温度控制电路电源监测及延时控制电路设计毕业论文.doc

目录 I 温度控制电路电源监测及延时控制电路设计温度控制电路电源监测及延时控制电路设计毕业论文毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 1 绪论绪论 1 1 1 温度控制电路概述 1 1 2 对温度控制电路参数检测和控制的重要性 1 1 3 本文主要研究内容 2 2 系统总体方案设计系统总体方案设计 3 2 1 系统总体结构框图 3 2 2 电源监测原理 3 2 3 延时原理 3 2 4 具体功能电路 4 3 硬件电路具体设计硬件电路具体设计 5 3 1 STC89C52 主控制器电路 5 3 1 1 STC89C52 单片机介绍 5 3 1 2 时钟电路 复位电路及最小系统电路 5 3 1 3 单片机引脚分配 7 3 2 A D 转换电路 7 3 2 1 ADC0809 介绍 7 3 2 2 ADC0809 与单片机的接口 8 3 2 3 ADC0809 转换过程 9 3 2 4 单片机读取 ADC0809 转换结果的方法 9 3 3 电压采集电路 9 3 3 1 霍尔电压传感器工作原理 9 目录 II 3 3 2 电压传感器 CHV 25P 引脚描述 10 西安工业大学毕业设计 论文 III 3 3 3 电压传感器 CHV 25P 特征曲线与典型应用 11 3 3 4 电压传感器 CHV 25P 与 ADC 的接口 11 3 4 电流采集电路 12 3 4 1 电流传感器 ACS712 介绍 12 3 4 2 电流传感器引脚描述 12 3 4 3 电流传感器 ACS712 内部结构及工作原理 13 3 4 4 电流传感器 ACS712 特征曲线与典型应用 14 3 4 5 电流传感器 ACS712 与 ADC 接口 16 3 4 显示电路 16 3 4 1 LCD1602 引脚描述 16 3 4 2 LCD1602 指令系统 17 3 4 3 LCD1602 读写操作 18 3 4 4 LCD1602 与单片机的接口 19 3 5 CPLD 主控制器电路 20 3 5 1 CPLD 应用 20 3 5 2 晶振电路 复位电路及最小系统电路 20 3 5 3 5V 转 3 3V 电路 22 3 5 4 JTAG 下载调试电路 22 3 5 5 三位二进制码输入电路 23 3 6 固态继电器电路 24 3 6 1 固态继电器介绍 24 3 6 2 固态继电器驱动电路 25 4 系统软件设计系统软件设计 26 4 1 软件模块设计 26 4 1 1 模块化程序设计的重要性 26 4 2 单片机部分程序设计 27 4 2 1 系统初始化程序设计 27 4 2 2 A D 转换子程序设计 28 4 2 3 LCD1602 显示子程序设计 29 西安工业大学毕业设计 论文 IV 4 3 CPLD 部分程序设计 31 4 3 1 输入锁存电路设计 31 4 3 2 译码电路设计 31 4 3 2 分频电路设计 32 4 3 3 相应上电模式电路设计 33 4 3 4 总体电路设计 34 4 4 应用软件介绍 37 4 4 1 Keil 介绍 37 4 4 2 Quartus 介绍 38 4 4 3 硬件描述语言 VHDL 介绍 39 5 总结总结 40 致谢致谢 41 参考文献参考文献 42 毕业设计 论文 知识产权声明毕业设计 论文 知识产权声明 43 毕业设计 论文 独创性声明毕业设计 论文 独创性声明 44 附录附录 A 单片机部分程序单片机部分程序 45 附录附录 B CPLD 部分程序部分程序 49 附录附录 C 电源监测电路原理图电源监测电路原理图 64 附录附录 D 延时控制电路原理图延时控制电路原理图 65 1 绪论 0 1 绪论绪论 温度控制电路广泛地应用在各种工业产品内部 用来测量产品内部的环境 温度 在温度控制电路测试过程中 需要对其四路供电电源五种上电方式下的 产品性能进行测试 为此需要设计四种供电电源不同上电模式下的延时控制电 路及电源电压监测电路 1 1 温度控制电路概述温度控制电路概述 温度是工业对象中主要的被控参数之一 像冶金 机械 食品 化工各类 工业中广泛使用的各种加热炉 热处理炉 反应炉等 对象的温度往往要求严 格控制 温度控制模块的引入 对提高控制精度意义重大 并已经在诸多工业 生产过程中得到了广泛的应用 温度控制电路广泛地应用在各种工业产品内部 用来测量产品内部的环境温度 近年来 温度的检测在理论上发展比较成熟 但在实际测量和控制中 如何保证快速实时地对温度进行采样 确保数据的正 确传输 并能对所测温度场进行较精确的控制 仍然是目前需要解决的问题 1 2 对温度控制电路参数检测和控制的重要性对温度控制电路参数检测和控制的重要性 随着控制理论和电子技术的发展 工业控制器的适应能力增强和高度智能 化正逐步成为现实 其中以单片机或者是可编程器件为核心实现的数字控制器 因其体积小 成本低 功能强 简便易行而得到广泛应用 但是在实际的测量 温度过程中 往往是许多功能模块被集成到了一块 因而需要利用多个电源为 这些模块供电 这些电源的电压有时候相同 但更多时候是不同的 所以这就 产生了对电源进行时序控制 大小监测和管理的需求 以指导我们针对各功能 模块设计正确的上电顺序 在使用多个电源的系统中 如转换器 包括模数转 换器 ADC 和数模转换器 DAC 数字信号处理器 DSP 音频 视频 射频及 许多其它混合信号系统中 这一要求相当常见 需要特定的电源时序控制 电 源电压或输入时钟频率改变时 许多能够工作在不同的电压和相应频率的电子 部件可能就不能工作 从而降低温度控制电路的性能 为此 我们需要设计供电电源不同的上电模式下的延时控制电路和电压电 流监测电路 通过对负载点电压和电流的一定范围内的值进行监控与管理 以 及在错误状态下的再定序 可靠稳定地获得我们所需要的合格产品 西安工业大学毕业设计 论文 1 1 3 本文主要研究内容本文主要研究内容 设计不同上电模式下的延时控制电路及电源电压电流监测电路 温度控制电路共有四种供电电源 分别为 5V1 5V2 15V和 15V 五种 供电方式和要求分别为 1 四路供电电源同时上电 2 15V延时1 5mS后上电 3 15V延时3 0mS后上电 4 15V延时1 5mS后上电 5 15V延时3 0mS后上电 6 采用单片机技术 利用电压传感器和电流传感器分别实现产品四路供 电电压及电流的检测控制功能 7 利用 CPLD 逻辑电路技术 设计一个四路电源上电时序控制电路 要求 在三位二进制不同编码输入下 分别能够完成上述五种上电模式的控制功能 要求完成系统单片机控制电路 A D 转换电路和 LCD 显示电路的设计 并完成 系统相应软件设计 2 系统总体方案设计 2 2 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 1 系统总体结构框图系统总体结构框图 整个设计的总体结构框图如图 2 所示 微微控控制制器器 S ST TC C8 89 9C C5 52 2 L LC CD D显显示示电电路路 5 5V V电电源源5 5V V转转3 3 3 3V V电电 源源 电电压压电电流流传传 感感器器 微微控控制制器器 E EP PM M2 24 40 0T T1 10 00 0C C5 5N N 继继电电器器电电路路 A A D D转转换换电电路路 四四路路供供电电电电 源源 按按键键电电 路路 图 2 1 系统总体框图 2 2 电源监测原理电源监测原理 电源监测对于系统来说是至关重要的 一个系统的电源是否稳定会给系统 带来不同程度的影响 对电源的监测我们可以用电压和电流传感器来采集电压 和电流 然后把采集到的模拟量送入 AD 转换器中 从 AD 转换器中出来的数字 量再通过单片机处理后 得到系统的状态是否正常 用传感器来进行电压电流采集 方法简单而且可靠 通过在电源两端并联 电压传感器或是在回路里串联电流传感器 将传感器的输出值送到 A D 电路进 行模 数转换后 在 LCD 上显示出来 2 3 延时原理延时原理 电源的上电顺序和上电时间对于整个系统来说也是至关重要的 上电顺序 紊乱时 系统有可能崩溃 所以时序控制电路的设计很重要 我们可以采用基 于 CPLD 的技术来实现 键盘输入的三位二进制码被送入输入锁存器中 当锁 存器有效时锁定输入的按键值并把按键值送到译码器输入端口 接着译码器对 输入值进行译码输出 并且使能后级相应的模块使能端 这样就有效的对上电 时序进行了控制 西安工业大学毕业设计 论文 3 系统全局时钟 GCLK 是 50MHz 的 先将全局时钟 GCLK 进行 5000 分频得到 10KHz 的脉冲 即一个脉冲的宽度为 0 1ms 然后再通过对 10KHz 脉冲的上升沿 进行计数 就可以得到我们所需要的延时时间 2 4 具体功能电路具体功能电路 根据上述系统分析 电压电流检测电路包括 4 大功能电路 单片机主控制 电路 A D 转换电路 电压电流采集电路和显示电路 CPLD 延时控制电路主要包括 CPLD 主控制器电路 按键电路 固态继电器 电路 其中 CPLD 主控制器电路又包括输入锁存电路 译码电路 分频电路和相 应上电模块电路 各功能电路如下 1 单片机主控制电路 以 STC89S52 单片机为控制核心来完成对数据处 理 A D 转换器的控制以及 LCD 的显示功能 2 A D 转换电路 将电压电流传感器送来的模拟信号转换为单片机能够 处理的数字信号 3 电压电流采集电路 采集电流和电压并将采集到的电压和电流调理到 和 A D 接口相匹配的电压值 4 显示电路 主要用于实现人机对话的功能 将电源的电压和电流值的 状态通过 LCD 显示出来 以供人们参考 5 CPLD 主控制器电路 延时控制电路的核心 实现对继电器的开和关 断控制 6 按键电路 用于向延时控制电路输入三位二进制代码 以完成五种上 电模式的控制功能 7 固态继电器电路 驱动固态继电器 在很短时间内控制电流的通断 3 硬件电路具体设计 4 3 硬件电路具体设计硬件电路具体设计 3 1 STC89C52 主控制器主控制器电路电路 3 1 1 STC89C52 单片机介绍单片机介绍 STC89C52 片内集成 256 字节程序运行空间 8K 字节 Flash 存储空间 支持 最大 64K 外部存储扩展 根据不同的运行速度和功耗的要求 时钟频率可以设 置在 0 33M 之间 片内资源有 4 组 I O 控制端口 3 个定时器 8 个中断 软件 设置低能耗模式 看门狗和断电保护 可以在 4V 到 5 5V 宽电压范围内正常工 作 根据不同场合的要求 这款单片机提供了多种封装 本次设计根据最小系 统有时需要更换单片机的具体情况 使用双列直插 DIP 40 的封装 STC89C52 引脚如下图 3 1 所示 图 3 1 STC89C52 单片机 3 1 2 时钟电路 复位电路及最小系统电路时钟电路 复位电路及最小系统电路 单片机时钟电路是单片机最核心的部分 它控制着单片机的工作 MCS 51 单片机允许的时钟频率典型值为 12MHZ STC89C52 的时钟可以有两种方式产生 一种是内部方式 利用芯片内部的振荡电路 另一种方式为外部方式 本次设 计计采用的是内部方式 设计选取 12 000M 无源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引脚 并联 2 个 30pF 陶瓷电容帮助起振 时钟电路如图 3 2 所示 X1 和 X2 脚分别接 到单片机的第 19 和第 18 脚 西安工业大学毕业设计 论文 5 图 3 2 时钟电路 复位电路也是维持单片机最小系统运行的基本电路 单片机的 REST 管脚为 主机提供一个外部复位信号输入端口 复位信号是高电平有效 高电平有效的 持续时间应为 2 个机器周期以上 单片机的复位方式有上电自动复位和手工复 位两种 图 3 3 所示是 51 系列单片机常用的上电复位电路 复位以后 单片机 内各部件恢复到初始状态 RST 引脚接到单片机的第 9 脚 图 3 3 复位电路 单片机的最小系统电路如图 3 4 所示 图 3 4 单片机最小系统电路 西安工业大学毕业设计 论文 6 3 1 3 单片机引脚分配单片机引脚分配 根据系统设计及各模块的分析得出 单片机的引脚分配如表 3 1 所示 表 3 1 单片机引脚分配表 模块端口功能 P0 0 P0 7向单片机输入转换后的数字量 P2 0 P2 2模拟通道选择 P2 3时钟输入 P2 4三态使能 P3 6转换结束标志位 A D 转换电 路 P3 7地址锁存和启动 A D 转换信号 P1 0 P1 7数据和指令 P2 5使能 P2 6写信号 LCD 显示电 路 P2 7读信号 3 2 A D 转换电路转换电路 3 2 1 ADC0809 介绍介绍 ADC0809 是一种 8 路模拟输入 逐次逼近式 A D 转换器 它由 8 路模拟开 关 地址锁存与译码器 8 位 A D 转换器和三态输出锁存缓冲器组成 其转换 结果为 8 位二进制数 可以和单片机直接接口 ADC0809 由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存译码器 一个 AD 转换器和一 个三态输出锁存器组成 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时 输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁存器用于锁存 A D 转换完的数字 量 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 如图 3 5 所示 图 3 5 ADC0809 引脚 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 西安工业大学毕业设计 论文 7 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 地址与 译码器将 A B C 三条地址线的地址信号进行锁存 经过译码后被选中的通道 的模拟量进入转换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上 的一路模拟量输入 通道选择表如表 3 2 所示 表 3 2 通道选择表 CBA选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 ST 为转换启动信号 当 ST 上跳沿时 所有内部寄存器清零 下跳沿时 开始进行 A D 转换 在转换期间 ST 应保持低电平 EOC 为转换结束信号 当 EOC 为高电平时 表明转换结束 OE 为输出允许信号 用于控制三条输出锁存 器向单片机输出转换得到的数据 OE 1 输出转换得到的数据 OE 0 输出数 据线呈高阻状态 D7 D0 为数字量输出线 CLK 为时钟输入信号线 因 ADC0809 内部没有时钟电路 所需时钟信号必 须由外界提供 通常使用频率为 500KHz 3 2 2 ADC0809 与单片机的接口与单片机的接口 ADC0809 与 STC89C52 单片机的接口电路图 如图 3 6 所示 图 3 6 ADC0809 与单片机借口 D7 D0 接到单片机的 P0 口 ADDC ADDA 接到单片机的 P2 2 和 P2 0 端口 START 和 ALE 端接在一起 然后接到单片机 P3 7 端口 EOC 端口接到单片机 P3 6 端口 CLOCK 端口接到 P2 3 端口 由于 ADC0809 具有输出 3 态锁存器 其八位数据输出引脚可直接与数据总 西安工业大学毕业设计 论文 8 线相连 在启动 A D 转换时 由单片机的 P3 7 控制 A D 转换器的地址锁存和转 换启动 由于 ALE 和 START 连在一起 因此 AD0809 在锁存通道的同时 也启动 了 A D 转换器 3 2 3 ADC0809 转换过程转换过程 ADC0809 通过其内部的模拟开关切换 分时处理8 路模拟量输入信号 在 某一时刻 模拟开关只能接通一路模拟量通道 之后 A D 转换器对该通道的模 拟量进行转换 当地址锁存信号ALE 为高电平时 C B A 三条线上的数据送 入ADC0809 内部的地址锁存器中 经过译码器译码后选中某一通道 当ALE 为 低电平时 地址锁存器处于锁存状态 在此状态下 模拟开关始终与刚才选中 的输入通道接通 转换启动信号START 的上升沿将ADC0809 复位 当被选中通道的模拟量到 达A D 转换器时 A D 转换器并未对其进行转换 只有当转换启动信号START出 现下降沿并经过延迟后 才会启动转换器进行A D 转换 ADC0809 的A D 转换 过程是在时钟信号的协调下进行的 ADC0809 的时钟信号由CLOCK 端送入 时 钟频率的典型值为640KHz A D 转换结束后 转换结果送到三态输出锁存缓冲器中 此时 A D 转换 结果还没有出现在数据总线DB0 DB7 上 单片机尚未获取到A D 转换结果 单 片机想要得到A D 转换的结果 必须使ADC0809 的输出允许控制端OE为高电平 使三态输出锁存缓冲器打开 A D 转换结果才会出现在数据总线DB0 DB7上 EOC 为转换结束信号 在A D 转换期间 EOC 维持低电平 当A D 转换结 束时 EOC 变成高电平 3 2 4 单片机读取单片机读取 ADC0809 转换结果的方法转换结果的方法 用查询方式 EOC接到单片机的P3 6端口上 单片机启动ADC0809后检测 EOC 若EOC 0 则A D 转换没有结束 继续检测 当EOC 1 时 表明A D 转换 已经结束 单片机便可以读取A D 的转换结果 3 3 电压采集电路电压采集电路 3 3 1 霍尔电压传感器工作原理霍尔电压传感器工作原理 霍尔电压传感器模块具有优越的电性能 是一种先进的 能隔离主电路回 路和电子控制电路的检测元件 利用同一只霍尔电压传感器既可以检测直流也 可以检测交流 甚至可以检测瞬态峰值 其副边电压可以忠实地反映原边电流 的波形 霍尔电压传感器是根据霍尔原理制成的 一般由原边电路 聚磁环 霍尔 器件 次级线圈和放大电路等组成 图 3 7 为霍尔电压传感器的工作原理 西安工业大学毕业设计 论文 9 图 3 7 霍尔电压传感器工作原理 磁平衡式电压传感器的具体工作过程为 当主回路有一电流通过时 在导 线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上 所产生的信号输出用于驱 动相应的功率管并使其导通 从而获得一个补偿电Is 这一电流再通过多匝绕 组产生磁场 该磁场与被测电流产生的磁场正好相反 因而补偿了原来的磁场 使霍尔器件的输出逐渐减小 当Ip与原边匝数相乘所产生的磁场与Is和副边匝 数相乘所产生的磁场相等时Is不再增加 这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 此时可以通过Is来测试Ip 当Ip变化时 平衡受到破坏 霍尔器件有信号输出 即重复上述过程 最后重新达到平衡 被测电流的任何变化都会破坏这一平衡 一旦磁场失去平衡 霍尔器件就有信号输出 经放大后 立即就有相应的电流 流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿 从磁场失衡到再次平衡 所需的时间不 到1 s 这是一个动态平衡的过程 根据所测电压大小的不同 用户可根据需要在被测电压一端串接一个电阻R 后再接到传感器的原边 串接电阻R的大小由下式决定 R Vp Iin Rin 式中R为串联电阻 Vp为被测电压 Iin为额定输入电流 Rin为传感器的原 边内阻 串接电阻功率大小由W Vp Iin 确定 3 3 2 电压传感器电压传感器 CHV 25P 引脚描述引脚描述 霍尔电压传感器 CHV 25P 是一种利用霍尔效应 将原边电压通过外置或内 置电阻 将电流限制在 10mA 此电流经过多匝绕组之后 经过聚磁材料原边电 流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到 并感应出相应电动势 该电动势经 过电路调整后反馈给补偿线圈进行补偿 该补偿线圈产生的磁通与原边电流 被 测电压通过限流电阻产生 产生的磁通大小相等 方向相反 从而在磁芯中保持 磁通为零 霍尔电压传感器 CHV 25P 有 5 个接线端子 其中 HT HT 为原边端子 分 别接被测电压输入端的正极和负极 另外 3 个端子为负边端子 端接 15V 电源 端接 15V 电源 M 端为信号输出端 如图 3 8 所示 西安工业大学毕业设计 论文 10 图 3 8 CHV 25P 3 3 3 电压传感器电压传感器 CHV 25P 特征曲线与典型应用特征曲线与典型应用 图 3 9 CHV 25P 特征曲线 图 3 10 CHV 25P 典型应用 3 3 4 电压传感器电压传感器 CHV 25P 与与 ADC 的接口的接口 西安工业大学毕业设计 论文 11 图 3 11 CHV 25P 与 ADC 接口 霍尔电压传感器 CHV 25P 的输出端 OUT 接一个采集电阻后接到 ADC0809 的 模拟信号输入端口 IN0 IN7 中的任何一路 3 4 电流采集电流采集电路电路 3 4 1 电流传感器电流传感器 ACS712 介绍介绍 在工业 汽车 商业和通信系统中 为了确保设备安全和人身安全 经常 需要对设备的某些关键点进行电流检测 传统的检测方法存在测量精度不高 反应时间长等问题 新型线性电流传感器ACS712能有效地克服这些缺点 为工 业 汽车 商业和通信系统中的交流或直流电流检测提供经济实惠的精密解决 方案 ACS712 是 Allegro 公司新推出的一种线性电流传感器 该器件内置有精确 的低偏置线性霍尔传感器电路 能输出与检测的交流或直流电流成正比的电压 具有低噪声 响应时间快 50 千赫兹带宽 总输出误差最大为 4 高输出灵敏 度 66mV A 185mV A 使用方便 性价比高 绝缘电压高等特点 主要应用 于电机控制 载荷检测和管理 开关式电源和过电流故障保护等 特别是那些 要求电器绝缘却未使用光电绝缘器件或其他昂贵绝缘技术的应用中 3 4 2 电流传感器引脚描述电流传感器引脚描述 ACS712 采用小型的 SOIC8 封装 其引脚分布如图 3 12 所示 采用单电源 5V 供电 各引脚的功能介绍如表 3 3 所示 其中引脚 1 和 2 3 和 4 均内置有 保险 为待测电流的两个输入端 1 和 2 3 和 4 分别为待测电流的输入端和输 出端 西安工业大学毕业设计 论文 12 图 3 12 ACS712 引脚图 表 3 3 ACS712 引脚描述 引脚名称功能描述 1 和 2IP 被测电流输入或输出 3 和 4IP 被测电流输入或输出 5GND信号地 6FILTER外接电容 7VIOUT模拟电压输出 8VCC电源电压 3 4 3 电流传感器电流传感器 ACS712 内部结构及工作原理内部结构及工作原理 ACS712 的功能方框图如图 3 13 所示 该器件主要由靠近芯片表面的铜制 电流通路和精确的低偏置线性霍尔传感器电路等组成 被测电流流经的通路 1 和 2 3 和 4 之间的电路 的内电阻通常是 1 2m 具有较低的功耗 被测 电流通路与传感器引脚 5 8 的绝缘电压 2 1KVRMS 几乎是绝缘的 流经铜 制电流通路的电流所产生的磁场 能够被片内的霍尔 IC 感应并将其转化为与电 流成比例的电压 通过将磁性信号尽量靠近霍尔传感器来实现器件精确度的最 优化 精确的成比例的输出电压由稳定斩波型低偏置 BiCMOS 霍尔集成电路提供 该集成电路在出厂时已进行了精确的编程 稳定斩波技术是一种新技术 它给 片内霍尔元器件和放大器提供最小的偏置电压 该技术几乎可以消除芯片由于 温度所产生的输出漂移 西安工业大学毕业设计 论文 13 图 3 13 ACS712 功能方框图 ACS712 内含一个电阻 RF INT 和一个缓冲放大器 用户可以通过 FILTER 引 脚外接一个电容 C FILTER 与 RF INT 组成一个简单的外接 RC 低通滤波器 由于内部缓冲放大器能消除因芯片内部电阻和接口负载分压所造成的输出衰减 所以外界的 RC 低通滤波器不会影响信号的衰减 且可进一步降低输出噪声并改 善低电流精确度 此外 ACS712 的响应时间比一般器件缩短了两倍以上 非常 适合保护及高速应用 3 4 4 电流传感器电流传感器 ACS712 特征曲线与典型应用特征曲线与典型应用 ACS712 共有 3 种型号 ACS712ELCTR 05B T ACS712ELCTR 20A T ACS712ELCTR 30A T 它们的工作温度范围为 40 到 85 其中 ACS712ELCTR 05B T 的电流检测范围为 5A 图 3 14 为 ACS712 05B T 输出电 压与检测电流关系的特性曲线 在检测范围 5A 内 传感器的输出电压和检测 电流成正比 几乎不受温度影响 图 3 15 为 ACS712 05B T 检测灵敏度与电流 关系的特性曲线 输出灵敏度约为 185mV A 受温度的影响很小 图 3 16 为 ACS712 05B T 的典型应用电路图 被检测电流由 1 2 端输入 3 4 端输出 VIOUT 输出一模拟电压 该电压在指定的检测范围内和被检测的直流或交流电 流 IP 成线性关系 Cf 用于噪声管理 提高输出精度 西安工业大学毕业设计 论文 14 图 3 14 ACS712ELCTR 05B T 输出电压与检测电流关系 图 3 15 ACS712ELCTR 05B T 的灵敏度与检测电流的关系 图 3 15 ACS712ELCTR 05B T 的典型应用电路图 被测电流流经的通路 1 和 2 3 和 4 之间的电路 的内电阻通常是 1 2m 具有较低的功耗 被测电流通路与传感器引脚 5 8 的绝缘电压 2 1KVRMS 几乎是绝缘的 流经铜制电流通路的电流所产生的磁场 能够被片内 的霍尔 IC 感应并将其转化为与电流成比例的电压 电容 C 与 RF 组成一个简单 西安工业大学毕业设计 论文 15 的外接 RC 低通滤波器 可进一步降低输出噪声并改善低电流精确度 3 4 5 电流传感器电流传感器 ACS712 与与 ADC 接口接口 本次系统采用 ACS712ELCTR 05B T 进行供电电源的电流检测 ACS712ELCTR 05B T 的输出端 VIOUT 接到 ADC0809 进行模数转换 ACS712 的 Vcc 5V 根据图 3 16 ACS712 的输出电压 VIOUT 和被检测的电流 IP 间的关系为 VIOUT 0 2Ip 2 5 V 图 3 15 ACS712ELCTR 05B T 与 ADC0809 接口 电流传感器输出端 ACS712 的 VIOUT 接到 ADC0809 的模拟输入端 IN0 IN7 中的任何一路 3 4 显示显示电路电路 3 4 1 LCD1602 引脚描述引脚描述 单片机应用系统中 通常都需要进行人机对话 这包括人对应用系统的状 态干预与数据输入 以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果 显示器就 是用来完成人机对话活动的人机通道 本设计采用 LCD1062 液晶显示器来显示被测电压电流信息 图 3 16 和表 3 4 分别为 LCD1062 液晶的引脚图和引脚功表 图 3 16 LCD1602 引脚 表 3 4 LCD1602 引脚功能表 西安工业大学毕业设计 论文 16 序号符 号名 称功 能 1VSS接地0V 2VDD电路电源5V 10 3VL液晶驱动电压 保证 VDD VL 4 5 5V 电压差 4RS寄存器选择信号 H 数据寄存器 L 指令 寄存器 5R W读 写信号H 读 L 写 6EN片选信号下降沿触发 锁存数据 7 14DB0 DB7数据线数据传输 15BLA 背光源正极 16BLK背光源负极 3 4 2 LCD1602 指令系统指令系统 1602 液晶的指令系统如表 3 5 所示 表 3 5 LCD1602 指令系统 序号指令RS R W D7D6D5D4D3D2D1D0 1清显示0000000001 2光标返回000000001 3置输入模式00000001I DS 4显示开 关控制0000001DCB 5光标或字符移位000001S C R L 6置功能00001DLNF 7 置字符发生存贮器地 址 0001字符发生存贮器地址 8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址 9读忙标志或地址01BF计数器地址 10 写数到 CGRAM 或 DDRAM 10要写的数据内容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 11读出的数据内容 1602 液晶模块的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 指令 1 清显示 指令码 01H 光标复位到地址 00H 位置 西安工业大学毕业设计 论文 17 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标和显示位置设置 I D 光标移动方向 高电平右移 低电平左 移 S 屏幕上所有文字是否左移或右移 高电平表示有效 低电平表示无效 指令 4 显示开关控制 D 控制整体的显示开与关 高电平表示开显示 低电平表示关显示 C 控制光标的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无 光标 B 控制光标是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁 指令 5 光标或显示移位 S C 高电平时显示移动的文字 低电平时移动 光标 指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线 N 低电平时为单行显示 高电平时为双行显示 F 低电平时显示 5 7 的点阵 字符 高电平时显示 5 10 的点阵字符 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置 指令 8 DDRAM 地址设置 指令 9 读忙信号和光标地址 BF 忙标志位 高电平表示忙 此时模块不 能接收命令或数据 如果为低电平表示不忙 指令 10 写数据 3 4 3 LCD1602 读写操作读写操作 LCD1602 读写控制时序表如表 3 6 所示 表 3 6 LCD1602 读写控制时序表 读状态输入RS L R W H E H输出D0 D7 状态 字 写指令输入RS L R W L D0 D7 指令码 E 高脉冲 输出无 读数据输入RS H R W H E H输出D0 D7 数据 写数据输入RS H R W L D0 D7 数据 E 高脉冲 输出无 其写操作时序如图 3 16 所示 西安工业大学毕业设计 论文 18 图 3 15 LCD1602 写操作时序图 按照上面的时序图和读写控制表 就可以很容易的向液晶写数据了 3 4 4 LCD1602 与单片机的接口与单片机的接口 液晶用的是 1602 液晶 它在本系统中的作用是显示输出电压和电流值 因 为 1602 液晶可以显示两行 屏幕上能显示 16 个字符 正好能满足本系统的所 有显示 1602 液晶的硬件连接包括电源正极 VDD 电源地 VSS 液晶显示偏压 VL 一般靠近地电压 背光电源正负极 BLA BLK 不用背光时可以悬空或都接地 需要编程的引脚连接包括 8 位并行数据口 D0 D7 读 写选择位 R W 数据 命令 选择位 RS 使能信号 En 单片机与字符型液晶显示模块的连接方法有两种 一种为直接访问方式 另一种为间接控制方式 直接访问方式是单片机将字符型液晶显示模块作为存 储器或I O 设备直接挂在单片机的总线上 在这种控制方式下 由单片机的读 操作信号和写操作信号与地址信号合成产生控制信号 间接控制方式是单片机将字符型液晶显示模块作为终端与单片机的并行接 口连接 单片通过对该并行接口的操作 间接实现对字符型液晶显示模块的控 制 本次设计采用单片机间接控制LCD 的方式 接口电路如图3 16 所示 图 3 16 LCD1602 与单片机接口 西安工业大学毕业设计 论文 19 LCD1602 的 D7 D0 接到单片机的 P1 口 作为数据总线的 8 位数据线 负 责数据的传输 EN 端 RS 端和 RW 端分别接到单片机的 P2 5 端口 P2 7 端口 和 P2 6 端口 负责控制信号的传输 3 5 CPLD 主控制器电路主控制器电路 3 5 1 CPLD 应用应用 CPLD Complex Programmable Logic Device 是 Complex PLD 的简称 一 种较 PLD 为复杂的逻辑元件 CPLD 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功 能的数字集成电路 其基本设计方法是借助集成开发软件平台 用原理图 硬 件描述语言等方法 生成相应的目标文件 通过下载电缆 在系统 编程 将代码传送到目标芯片中 实现设计的数字系统 它比一般的 PLD 具有更高的 集成度 良好的工作可靠性和稳定性 它是一种具有高集成度 良好的工作可 靠性和稳定性的可编程数字逻辑芯片 因此受到了世界范围内电子工程设计人 员的广泛关注和普遍欢迎 本次设计是采用基于 VHDL 的模块化的设计方法 从系统总体要求出发完成 系统硬件的整体设计 上电时序控制电路包括主控制电路 计数电路 锁存电路和译码电路等 将这些电路设计好的各部分连接起来成为一个整体的电路写人 CPLD 芯片中 图 3 17 EPM240T100C5N 3 5 2 晶振电路 复位电路及最小系统电路晶振电路 复位电路及最小系统电路 晶振电路的作用是为系统提供一个时序控制的标准时刻 系统根据电路设 计 在某个时刻专门完成特定的任务 如果没有一个时序控制的标准时刻 整 个电路就不能正常工作 晶振电路如图 3 18 所示 西安工业大学毕业设计 论文 20 图 3 18 晶振电路 晶振用的是 50MHz 的有源晶振 有源晶振信号质量好 比较稳定 而且连 接方式相对简单 不需要复杂的配置电路 适用于时序要求敏感的应用 电源 和地之间并联一个高频滤波电容 可有效地滤除高频干扰 输出端串接一个 51 的电阻 可以起到使输出波形稳定的作用 GCLK0 端接到 CPLD 全局时钟输 入端口 Pin12 复位电路是维持 CPLD 最小系统运行的基本模块 给数字逻辑电路设置一个 一个主复位 CLRN 引脚是最常用的方法 该方法通过主复位引脚给电路中的每个 功能单元馈送清零信号 与全局时钟引脚类似 几乎所以的 CPLD 器件都有专门 的全局清零引脚 本次设计采用的是使用专门的全局清零引脚来产生复位信号 图 3 19 所示为复位电路 图 3 19 复位电路 当按键 K 按下时 CLRN 端为低电平系统就恢复位 所有寄存器清零 CPLD 最小系统电路如图 3 20 所示 西安工业大学毕业设计 论文 21 图 3 20 CPLD 最小系统 3 5 3 5V 转转 3 3V 电路电路 EPM240T100C5N 是 3 V 电源供电的 因此需要将 5V 电源通 SPX1117M3 3 3 转换成 3 3V 转换电路如图 3 21 所示 图 3 21 5V 转 3 3V 电路 C1 和 C2 是低频滤波电容 用于去除纹波带来的影响 使后级负载的变化 对系统前端的影响降至最低 C1 和 C2 取值分别为 22UF 25V 和 10UF 16V C3 是高频滤波电容 用来去除高频干扰 通常是 104 电容 3 5 4 JTAG 下载调试电路下载调试电路 JTAG 的全称是 Joint Test Action Group 即联合测试行动小组 目前 JTAG 已成为一种国际标准测试协议 主要用于各类芯片的内部测试 现在大多 西安工业大学毕业设计 论文 22 数高级器件 包括 FPGA MCU DSP 以及 CPU 等 都支持 JTAG 协议 如 FPGA CPLD DSP 器件等 标准的 JTAG 接口是 4 线接口 TMS TCK TDI 以及 TDO 分别为模式选择 时钟 数据输入和数据输出信号线 JTAG 下载调试电 路如图 3 22 所示 图 3 22 JTAG 下载调试电路 JTAG 接口还常用于实现 ISP In System Programmable 在线编程 对 FLASH 等器件进行编程 JTAG 在线编程的特征也改变了传统生产流程 将以前 先对芯片进行预编程再装到板上的工艺简化为 先固定器件到电路板上 再用 JTAG 编程 从而大大加快工程进度 3 5 5 三位二进制码输入电路三位二进制码输入电路 三位二进制码输入电路用于输入三位二进制不同的编码 以完成五种上电 模式的控制功能 按键开关是许多电子产品不可缺少的输入设备 在智能化电 子产品中 按键开关作为人机交互的主要器件之一 可以实现人机对话 完成 各种功能操作 而机械式按键开关由于其低成本 高可靠性被广泛使用 在按 键操作时 机械触点的弹性及电压突跳等原因 在触点闭合或开启的瞬间会出 现电压抖动 实际应用中如果不进行处理将会造成误触发 常见的硬件消抖方 法有 利用电容的充放电原理 利用 RS 触发的保持功能 由同相器组成的积分 去抖电路 用反相器组成的翻转式去抖电路 不可重复触发单稳态等等 本文 利用电容充放电原理 采用并联电容法来实现三位二进制码输入电路的消抖电 路 三位二进制码输入电路如图 3 23 所示 西安工业大学毕业设计 论文 23 图 3 23 三位二进制码输入电路 由于按键较少 所以这里采用的是硬件去抖方式 4 个电容并联在开关两 端 电容的选取值为 3 3uf 其中三位二进制代码用拨码开关输入 接通时为高电平输出 断开时为低 电平输出 EN 是锁存控制端 高电平有效 当 EN 为 0 时 拨码开关的变化不 会影响继电器控制端电平的输出 当 EN 为 1 时 锁存拨码开关输入值 并且使 继电器控制端电平产生变化 完成相应的上电模式 K1 K2 和 K3 是二进制代码输入端 分别接到 CPLD 的 Pin5 Pin4 和 Pin3 管脚 EN 是锁存使能端 接到 Pin6 管脚 3 6 固态继电器电路固态继电器电路 3 6 1 固态继电器介绍固态继电器介绍 固态继电器是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关 利用电子组件 的开关特性 达到无触点 无火花 而接通和断开电路的目的 因此又被称为 无触点开关 固态继电器由分立元器件 膜固定电阻网络和芯片构成 采用混合工艺组 装来实现控制回路 输入电路 与负载回路 输出电路 的电隔离及信号耦合 由 固态器件可实现负载的通断切换功能 内部无任何可动部件 主要由输入 控制 电 路 驱动电路和输出 负载 电路三部分组成 固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路 使之成为固态继 电器的触发信号源 固态继电器的输入电路多为直流输入 个别的为交流输入 直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入 阻性输入电路的输入控制电流随输 入电压呈线性的正向变化 恒流输入电路 在输入电压达到一定值时 电流不 西安工业大学毕业设计 论文 24 再随电压的升高而明显增大 这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围 3 6 2 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 固态继电器用于实现五种上电模式转换 本次设计用 GZ3 L 继电器 其参 数如表 3 7 所示 高电平驱动 SSR 电路原理图如图 3 24 所示 表 3 7 GZ3 L 继电器参数 控制电压范围 3 32VDC 输入电流 5 25mA 临界导通电压 3VDC 输入参数 关断电压 1VDC 最大负载电流 1ADC 负载电压范围50V 110V 180V 通态压降 max 1 5VDC 断态漏电流 max 10 ADC 导通时间 max 100 s 输出参数 关断时间 max 100 s 图 3 24 高电平驱动固态继电器电路 当 IO 口输出高电平时 NPN 型晶体管 S8050 导通 集电极有电流通过 晶 体管可工作于饱和状态 当 IO 输出低电平时 晶体管工作于截止状态 本次设计的控制继电器驱动的端口分别连接到 CPLD 的 Pin15 Pin16 Pin17 和 Pin18 管脚 4 系统软件设计 25 4 系统软件设计系统软件设计 4 1 软件模块设计软件模块设计 4 1 1 模块化程序设计的重要性模块化程序设计的重要性 先把一个单片机应用系统分割成若干功能模块 再逐一编写对应的模块程 序并逐一调试通过 最后根据整个系统的功能编写主程序进行联调 这是单片 机模块化程序设计的基本思想 用到了 自顶向下 的程序设计方法 单片机 模块化程序设计的优点如下 1 各功能模块相互独立 便于单独调试和排错 减轻了系统联调的负担 2 便于项目管理 系统结构清晰 结构简单 3 易于维护和修改 方便系统功能扩充 4 便于利用已经实践考验过的模块程序 避免程序开发的重复劳动 缩 短了开发周期 提高了系统的可靠性 C 语言是一种高级程序设计语言 它提供了十分完备的规范化流程控制结 构 Keil 软件提供了功能强大且使用方便的项目管理工具 因此 在 Keil 软 件中 可以非常方便的用 C51 以项目管理形式进行模块化程序设计 一个 C51 的模块程序一般包含 c 和 h 两个文件 在 c 源文件中定义变量 函数并编写功能程序等 在 h 头文件中说明各模块和其他模块或主程序相 关联的信息 如外部变量声明 外部函数的声明和单片机 I O 口的预定义等 主程序或其他模块程序需操作某模块程序时 只需使用 include 包含该模 块的头文件即可 对于 CPLD 应用系统来说 模块化和自顶向下 逐层分解的结构化设计思想 贯穿于整个 VHDL 设计文件之中 VHDL 将所设计的任意复杂色电路系统均看做 一个设计单元 实体 Entity 和结构体 Architecture 是模块最基本的两 个组成部分 设计文件的实体部分描述该模块 系统 的接口信息 包括端口 的数目 方向和类型等 起作用就相当于传统设计方法中使用的元件符号 结 构体部分则描述该模块的内部电路 对应于原理图 逻辑方程和模块的输入输 出特性 二者相配合就可以组成简单的 VHDL 设计文件 西安工业大学毕业设计 论文 26 4 2 单片机部分程序设计单片机部分程序设计 单片机系统软件设计采用模块化设计方法 整个系统由初始化模块 A D 转换模块 显示模块等模块组成 单片机系统软件流程如图 4 1 所示 开开始始 系系统统初初始始化化 调调用用A A D D转转换换 子子程程序序 调调用用显显示示子子 程程序序 调调用用延延时时函函 数数 图 4 1 单片机系统软件流程图 系统上电后 先初始化单片机各端口 A D 转换模块和 LCD 显示模块 然 后调用 A D 转换子程序进行模拟 数字的转换 A D 转换完毕后 再调用显示 子程序进行工程量显示 ADC0809 通过编程来循环采集 8 路不同的电压信号 然后通过 LCD1602 来实现循环显示 源程序见附录 源程序已在 Keil 中编译通 过 4 2 1 系统初始化程序设计系统初始化程序设计 系统初始化包括初始化单片机各端口 A D 转换模块和 LCD 显示模块 初 始化程序如下 P0 0 xff P1 0 xff 初始化 P0 和 P1 口 void init adc0809 初始化 ADC0809 西安工业大学毕业设计 论文 27 ST 0 OE 0 void init lcd 初始化 LCD1602 lcd RW 0 lcd EN 0 write command 0 x38 write command 0 x0e write command 0 x06 write command 0 x01 write command 0 x80 4 2 2 A D 转换子程序设计转换子程序设计 根据ADC809的工作时序 ADC809工作过程分为如下