模拟电子技术课程设计目录.docx

16 模拟电子技术课程设计目录一.设计题目4二.设计要求.4三题目分析.5四.整体构思5五.具体实现:6六.各部分定性说明以及定量计算6 七.设计心得体会.15.八.参考文献.15水温自动控制系统摘要：本文介绍了以AT89C51单片机为核心的水温自动控制系统。介绍了AT89C51单片机水温控制的硬件电路的设计及软件的编写、调试整个过程。介绍了本水温控制系统的组成结构，着重介绍了系统中单片机AT89C51的显示控制电路以及受控升温电路的硬件组成。本文采用分块的模式，对整个系统的硬件设计进行分析，分别给出了系统的总体框图、温度检测电路、显示单元的电路，并对相应电路进行相关的阐述。调试结果表明以上提到的功能都可以实现。关键词：水温控制；单片机；显示控制；远程控制 引言随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展, 现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法.在这些众多的先进测量控制技术中,如何对水温进行控制成为焦点课题之一,为越来越多的科研机构所重视。温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在环境恶劣或温度较高等场下，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度和节约能源，及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节。由于本设计是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程，因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制提供了可能，例如实现自动切断电源，语音提示，自动加热，远程控制等。 温度控制的现状目前市场上经销的温度控制系统大多是采用模拟电路及继电器控制，存在电路繁琐,可调节性差，受温度影响大，响应速度慢，有噪音等缺点，针对这些缺点我们对它进行了再次设计。实现满足题目要求的水温自动控制系统需要解决以下两个方面的问题：一是高精度的水温测量电路及其数据处理的实现，另一个是控制方法及其控制电路实现的研究。数字控制方法远远优于模拟控制方法。目前，实现水温的高精度控制常采用数字控制方法，可用的控制算法有开关控制、经典PID控制、模糊控制等。为了追求控制系统具有最小的稳态误差、最好的动态过程，即具有最小的超调量和最短的稳定时间，人们一直在不断研究各种控制方法的应用。 水温控制系统介绍单片机水温控制系统，是用来控制电炉温度，让它的温度始终保持在某一个范围内的恒温值，为此对温度的控制我们可采用很多种方法，以往的水温控制系统都采用开关式控制方式，使用的是模拟式调节仪表，我们可通过一位式模拟控制方案，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现。但是存在着不足之处：系统所得结果的精度不高而且调节动作频率、系统静差大，不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用液晶显示，不能用键盘设定。单片机温控系统多种多样，针对不同的被控对象可以设计出不同的硬件电路。为了实现高精度的温度控制，我们采用了以AT89C51为控制核心的单片机控制系统，温度实时控制采用的是多次测量取不同的PWM值来触发可控硅从而调节加热丝的有效功率。并用液晶显示水的实际温度，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可实现显示、打印，键盘设定，远程控制，报警等功能，大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果精度大大提高。并且为了保证系统稳定运行,在软硬件方面都采取了一定的措施。主程序主要处理系统初始化、扫描键盘、采样温度值和对采样数值进行数字滤波等工作。系统灵敏度高和抗干能力强，具备较高的测量和控制精度。该控制系统主要是针对控制水杯中的温度而设计的，它具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，所以具有一定的应用前景。它也不仅可应用于科研水中的温度检测与控制，也可应用于实际孵蛋房、豆芽菜房等生产工作间恒温控制的场合。一设计题目 水温监测及控制系统二,设计要求(一) 总的指导思想;对本次的课程设计，原则上老师只给出大致的设计要求，在设计思路上不限定和约束同学们的思维，所以同学们可以发挥自己的创造性，有所发挥，并力求设计方案凝练可行，效果良好。(二) 题目具体要求；要求设计制作一个可以测量和控制温度的水温控制器，测量和控制温度范围；室温60摄氏度，控制精度1摄氏度(三) 方案任务及要求；（1）设计有双臂电桥和差动输入集成运放组成的桥式放大电路。（2）将（1）和比较起器两部分电路根据相应特性和原理组合起来组成温度监测电路（3）学会系统测量和测试，并加入控制电路。三题目分析针对水温监测及控制系统的大致思路为；由热敏电阻 来测室温的变化，将温度信号转变为电信号，再由差分放大电路放大电压信号输送给比较器 ，从而再输送给主控制系统，由主控制系统判断是加热还是降温。 四整体构思。比较器热敏电阻差分放大电路电炉丝，主控制系统不加热自动冷却五，具体实现和六各部分计算及说明（一）单双臂两用直流电桥的详细介绍单又臂两用直流电桥双臂两用直流电桥主要技术性能：单登电桥线路、内附指零仪和电池盒，用来测量其范围内的直流电阻，便于携带，使用方便。单双臂两用直流电桥性能：1、 测量范围：1-9.999M2、 准确度：0.2%3、 内附指零仪：电流常数6*10-7A/mm阻尼时间：4s4、 电源：4.5V(2号干电池3节)5、 外型尺寸：225*175*115(mm)6、 质量：2kg（二）差分放大电路差分放大电路 1(a)射极偏置差放 (b)电流源偏置差放 差放有两个输入端子和两个输出端子，因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。双端输入时，信号同时加到两输入端；单端输入时，信号加到一个输入端与地之间，另一个输入端接地。双端输出时，信号取于两输出端之间；单端输出时，信号取于一个输出端到地之间。因此，差动放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出四种应用方式。上面两个电路均为双端输入双端输出方式。 （a） 电阻Re是T1和T2两管的公共射极电阻，或称射极耦合电阻，它实际上就是在工作点稳定电路中旨入的射极电阻，只是此处将两个电阻的射极电阻合并成一个Re，所以经它的作用是稳定静态工作点，对零漂做进一步的仰制。电阻Re常用等效内阻极大的恒流源I0来代替，以便更有效地提高抑制零漂的作用。负电源-VEE用来补偿射极电阻Re两端的直流压降，以避免采用电压过高的单一正电源+VCC，并可扩大输出电压范围，使两基极的静态电位为零，基极电阻Rb通常为外接元件，也可不用，其作用是限制基极静态电流并提高输入电阻，RL为外接负载电阻。 编辑本段基本状态差放的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。当外信号加到两输入端子之间，使两个输入信号vI1、vI2的大小相等、极性相反时，称为差模输入状态。此时，外输入信号称为差模输入信号，以vId表示，且有: 当外信号加到两输入端子与地之间，使vI1、vI2大小相等、极性相同时，称为共模输入状态，此时的外输入信号称为共模输入信号，以vIC表示，且 : 当输入信号使vI1、vI2的大小不对称时，输入信号可以看成是由差模信号vId和共模信号vIc两部分组成，其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。 (1)对差模输入信号的放大作用 当差模信号vId输入(共模信号vIc=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相反，即vI1=vI2=vId/2,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的电压增量， 即差模输出电压vod1、vod2大小相等、极性相反，此时双端输出电压vo=vod1vod2=2vod1=vod,可见，差放能有效地放大差模输入信号。 要注意的是：差放公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起(负反馈)作用。 (2)对共模输入信号的抑制作用 当共模信号vIc输入(差模信号vId=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即vI1=vI2=vIc,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量， 即差模输出电压voc1、voc2大小相等、极性相同，此时双端输出电压vo=voc1voc2=0,可见，差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。 此外，在电路对称的条件下，差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。（三）比较器。滞回电压比较器 滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它 有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。838电子滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。 UR是某一固定电压，改变UR值能改变阈值及回差大小。以图 4(a)所示的反相滞回比较器为例，计算阈值并画出传输特性 图4 滞回比较器及其传输特性 (a)反相输入；(b)同相输入 1，正向过程 正向过程的阈值为 形成电压传输特性的abcd段 2，负向过程 负向过程的阈值为形成电压传输特性上defa段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。利用求阈值的临界 条件和叠加原理方法，不难计算出图4(b)所示的同相滞回比较器的两个阈值 两个阈值的差值UTH=UTH1UTH2称为回差。 由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调 整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。 （四）主控制系统AT89C51.AT89C51的特点AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Fal shProgrammable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51的指令集和输出管脚相兼容。该控制器将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器171，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51的主要特性如下:(1)能与MCS-51兼容(2)有一个4K字节可编程闪烁存储器(3)使用寿命比较长一般为1000写/擦循环(4)数据保留时间长般为10年(5)全静态工作:OHz-24Hz(6)三级程序存储器锁定(7) 128*8位内部RAM(8) 32条可编程I/0线(9)两个16位定时器/计数器(10) 5个中断源(11)可编程串行通道(12)低功耗的闲置和掉电模式(13)片内振荡器和时钟电路 图3-2 AT89C51的引脚图2. AT89C51的引脚功能与功能描述引脚说明：VCC：电源电压GND:地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。另外，P1.0和P1.1还可以作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX）,如表1所示。P1口在程序编写和校验期间同时接收低8位地址。表3-1端口号功能特性P1.0T2（外部计数器输入到定时/计数器2）时钟输出P1.1T2EX(定时/计数器2捕获/重装载触发和方向控制)P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。当Flash编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表3-2所示。此外，P3口还用于接收一些用于控制Flash编程和校验的控制信号。表3-2 P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2(外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0）P3.5T1（定时器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器都选通）RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/ :当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出。一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，通过向SFR的8EH单元输入0能使ALE停止工作。该位置位后只有在MOVX和MOVC指令下ALE才能工作。此外，在该引脚被微弱拉高时，如果单片机在执行外部程序模式时，应设置ALE无效位不起作用。 /VPP:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令， 必须同GND相连接。需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时， 应该接到VCC端。当处于Flash编程时，该引脚接12V的编程允许电压VPP,当12V的编程电压是允许的情况下。XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输