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毕业设计59常州机电职业技术学院基于VHDL的数字温度计的设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计59常州机电职业技术学院基于VHDL的数字温度计的设计,电气电子毕业设计论文
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1 常州机电职业技术学院 毕业设计（论文） 作 者： 陈君 杨婷 学 号： 05313203、 05310007 系 部： 电气工程系 专 业： 应用电子专业 题 目： 基于 VHDL 的数字温度计的设计 指 导者： 颜云华 评阅者： 2007 年 10 月 nts 2 毕业设计（论文）中文摘要 设计制作一个具有 0100的数字温度表，测量值数据用 3 位数码管显示，其中有一位小数，小数点能自动移动，小数点左边一位以上的零自动熄灭。 测量误差小于 0.5。 具有被测温度上、下限值时，用“嘀 嘟”音响发出报警信号。 分析设计任务，提出多种设计方案，根据当时的制作条件，选择其中一种方案绘制原理框图和设计流程。 设计出各部分电路模块，编写 VHDL程序，计算元器件参数，确定元器件 型号和数量，提出元器件清单。 安装调试硬件电路，制作以 CPLD为基础的专用集成电路芯片 ASIC。 对制作的电路做功能测试，分析各项技术指标，对 VHDL描述做功能仿真。 总结设计资料，整理打印包括原理图、工作波形的设计报告。交验并演示自己制作的硬件电路整体装置。 关键词 ： 数字温度表 VHDL CPLD nts 3 毕业设计（论文）外文摘要 Title： Based on VHDL Design of Digital Thermometer Abstract： Designed by a 0 to 100 digital thermometer, measurement data with three digital display, including a small number, a decimal point can automatically move the left side of a decimal point above the zero automatically extinguished. Measurement error is less than 0.5 . With the measured temperature, the lower limit, as required - Du sound a warning signal. Analysis and design tasks, to a variety of design options, according to the prevailing conditions of the production, choose Block diagram of a programme mapping and design process. All parts of circuit design module, the preparation of VHDL program, components of parameters to determine the type and number of components, the components to the list. Installed and tested hardware circuit, producing a CPLD-based ASIC chip ASIC. Circuit done on the production of functional testing, analysis of the technical indicators, the VHDL description do functional simulation. Aggregate design information, including schematics print finishing, the waveform design reports. Produce their own demonstration and validation of the overall circuit hardware devices. Keywords ： Digital thermometer VHDL CPLD nts 4 nts 5 目录 1 引言 1 2 元器件列表 2 2.1 AD590器件简介 3 2.2 OP07器件简介 4 2.3 MC1403器件简介 5 2.4 ADC0809器件简介 7 3 硬件部分 11 3.1系统原理框图 11 3.2传感器电路 12 3.3 A/D变换电路 14 4 软件部分 17 4.1基本程序 17 4.2数字量到 温度量的转换 19 结论 21 致谢 21 参考文献 22 nts 6 1 引言 研究工作的目的：设计制作数字温度表。 范围：一个具有 0100的数字温度表。 研究设想： 超出测量 温度上、下限值时，用“嘀 嘟”音响发出报警信号。 理论分析：设计出各部分电路模块，编写 VHDL 程序，计算元器件参数，确定元器件型号和数量，提出元器件清单和数量，提出元器件清单。 研究设想：具有被测温度上、下限值时，用“嘀 嘟”音响发出报警信号。 研究方法：分析设计任务，提出多种设计方案，根据当时的制作条件，选择其中一种方案绘制原理框图和设计流程。 实验设计：提出元器件清单。安装调试硬件电路，制作以 CPLD 为基础的专用集成电路芯片 ASIC。对制作的电路做功能测试，分析各项技术指标，对 VHDL描述做功能仿真。 预期结果：测量值数据用 3位数码管显示，其中有一位小数，小数点能自动移动，小数点左边 一位以上的零自动熄灭。测量误差小于 0.5。 意义：总结设计资料，整理打印包括原理图、工作波形的设计报告。交验并演示自己制作的硬件电路整体装置。 nts 7 绪论 对于日益庞大的学籍信息管理系统，如果还是才同传统的人工管理方式的话，不仅对管理的老师来说，是项沉重的负担，同时对信息存储空间和信息的使用者来说，也会不堪重负。传统的人工管理方式存在较大的纰漏。这些对信息处理地失之毫厘，很可能造成后期信息校对的失之千里。因此对学籍管理系统的软件需求也是日以剧增。尤其是对基于 WEB的学籍系统的开发更是众所期待的。它不仅能节省了大量的人力，物力，财力和存储空间。而且能使整个系统使用更加便捷、高效，适用于各类综合性大学的学籍管理系统。 综合信息管理模块对于整个系统来说，它起着相当关键的作用。在论文的第四章“详细设计说明书”中有对该模块的六大单元功能实现的具体分析。该模块的实现能为学校领导提供，准确的、时实的各类教学信息查询，为他们能做出正确的决策，提供的重要参考依据。也是对他们所实施的政策方针，一个最直接的反馈。对整个学校的长远发展来说，它也起到了一个举足轻重的作用。 第一章 绪论 1.1问题的提出 近年来 ALL MATS由于其内部业务流程的混乱等原因导致成本不断上升，尤其是本文所论及之潜在成本的攀升从而使得企业一度在客户端陷入困境，大量的潜在客户不断流失从而影响着企业的生存与发展。 1.2 成本控制问题研究概述 创造成本优势是企业获得竞争优势的必要环节，而价值链优化是成本控制的重要手段。业务流程再造 BPR，组织再造和文化变革，业务外包，产业价值链整合，供应商协同，分销商协同，顾客联盟，竟价策略分别是通过价值链优化进行成本nts 8 控制的八种策略。在这八种策略中本文结合 ALL MATS 的特殊情况直接运用业务流程再造 BPR对 其进行分析。这种特殊情况就算是基于从客户端到公司内部的产品成本分析 -ALL MATS 的根本症结在于业务流程。 1.3研究思路与方法 从研究思路上讲，本文主要遵循这样的思路：诊断 发现病因 寻求解决方法 给出解决方案方案可行性分析 得出结论。 从研究方法上讲，本文主要是站立在应用的角度去解决问题。其中用到的方法有：作业成本法，并且对其在应用层面有所改进，这主要是基于本文的特殊需求-按照业务部门划分成本中心；流程再造等实证分析方法。 1 元器件列表 2.1 AD590器件简介 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成电路温度传感器。 1、流过器件的电流（ mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。 2、 AD590的测温范围为 -55 +150。 3、 AD590的电源电压范围为 4V 30V。电源电压可在 4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化 1K。 AD590可以承受 44V正向电压和 20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4、精度高。 AD590共有 I、 J、 K、 L、 M五档，其中 M档精度最高，在 -55 +150范围内，非线性误差为 0.3。 AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于 AD590精度高、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。 AD590温度传感器 是一种已经 IC化的温度感测器 ,它会将温度转换为电流 ,在8051的各种课本中经常看到。其规格如下： nts 9 1、 度每增加 1 ,它会增加 1 A输出电流 2、 可测量范围 -55至 150 3、 供电电压范围 +4V至 +30V AD590的管脚图及元件符号如下图所示： 图 1.1 AD590的输出电流值说明如下： 其输出电流是以绝对温度零 度（ -273）为基准 ,每增加 1 ,它会增加 1 A输出电流 ,因此在室温 25时 ,其输出电流 Iout=（ 273+25） =298 A。 2.2 OP07 器件简介 OP07是 超低漂移高精度运放， DIP8 OP07D 运算放大器是业界最流行的超低失调电压运算放大器之一，具有低功耗（ 1.1 mA典型值）和低输入偏置电流（ 1nA 最大值）的特性，提供超低失调电压、 36V电源和非常低成本的独特性能组合 ,是 ADI OP07的低成本版本。 采用 SOIC 或 PDIP 封装，和 TI/NS/MAXIM 等厂家 OP07 引脚完全兼 容，可PIN-TO-PIN进行替换，且在性能和价格上更为出色。 这些运算放大器可广泛应用于多个领域，包括过程控制、工业和仪器设备、有源滤波器、数据转换、缓冲器以及电源控制和监视，在满足产品严格要求的同时，并为你节省更多的产品成本 op07参数资料 nts 10 产品型号 : OP07CP 通道数 : 1 关断功能 : No 工作电压 Max. (V): 36 工作电压 Min. (V): 6 每通道 IQ(典型值 )(mA): 5 带宽 GBW(典型值 )(MHz): 0.600 转换速率 (典型值 )(V/us): 0.300 输入失调电压 (25 )(Max.)(mV): 0.150 失调漂移 (典型值 )(uV/ ): 0.500 输入偏置电流 (Max.)(pA): 7000 共模抑制比 (Min.)(dB): 100 噪声电压 (典型值 ): 9.800 单电源供电 : No 满幅 : No 封装 /温度 ( ): PDIP-8/070 描述 : 精密 ,低噪声运放 OP07引脚图如下： nts 11 图 1.2 OP07内部功能图 : nts 12 图 1.3 2.3 MC1403器件简介 MC1403 是高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，国产型号为5G1403和 CH1403。 MC1403 基本信息 型号： MC1403 名称 /功能： 25mA固定输出 生产商： MOTOROLA MC1403 器件 管脚图 : nts 13 图 1.4 封装 /功能 /性能 /主要应用 /供货能力等介绍： Vin(V) -30.5-17.5 Vout(V) 2.0-2.5 Io(max)(A) 0.025 封装 DIP8 MC1403-低压基准芯片（输出 2.5V直流） 输出电压 : 2.5 V /- 25 mV 输入电压范围 : 4.5 V to 40 V 输出电流 : 10 mA MC1403的输入 -输出特性 输入电压 UI V 输出电压 UO V 当 UI从 10V降至 4.5V 时， UO只变化 0.0001V，变化率仅为 0.0018。 nts 14 2.4 ADC0809器件简介 ADC0809 工作原理 8 位 AD 转换器 ADC0809 为单极性输入、逐次逼近型 AD 转换器 , 其原理图如 下 图所示。 ADC0809 除含有 8 位逐次逼近型 AD 转换器外 , 还有 8 通道多路转换器和 3 位地址锁存和译码器 , 以实现对 8 路输入模拟量 IN 0 IN 7 的选择。当地址锁存允许信号 ALE 有效时 , 将 3 位地址 ADDC ADDA 锁入地址锁存器中 , 经译码器选择 8 路模拟量中的一路通过 8 位 AD 转换器转换输出。输出端具有三态输出锁存缓冲器 , 受输出允许信号 OE 的控制 , 当该信号为高电平时 , 打开输出缓冲器 三态门 , 转换结果输出到数据总线上 ; 当该信号为低电平时 , 输出数据线呈高阻态。 ADC0809 是 CMOS 工艺芯片 , 允许的电源范围较宽 , 可从 5 15 V。当该芯片采用单 5 V 电源工作时 , 模拟信号输入范围为 0 5 V , 输出可与 TTL 兼容。时钟信号 CLOCK 最高允许值为 640 kHz, ADC0809 的转换速度在最高时钟频率下为 100 Ls 左右。 ADC0809 时序图如图 2 所示。当地址锁存信号 ALE1 期间 , 通道选择地址 (ADDA , ADDB, ADDC) 存入地址锁存器 ; 在 ALE0 时 , 地址锁存。启动信号 START 上升沿复位 ADC0809, 下降沿启动 AD 转换。 EOC 为输出的转换结束信号 , 正在转换时为 0, 转换结束时为 1。一旦EOC 为高 , 即可将 OE 置为 1, 打开输出三态门 , 从 0809 输出本次转换结果。 nts 15 图 1.5 ADC0809是带有 8位 A/D转换器、 8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS组件。它是逐次逼近式 A/D转换器，可以和单片机直接接口。 （ 1） ADC0809的内部逻辑结构 nts 16 图 1.6 （ 2） 引脚结构 图 1.7 IN0 IN7： 8条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0 5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 nts 17 2 ADC0809应用说明 （ 1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与 AT89S51单片机直接相连。 （ 2） 初始化时，使 ST和 OE信号全为低电平。 （ 3） 送要转换的哪一通道的地址到 A， B， C端口上。 （ 4） 在 ST端给出一个至少有 100ns宽的正脉冲信号。 （ 5） 是否转换完毕，我们根据 EOC信号来判断。 （ 6） 当 EOC变为高电平时，这时给 OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 3.硬件部分 3.1 系统原理框图 数字温度表是一种 用数字直接显示实测温度的数字仪表。检验系统可以全部用数字集成芯片构成，也可以用 A/D 芯片和可编程逻辑器件构成的专用芯片结合而成，还可以采用 A/D芯片和单片机结合构成。本设计主要采用前两种方法，其原理图如 下 图所示。 nts 18 图 3.1 数字温度表原理图 3.2 传感器电路 温度传感器的种类很多，常用的有热电偶传感器、热电阻传感器、半导体传感器，按温度转换为多种电信号，有电压型、电阻型、电流型。热电偶传感器需要做冷端补偿，在此处使用不方便。可以采用半导体传感器或电阻传感器。 图 3.2是用半导体传感器 AD590K为感温 元件构成的传感器电路 . nts 19 图 3.2 AD590的测温精度为 0.3 ,测温重复性优于 0.1 ,并线性度较好 ,温感灵敏度是 1 A/K，即 0的对应电流是 273 A，温度变化 K 氏 1 度，电流变化 1 A。测温范围是 -55 +150，满量程最大温漂 T1 =0.1。上面的电路中，低温移运放 OP07 作信号放大，输入端的测温灵敏度 1/mV，调节 R2 和 Rf2 使温度变化范围内对应的输出 v0 为 0 2V。如果为了与 A/D 器件匹配，需要将变为 0 5V时，可加大电源电压，并将 MC1403 换为合适的稳压管。 nts 20 图 3.3是一个 用铜电阻 Cu100为感温元件的传感器电路 ,其中 Rx 为传感铜电阻 ,温度与电阻的关系曲线如图所示 .在图所示的传感及放大电路中 ,温度的变化经铜电阻 Rx 转变成电压变化 ,然后通过 IC1、 IC2 实现电阻到电压的变化 ,再用 IC3 作电压放大 ,IC4 完成信号调整后由 ADIN 输出到 A/D 变换电路 . 图 3.3 3.3 A/D 变换电路 实现 A/D 变换的集成芯片种类很多。图 3.4 和图 3.5 表示了 8 位芯片ADC0809的引脚功能与工作波形。 nts 21 图 3.4 ADC0809 引脚功能 图 3.5 ADC0809 工作波形 nts 22 图 3.6 R/V变换及电压放大电路 ADC0809 基本参数：电源电压 Vcc 为 +5V；输入模拟电压为 8 路，带8 选 1 的多路选择开关，输入电压范围为 0 5V； 8 位分辨率；线性误差为 +-1LSB。 当地址锁存允许信号 ALE变 1时， 3位地址代码送入地址译码器后，与地址代码相对应的一路模拟信号送入 A/D转换器；当 ALE变 0时，地址被锁寸，在转换结束前送不进新的地址。当启动脉冲 START 上升时，将逐次比较器清零，下降沿到达时，开始 A/D 变换， 变换时间为 100 s。转换结束时，将 8 位数字信号锁寸于三态输出缓冲器中，并使 EOC信号变高表示转换结束。同时输出允许信号 OE给出一个正脉冲， A/D值送到数据输出端。 图 3.7是 ADC0809与 CPLD的典型连接方式。 nts 23 图 3.7 ADC0809 与可 编程器件的连接 根据图 3.5 所示的 ADC0809 的工作波形 ,可用 CPLD 实现对 A/D 转换的控制 ,并将转换结果读入 CPLD中变换为温度显示电路 . 4 软件部分 4.1基本程序 下面是用有限转台机方式编写的 A/D取样 VHDL 的描述，程序分为组合进程和时序进程两部 分，组合进程实现 ADC0809工作所需的各项控制信号，时序进程实现现态到次态的转换。还可以采用 12位 A/D 芯片 AD574或其他型号芯片。 LIBRARY IEEE USE IEEE. STD_LOGIC 1164. ALL ENTITY ADCINT IS nts 24 PORT (D: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); CLK,EOC. IN STD_LOGIC; LOCK1, ALE, START, OE, ADDA. OUT STD_LOGIC; END ADCINT; ARCHITECTURE behav OF ADCINT IS TYPE states IS(st0, st1, st2, st3, st4, st5, st6); SIGNAL current_state, next_state: states: =st0; SIGNAL REGL : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); SIGNAL LOCK : STD_LOGIC: BEGIN ADDA ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE =0; START =0;OE =0; LOCK =0; next _ state=st0; END CASE; END PROCESS PRO; PROCESS (CLK) BEGIN IF (CLKEVENT AND CLK = 1)THEN current_state = next_state; END IF; END PROCESS; PROCESS (LOCK) BEGIN IF LOCK =1 AND LOCKEVENT THEN REGL=D; END IF; END PROCESS; Q= REGL; END behave 4.2数字量到温度量的转换 求取样数字量到温度的对应值的方法一般用公式法和查表法，例如， 8位数字量DB7DB0 从 00H 变到 FFH 对应温度是 0变 100到，用公式法计算则 ：温度 T=（ DB0DB7/FFH），需进行乘除法运算，可用编程器件实现是不具备优势的。另一种方法是查表，即把取样值 DB0DB7按照模拟输入电压与温度的关系编写一个表格，每输入一个取样数字量 DB0DB7，则直接读取相应的温度值送到显示器显示出来。具体的实现方法可以使用存储器，也可以用 CPLD 制造一个完成查表功能的硬件模块。如果采用存储器，则将 A/D取样值的 DB0DB7作存储器地址，相应的温度值则是存储单元中的数据。 nts 26 由于 8位取样值有 256组数据，直接列表会出现程序过长的问题，现在将 DB0DB7分成高 4 位和低四位，分别列出各组数与温度的关系，如表 11 所示。编程时由取样数字量低 4位 DB3DB0读得相应的温度值，再由取样数字量高 4位 DB7DB4读得相应的温度值 HB， LB与 HB相加并对进位作适当处理，就能得到具体的温度值 ,经译码后送到显示器显示出来。 进制 八位取位数字量的高 4 位、低四位对应的温度量 H B 高四位温度 低四位温度 0 0000 0.0 0.0 1 0001 6.4 0.4 2 0001 12.8 0.8 3 0011 19.2 1.2 4 010
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