辨率8位，转换时间100μs，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路2.3.2ADC0804的引脚及功能图3ADC0804的管脚图各个管脚的作用：D0-D7：八位数字量输出端；CLK：为芯片工作提供工作脉冲，时钟频率计算方式是：fCK=1/(1.1×R×C）CS：片选信号；WR：写信号输入端；RD：读信号输入端；INTR：转换完毕中断提供端；其他管脚，是供电和提供参考电压的管脚输入端。2.4DAC0832的介绍DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。2.4.1DAC0832的特点由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗20mW。2.4.1DAC0832的内部结构、管脚图及引脚功能1，DAC0832的内部结构、管脚图如图4所示：图4DAC0832内部结构、引脚图2，DAC0832引脚功能说明：*D0～D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；*ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；*CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；*WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；*XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；*WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。*IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；*IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；*Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；*Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；*VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；*AGND：模拟信号地*DGND：数字信号地2.5人机交互与串口通信①温度采集模块由温度传感器AD590完成，并通过串口通信技术，与单片机进行数据传输。②4*5矩阵键盘输入模块采用外部中断0来判断是否有输入请求，并通过键盘扫描技术来获取所输入的温度值和偏差温度值，输入更灵活，更方便。③温度显示模块通过4个7段LED数码显示管显示当前温度值和设定的温度，及时反映当前温度的变化与设置的温度的关系。④温度控制执行模块系统根据当前温度自动进行响应的升温或降温的操作，，在系统自动进行升温或降温处理的同时显示响应的指示灯，让使用者知道系统正在进行的操作。三、硬件电路设计3.1单片机电路设计3.1.1单片机工作过程及原理8051负责中心运算和控制，以及各个模块的协调工作。首先，AD590检测到环境温度并输送到变送器输出温度信号，经A/D转换器转换为数字信号后，将所得的数字信号传送于单片机微处理接口，单片机将所得信号与其检测到键盘的输入信号即设定温度值相比较得到偏差，再将偏差信号送于D/A转换器，继而控制驱动器进行加热或制冷。3.1.2单片机设计基本要求①片选信号：4个；②地址信号：4个；③数据总线：AD0~AD7；④I/O口线：P0口，P1口；⑤安装：独立电路板结构。3.1.3单片机选择MCS-51系列单片机有众多性能优异的兼容产品、成熟的开发环境、世界上最大的单片机客户群、高性价比、畅通的供货渠道。故我们采用8051.3.1.48051单片机最小系统组成图58051单片机最小系统组成3.1.5功能扩展图（单片机为了完成更加复杂的工作必须进行功能扩展。）EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U18051CY111.059C122pC222pC310uFR18.2K+5+5图58051功能扩展框图3.1.6单片机系统应用电路I/O端口不需要用地址进行访问定位，但仍然需要片选信号进行访问控制，I/O端口访问控制信号的产生方法包括：全地址译码、部分地址译码