北京工业大学电子工程设计--二阶实验报告

电子工程设计第二阶段报告

小型温度测量与控制系统

专业：通信工程小组： 10组

成员：刘志斌 12024228 高培元 12024215

指导教师：高新

完成日期：2014.12.20

摘要：

第一阶段我们已经完成了电源板和变送器。本学期的第二阶段要求是完成这个系统中单片机，A/D，D/A转换电路和显示与键盘控制电路部分。

温度控制系统总体概述

（一）、总述

电子工程设计训练是一门综合理论知识，实践操作，电子电路系统的设计、实现、调试、故障排查等方面的综合性训练。第一阶段只完成了电源以及变送器部分。本阶段工作量非常大，需要完成单片机，数模，模数转换电路和显示与键盘控制电路部分，并且完成测温系统的测试。

（二）设计任务与要求

一、设计任务

设计、制作并调试单片机，数模，模数转换电路和显示电路共四个模块。二、设计要求

1．单片机：具有独立电路板结构。

片选信号：6个，

地址信号：4个，

数据总线：AD0~AD7，

I/O口线：P3口，P1口。

2．数/模(D/A)转换电路：具有独立电路板结构。

输入范围：00H ~ 0FFH，

对应输出：-10V~+10V，

电源供电：+5V，±12V。

3．模/数(A/D)转换电路: 独立电路板结构

输入信号范围：0V~+5V

分辨率：8bit

精度：1LSB

转换时间：< 1ms

4．显示与键盘控制电路:

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

（三）单片机应用电路

一、电路设计方案

1.芯片介绍

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，是初学者的首选机型。8051是MCS-51系列单片机早期产品之一，内建一次性可编程只读存储器 ( PROM ) ，只需要很少的外围元件即可组成最小系统。所以我们选择8051作为我们的单片机

2.安装结构

3.电路方案的确定

通过比较，我们最后选定相对容易实现的部分地址译码，无总线驱动的方案，因为这样可以简化电路。电路图如下：

二、电路的调试

$include (C8051F020.inc)

LOOP: LCALL Init_Device

MOVX A , @DPTR

MOV DPTR, #0000H

MOVX A , @DPTR

MOV DPTR, #2000H MOVX A , @DPTR

MOV DPTR, #4000H MOVX A , @DPTR

MOV DPTR, #6000H MOVX A , @DPTR

SJMP LOOP

$include (Init_Device.inc)

END

正确输出波形如图所示：

用示波器观察C1~ C4引脚，应有图示的波形输出。如果没有输出或者彼此关系错乱，都表明电路中存在故障。

3.原理及功能分析

（1）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。

(四) 数/模(D/A)转换电路

一、电路设计方案

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V ref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

2、安装结构

3、电路的选择

输出方式：与数字量成比例的电流输出/与数字量成比例的电压输出/数字量

和参考电压的相乘输出。

二、电路主要参数计算

D/A 转换器用于将数字量转换成模拟量，他的输入粮食数字量D ，输出量为模拟量V O ，要求输出的模拟量与输入的数字量成正比，即：

O R V D V =?

其中V R 为基准电压。

1

1

2

1200

2

2

22n n n i n n i i D d d d d -----==++

+=∑

将D 带入O R V D V =?得到：1

2n i O i R

i V d V

-==

∑。

三、电路调试

运行D/A 测试程序数/模数据显示窗口将有相应，数据显示，数据为从00—FF 顺序递增并不断循环。另外输出管脚会有锯齿波。

测试程序如下：

$include (C8051F020.inc) LCALL Init_Device MOV DPTR,#4000H ABC: MOVX @DPTR,A

INC A CALL DELAY JMP ABC DELAY: MOV R7,#01H

JJJ: MOV R6,#20H DJNZ R6,$ DJNZ R7,JJJ RET

$include (Init_Device.inc) END

输出波形如图：

(五) 模/数(A/D)转换电路

一.ADC0804芯片介绍

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1/2=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。

二．安装结构

原理说明：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 C

的变化是用电压0～5V表示的，转成数字表示，即0～FFH。

3.电路的选择

、

二、电路主要参数计算

(1) 8位数模转换电路主要技术指标：

分辨率 --- 8位：表示能够分辨的最小电压变化

DATA 为 1 时的 Vi 表示最小电压变化 误差 --- ±1LSB 转换时间 --- 100微秒

三、电路调试

调试程序如图：

$include (C8051F020.inc) LCALL Init_Device

ABC: MOV DPTR,#2000H MOVX @DPTR,A CALL DELAY

MOV DPTR,#2000H MOVX A,@DPTR CALL DELAY JMP ABC

DELAY: MOV R7,#02H JPP: MOV R6,#0H DJNZ R6,$ DJNZ R7,JPP RET

$include (Init_Device.inc)

8

2

ref i V Data V V ?=≈∑

END

结果在示波器上显示锯齿波，波形在-10V~+10V上即可。

(六)显示与键盘控制电路

一、电路设计方案

基本显示控制方式有静态和动态两种，我们选择了静态电路显示控制方式与矩阵键盘电路方案。静态显示电路方案：使用的元件多，成本相对较高。但每位独立控制，程序设计比较简单，适用于显示位数较少的场合。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.安装结构

3.电路的选择

静态显示电路方案：使用的元件多，成本相对较高。每位独立控制，程序设计比较简单，适用于显示位数较少的场合。使用74LS273，采用此方案。

键盘接口方法

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。采用此方案。

原理图如下：

二.电路调试

（1）显示电路模块调试

按照图进行电源板焊接完毕，而后再次认真查线一遍然后再开始测试。测试时，将电源板，单片机，显示电路正确连接。按正确加电顺序供电，如果一切正常可以开始进一步的测试。运行显示模块测试程序，如果电路工作正常，在4个数码管上应有数字 0-9 滚动显示。否则，说明电路存在故障。

调试程序如图：

#include "C8051F020.h"

#include "absacc.h"

#include "data_define.c"

#define DP1 XBYTE[0x0000]

#define DP2 XBYTE[0x0001]

#define DP3 XBYTE[0x0002]

#define DP4 XBYTE[0x0003]

#define TIMER 0x8000

#include "Init_Device.c"

unsigned char table[ ]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,

0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};

void delay(void);

void display(unsigned char x,y);

void main(void)

{

unsigned char i,num=0;

Init_Device();

DP1=DP2= DP3=DP4=0xff;

while(1)

{

for(num=0;num<10;++num)

{

i++;

if(i<=4) display(i,num);

else { i=1; display(i,num);}

delay( );

}

}

}

void display(unsigned char x,y)

{ if (x=1) DP1=table[y];

else if(x=2) DP2=table[y];

else if(x=3) DP3=table[y];

else DP4=table[y];

}

void delay(void)

{ unsigned int i;

for(i=0;i

}

（1）键盘控制模块调试：

运行键盘控制电路的测试程序，如果电路工作正常，在键盘上每按 1 个键，都会通过 2 位数码显示管，显示相应的行编码和列编码。否则，说明电路存在故障。

调试程序如图：

#include "C8051F020.h"

#include "absacc.h"

#include "data_define.c"

#define DP1 XBYTE[0x0000]

#define DP2 XBYTE[0x0001]

#define KEY_WR XBYTE[0x0002]

#define KEY_RD XBYTE[0x0003]

#define linescan1 0xfe

#define linescan2 0xfd

#define linescan3 0xfb

#define linescan4 0xf7

#define TIMER 0x8000

#include "Init_Device.c"

unsigned char table[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,

0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; void display(unsigned char x,y);

void main(void)

{

unsigned char l_val,r_val,r_state,temp,conter;

DP1 = DP2 = 0xff;

Init_Device();

while(1)

{

for( l_val = 1;l_val < 5;++l_val )

{

switch( l_val )

{

case 1: KEY_WR = linescan1; break;

case 2: KEY_WR = linescan2; break;

case 3: KEY_WR = linescan3; break; case 4 : KEY_WR = linescan4;

}

if(r_state=~KEY_RD&0x1f)

for(r_val=1,temp=1; r_val<6;++r_val,temp=temp<<1)

if((r_state&temp)!=0) display(l_val,r_val); }

}

}

void display(unsigned char x,y)

{

DP1=table[x];

DP2=table[y];

}

(七)温度测量

1.内容与原理

2.实验程序如下：

#include "C8051F020.h"

#include "absacc.h"

#include "data_define.c"

#include "Init_Device.c"

#define DP1 XBYTE[0x2000]

#define DP2 XBYTE[0x2001]

#define DP3 XBYTE[0x2002]

#define DP4 XBYTE[0x2003]

#define KEY_WR XBYTE[0x2004]

#define KEY_RD XBYTE[0x2005]

#define ADC XBYTE[0x0000]

#define DAC XBYTE[0x4000]

#define linescan1 0xfe

#define linescan2 0xfd

#define linescan3 0xfb

#define linescan4 0xf7

#define TIMER 0x8000

unsigned char data table []={0xC0,0xF9,0XA4,0XB0,0x99,0x92,0x82,0Xf8,0x80,0x90}; unsigned char key[4][4]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,'a','b','c','d','e','f'};

void delay(void);

void main(void)

{

unsigned char l_val,r_val,r_state,temp,conter;

unsigned char b=0,key_test;

unsigned char x=0,target,now;

int y=0,z=0; //wendu

int shiwei,gewei; //jianpan

int diff1=128;

DP1=DP2=DP3=DP4=0xff;

Init_Device();

while(1)

{

ADC=x;

delay();

x=ADC;

x=(x*100)/256;

y=x%10;DP4=table[y];

z=(x/10);DP3=table[z];

for(l_val=1;l_val<5;++l_val)

{

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[r_val-1][l_val-1];

switch(key_test)

{

case 'd': b=0;break; //十位

case 'a': b=1;break; //个位

case 'b': b=2;break; //开始

}

if(b==0)

{

if(r_val==1&&l_val==1)

{shiwei=0;DP1=table[0];}

if(r_val==1&&l_val==2)

{shiwei=1;DP1=table[1];}

if(r_val==1&&l_val==3)

{shiwei=2;DP1=table[2];}

if(r_val==1&&l_val==4)

{shiwei=3;DP1=table[3];}

if(r_val==2&&l_val==1)

{shiwei=4;DP1=table[4];}

if(r_val==2&&l_val==2)

{shiwei=5;DP1=table[5];}

if(r_val==2&&l_val==3)

{shiwei=6;DP1=table[6];}

if(r_val==2&&l_val==4)

{shiwei=7;DP1=table[7];}

if(r_val==3&&l_val==1)

{shiwei=8;DP1=table[8];}

if(r_val==3&&l_val==2)

{shiwei=9;DP1=table[9];}

}

if(b==1)

{

if(r_val==1&&l_val==1)

{gewei=0;DP2=table[0];}

if(r_val==1&&l_val==2)

{gewei=1;DP2=table[1];}

if(r_val==1&&l_val==3)

{gewei=2;DP2=table[2];}

if(r_val==1&&l_val==4)

{gewei=3;DP2=table[3];}

if(r_val==2&&l_val==1)

{gewei=4;DP2=table[4];}

if(r_val==2&&l_val==2)

{gewei=5;DP2=table[5];}

if(r_val==2&&l_val==3)

{gewei=6;DP2=table[6];}

if(r_val==2&&l_val==4)

{gewei=7;DP2=table[7];}

if(r_val==3&&l_val==1)

{gewei=8;DP2=table[8];}

if(r_val==3&&l_val==2)

{gewei=9;DP2=table[9];}

}

}

target=shiwei*10+gewei;

now=z*10+y;

if(b==2)

{

if(target>now)

diff1=255;

else if(target

diff1=0;

else

diff1=128;

}

DAC=diff1;

delay();

}

}

}

void delay(void)

{

unsigned int i;

for(i=0;i

}

3.调试过程：连接电路并运行程序。观察测温系统数字显示，应跟随调试台设置温度变化并与调试台设置温度接近。若测量温度与设置温度相差过大的调试，则需调整变送器。调试台设置低端温度，变送器进行零点校准，调试台设置高端温度，变送器进行满度校准。

4. 实验结果：

(八) 心得体会

第二阶段我们一共完成了测温系统中的单片机，A/D转换，显示键盘电路,D/A 转换一共四块电路板。第二阶段的难度相比第一阶段来说是更加的高，听老师说一块显示键盘电路就比之间的所有板子都难。虽然有了第一阶段的一些经验积累，但在焊接过程中依然出现了许多问题，而且第二阶段需要自己设计程序，这更增加了难度。

第二阶段的电路板的难度主要在于焊接。一是需要的线数量大，二是焊点非常密集。这样不仅增加了焊接布线的难度，同时在焊接过程中很容易出现失误。在一开始的单片机的焊接中还比较顺利，因为焊点排列比较整齐，所以布线很少有交叉，焊接自然就比较顺利。检测也可以运行。AD这块版是最简单的一块，只用了一个芯片，也是很顺利地完成了。DA这块版也是比较简单，但焊完之后却不出数，查线后发现有根地线没接。接上后就好了。

最头疼的就属显示键盘电路这块板子了。尤其是显示电路，基本上每个焊点都有2到3根的线。大大的增加了焊接难度。再加上我们的布线不同于大多数同学，导致用的程序也不一样，在我们修改了口地址之后，显示电路就可以运行了。

但是我们在键盘版上耽误的时间最多，焊接完成之后出不来数，按键盘也没有反应。因为我们显示电路与其他组不同，所以程序又要自己编。可当程序可以运行后却发现键盘依旧没反应。之后经过几次的查线也没有结果。我们就不知道到底是程序的错误还是排线的错误。一个下午我们都没有进展，最后只能改动显示电路，这也是没办法了，而且很有可能连之前的显示结果也出不来。其中换线的过程更是繁琐,完成之后连原来的显示版也坏了。我们几乎快崩溃了，又查了几遍线，依然没有进展。又是一个下午的枯燥的查线。最终发现我们的地线虚焊了，138上有一根线断了。还好最后在测试阶段终于成功了。

最后的测温系统，将6块板子组合在一起进行测试。这次测试需要自己编写程序，这需要一定的能力，这里我们借鉴了其他组的程序，在读懂之后就进行了测试。在之前我们每块板子单个都通过了测试，通上程序之后果然就显示了正确的结果。我们组算是最后几个验收的组了，终于在最后一次课上成功了，我们激动的心情无法用语言来形容。

通过这次的课程，我们切身体会到该门课程重要性。它给我们提供了一个从理论到实践的平台。但我们在设计这一环节还要努力，这次课程所用的电路都是老师给出的，给了我们很多启发。在这其中，我们摸索出了一些学习电子技术的经验，也提高了动手能力与耐心。在今后的学习过程中，我们会更加努力。争取让自己的水平更上一层楼。

在这学期我们第一次尝试去完成一个电子系统。在这个过程中遇到了诸多的困难，但我们都顽强的客服了，我们的动手能力得到了锻炼，让我们明白纸上的电路转换为实际的系统，需要付出百倍的努力和耐心才能实现。

最后感谢高新老师的耐心教导和帮助。

九)附录

一、参考文献

1.电子工程设计训练任务书(信息控制与通信部分) 北京工业大学出版社

2.模拟电子技术基础(第四版) 童诗白,华成英高等教育出版社