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本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：智能温度控制器70毕业设计说明书（毕业论文）智能温度控制器摘 要本课题智能温度控制器用FPGA/CPLD和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。FPGA/CPLD主要负责数据采集、数据存储、键盘扫描、数据显示；单片机主要负责读取FPGA/CPLD采集的数据，并根据这些数据进行数字滤波、标度变换、PID运算。本设计系统可分为四大基本组成部分：温度数据采集电路、数据运算控制电路、数据显示电路和报警电路。1.温度数据采集：主要应用K型热电偶温度传感器来采集温度信号。利用ADC0809将转换的标准模拟信号转换成数字信号。利用集成温度传感器AD590测量冷端温度，进行冷端温度补偿。2.数据运算控制部分：将采集的数据经计算机进行处理、数字滤波、标度变换、PID运算输出控制参数，利用可控硅原理对单相电加热器进行温度控制。温度控制电路采用晶闸管调功方式。3.数据显示部分：显示电路由四个共阳极期段数码管和四片1位串入八位并出的74LS164芯片组成。4.报警部分：设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员的注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据与该参数上、下限给定值进行比较：如果高于上限值或低于下限值进行报警，否则作为采样的正常值，进行显示和控制。关键词：智能化；温度控制；单片机；FPGA毕业设计说明书（毕业论文）Smart Temperature ControllerAbstractThe temperature controller for use wisdom and A Single Chip computer and FPGA/CPLD combined constitute the main system of monitoring. FPGA/CPLD primarily responsible for data collection, data storage, keyboard scanning, data; Shanpianji FPGA/CPLD primarily responsible for the retrieval of data collection, and on the basis of these data recovery figures, with their degrees, PID operations. This design system can be divided into four basic components : temperature data acquisition circuits, data processing control circuits, data circuits and warning circuits. 1. Temperature data collection : The main application for K-type thermocouple temperature sensors collecting temperature signal. ADC0809 will use standard analog signal conversion into digital signals. Integrated temperature sensor measurements using cold-AD590 temperature, the cold-temperature compensation. 2. Data processing control components : data collection will be processed by computer, digital filtering, scales used, PID control parameters export operations, the use of silicon-controlled rectifier principles of a single-phase electric heater temperature control. Temperature control circuits used Jingzhaguan transfer credit.3. Data elements : the show circuit anode part of a total of four digital and four pieces of eight and a one string into the 74LS164 chip. 4. Police parts : an emergency warning system to alert operators of attention, or take emergency measures. The methods of collecting data is the computer with the parameters of the maximum and minimum levels of value to be compared : if more than or less than the limits of the limits to the police, or as a sampling of the normal value, display and control.Key words: Intelligent; Temperature control; A Single Chip Computer ; FPGA/CPLD毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 课题的意义11.2 智能温度控制器的功能2第二章 硬件设计42.1 智能温度控制器原理框图42.2 单片机AT89C51及FPGA/CPLD简介42.2.1 单片机AT89C51简介42.2.2 AT89C51概述42.2.3 单片机管脚图及管脚功能52.2.4 FPGA/CPLD简介62.2.5 MAX+PLUS简介62.2.6 VHDL语言简介72.3 放大器 三运放82.3.1 仪表放大器的概述82.3.2 仪表放大基本电路图82.4 温度补偿器件 AD59082.4.1 AD590温度传感器简介82.4.2 AD590管脚图及元件符号92.4.3 AD590的基本应用电路及输出电流值92.5 摸数转换器件 ADC0809112.5.1 多通道A/D转换器ADC0809112.5.2 ADC0809的电路组成及转换原理112.5.3 ADC0809的引脚图及功能122.5.4 ADC0809的时序图132.5.5 ADC0809的技术指标142.6 多路选择开关 CD4052152.6.1 CD4052简介152.6.2 CD4052的特点152.6.3 CD4052管脚及管脚图152.7 看门狗X25045 的应用162.7.1 概 述162.7.2 X25045 简介172.7.3 X25045相关指令172.7.4 X25045电路相关设计及工作原理182.8 过零检测硬件电路192.8.1 过零检测的原理及作用192.8.2 过零检测电路图192.9 MAX7407与MOC3021 简介202.9.1 MAX7407简介202.9.2 MAX7407管脚图202.9.3 MOC3021简介202.9.4 MOC3021管脚图212.9.5 MOC3021 逻辑图如图所示212.10 可控硅的连接及控制212.10.1 可控硅简介及工作原理212.10.2 可控硅的连接电路图222.11 可控硅调功触发图解232.12 盘的设计242.12.1 键盘简介242.12.2 键盘的连接电路图242.12.3 按键位置与数码关系252.13 声光报警及工作指示灯的电路设计252.13.1 声光报警方法252.13.2 声光报警电路图262.14 数据显示及数码管LED的连接262.14.1 数码管简介262.14.2 温度数据显示设计272.14.3 显示数字度应的真值表282.14.4 显示电路的完整图292.15 本章小结29第三章 系统软件的设计303.1 软件设计思303.2 主程序303.2.1 主程序流程图303.2.2 主程序程序303.3 AD采样控制程序设计303.3.1 AD采样控制VHDL实现303.3.2 采样数据缓存器LPM_FIFO设计313.3.3 ADC0809采样电路系统313.3.4 AD采样程序流程图323.3.5 AD采样程序323.4 数字滤波程序设计323.4.1 数字滤波概述323.4.2 数字滤波程序流程图333.4.3 数字滤波程序流程图333.5 热电偶线性回归公式及线性化333.5.1 线性回归概述333.5.2 线性回归及标度变换343.5.3 K型热电偶的线性化363.5.4 线性化程序流程图363.5.5 线性化程序363.6 PID 运算程序设计363.6.1 带死取样的PID简介363.6.2 带死区控制算法流程图363.6.3 的PID控制计算程序363.7 VHDL计时控制程序及产生触发脉冲程序363.8 最终温度显示程序设计363.8.1 温度显示流程图363.8.2 温度显示程序363.9 报警程序设计363.9.1 报警概述363.9.2 报警程序流程图363.9.3 报警模块程序363.10 读取AD 值子函数363.11 单片机主程序363.12 本章小结36设计结论36参考文献36附录（一）智能温度控制器系统框图36附录（二）流程图36附录（A）主程序流程图36附录（B）采样程序流程图36附录（C）中值滤波程序流程图36附录（D）线性化流程图36附录（E） PID运算流程图36附录（F）温度显示流程图36附录（G）报警程序流程图36附录（三）程序36附录（A）VHDL采样控制程序36附录（B）中值滤波程序36附录（C）线性化程序36附录（D）PID运算程序36附录（E）VHDL计时控制程序36附录（F） 产生触发脉冲VHDL程序36附录（G） 键盘扫描及译码程序36附录（H） 温度数据显示程序36附录（I）报警程序36附录（K）读取AD值子函数36附录（L）主程序36附录（四）智能温度控制器电路图36附录（A）36附录（B）36致 谢36 毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 课题的意义温度的测量与控制在化工产品生产、现代工业生产过程中、冶金、化工、仓储、食品加工及人工环境等各种领域。像广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标 得到了大幅度提高。设计研发一种高精度的智能温度控制器是十分有意义的。温度控制在工业生产中十分普遍，无论任何场合其温度控制的主要电路采用晶闸管做为无触点开关为理想选择，温度控制器可采用仪表、PLC、微型机等。近来在市场出现及各种工业生产过程中基本应用于交、直流系统的晶闸管模块，将同步触发和晶闸管主要电路集成为一体，是晶闸管的应用更为简单方便。对于一般的系统采用单片机作为控制器可以获得良好的控制性能和优越的性价比。但是在设计研发的过程中单片机的设计及一般的温度控制器设计都是需要现实的硬件系统的搭接，这种设计研发有很多的弊端。如：搭接的电路误差比较大，对设计的精度和结果有一定的影响。而且设计的周期一般是很长的。并且有些器件的功能有很多的局限。随着现代的电子技术的飞跃发展 。EDA技术作为现在电子设计最新技术的结晶，其广泛的应用前景和深远的影响已经无庸质疑，它在信息工程专业中的基础地位和核心作用也逐渐被人们所认识。现在的EDA技术已经在各大高等院校得到和快的推广，在课程设计，综合实践，电子设计竞赛，毕业设计，科学研究和产品的研发等EDA技术综合应用环节提供拉很大的帮助，并处于很重要的位置。对于迅猛发展的EDA技术的综合运用，从EDA技术的综合应用系统的深度来分，可分为3个层次：功能电路模块的设计；算法实现电路模块的设计；片上系统/嵌入式系统/现代DSP系统的设计。从EDA技术的综合应用系统的最终主要硬件结构层来分，已出现6中形式：CPLD/FPGA系统；CPLD/FPGA+MCU系统；CPLD/FPGA+专用DSP处理器系统；基于FPGA实现的现代DSP系统；基于FPGA实现的SOC片上系统；基于FPGA实现的嵌入式系统；从EDA技术的综合应用系统的完善层次来分：EDA综合系统-主体电路的设计仿真及硬件验证；主体电路的设计仿真硬件验证-系统外围电路的PCB的设计与制作；主体电路的设计仿真及硬件验证系统整体电路PCB的设计与、制作及系统的组装调试。随着微型计算机及微电子技术在测试领域中的广泛应用，仪器仪表在测量原理、准确度、灵敏度、可靠性、功能及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，逐步形成完全突破传统概念的新一代仪器：智能仪器。在信息技术的高速发展和人工智能应用的推动下，智能仪器必将有更大的发展。测试仪器的智能化是现代仪器仪表发展的主流方向。本设计课题智能温度控制器利用当今流行的EDA（电子设计自动化）技术，综合应用单片机与FPGA技术，通过功能的合理划分充分发挥单片机与FPGA各自的优点，这是智能仪表的发展方向。1.2 智能温度控制器的功能计算机与测量控制仪器的结合产生了智能控制仪器。随着传感器技术发展、A/D等新器件出现、单片机与DSP的广泛应用、特别是ASIC、FPGA/CPLD技术在智能仪器中的广泛应用，智能仪器的结构更紧凑，性能更优良。本次设计智能温度控制器的主要功能：1）数据采集功能：可将现场的模拟温度信号进行采集、量化转换成数字量，送给单片机进行处理。2）数据处理功能：可将采样后的数字量进行数字滤波、线性化标度变换、PID运算。3）控制功能：可使现场的温度保持与目标温度一致（满足工艺精度）。4）数据显示功能：可将现场的温度值利用数码管显示，比较直观了解工艺现场情况。5）报警功能：当温度值超过警戒温度值是进行报警，以引起操作人员注意并采取相关措施。1.3 智能温度控制器的发展展望基于计算机的测控仪器发展至今，大致可以分为三个发展阶段：第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种发展趋势。第二阶段开放式的仪器结构。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据采集卡；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除第一阶段内在的有用户定义和供应商定以和供应商定义仪器功能的区别。第三阶段虚拟仪器的框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建VI需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域产生，发展到这一阶段，人们认识到了VI软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。网路技术和计算机总线技术的发展，在加上测控任务的复杂化以及远程监测任务等迫切需求，促进了测控仪器向网络化的方向快速的发展，网络化仪器包括基于计算机总线技术的分布式测控仪器，基于INTERNET/INTERNET的虚拟仪器，嵌入式INTERNET的网络化仪器，基于IEEE1451标准的智能传感系统以及基于无线通讯网络的网络化仪器 系统等，他们在智能交通、信息家电、家庭自动化、工业自动化、环境监测及远程医疗等众多领域得到越来越来广泛的应用。第二章 硬件设计2.1 智能温度控制器原理框图智能温度控制器系统框图见附录（一）所示2.2 单片机AT89C51及FPGA/CPLD简介2.2.1 单片机AT89C51简介单片机（又称为微控制器）的出现是计算机发展史上的一个重要的里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通讯设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占熬头。单片机的主要特点：（1）系统性强。（2）可读性强。（3）操作性强。（4）实践性强。（5）力图反映新技术的发展。（6）力图体现新器件的应用。现在结合AT89C51来具体介绍。2.2.2 AT89C51概述单片机是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O接口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称MCU。51系列单片机包括以下几个部分：l 一个八位CPU。l 一个片内震荡器及时钟电路。l 4KB ROM程序存储器。l 128B RAM数据存储器。l 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。l 32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）。l 2个16位的定时/计数器。l 1个可编程的全双工串型接口。l 5个中断源、2个优先级嵌套中断结构。AT89C51时钟电路、复位电路图如图2.1所示图2.1 AT89C51内部震荡时钟电路图及复位电路图2.2.3 单片机管脚图及管脚功能AT89C51管脚图如图2.2所示图2.2 AT89C51管脚图l GND： 接地管脚。l VCC： 电源端，接+5V电压。l XTAL1 XTAL2：接外部晶体的一个引脚。l RST： 1.复位信号输入。 2.VCC掉电后可接备用电源，底功率情况下保持内部RAM中的数据。l ALE： 地址锁存信号。当单片机访问外部，该引脚的输出信号ALE用于所存P0口的低八位地址。l PSEN：程序存储器允许。输出单片机访问外部程序存储器。l EA： 1.EA=0，单片机只访问内部程序存储器。2.EA=1，访问内部存储器。当超过内部程序存储范围时自动访问外部程序存储器。l P0.0-P0.7：数据/地址低八位复用总线端口。l P1.0-P1.7：静态复用端口。l P2.0-P2.7：高八位地址总线动态端口。l P3.0-P3.7：双功能静态端口。2.2.4 FPGA/CPLD简介岁着电子技术的不断发展，电子系统的设计方法也发生了很大的变化，传统的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于EDA技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路（ASIC）。可编程逻辑器件是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件，是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新兴器件，芯片内的逻辑门、触发器等硬件资源可由用户配置来连接来实现专用的用户逻辑功能。它是大规模集成电路技术飞速发展与计算机辅助设计、计算机辅助生产和计算机辅助测试相结合的一种产物，是现代数字系统向超高集成度、超低功耗、超小封状和专用化方向发展的重要基础。它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性和保密性，而且给数字系统的设计方法带来了革命性的变化。目前常用的可编程逻辑器件从结构上可将其划分为两大类：CPLD和现场可编程门阵列FPGA2.2.5 MAX+PLUS简介MAX+PLUS是Altera公司为开发其可编程逻辑器件而推出的专用软件，其易学、易用、界面友好且集成化程度高，全称是Multiple Array Matrix and Progtammable Logic User System（多阵列矩阵及可编程逻辑用户系统）。MAX+PLUS是一个完全集成化的可编程逻辑环境，能满足用户各种各样的设计需要。他支持Altera公司的不同结构器件，可在多平台上运行。MAX+PLUS具有突出的灵活性和高效性，为设计者提供了多种可自由选择的设计方法和工具。丰富的图形界面，可随时访问的在线帮助文档，使用户能够快速轻松的掌握和使用MAX+PLUS软件。MAX+PLUS软件众多突出出的特点如下：1）.开放式的界面：MAX+PLUS软件可与其他工业标准的设计输入、综合与校验工具相连接它EDA工具的接口遵循EDIF200、EDIF300、参数模块库LPM，标准延迟格式SDF2.0等多种标准MAX+PLUS软件接口允许用户使用Altera或标准的EDA设计输入工具来创建逻辑设计MAX+PLUS的编译器对Altera器件的设计进行编译，使用Altera或其他EDA校验工具进行器件级或板级仿真。2）.设计与结构无关：MAX+PLUS支持Altera公司的各种可编程逻辑器件，提供了工业界真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。MAX+PLUS的编译器还提供了逻辑综合与优化功能以减轻用户的设计负担。3）.完全集成化：MAX+PLUS的设计输入、综合编译、时序分析、仿真校验下载/配置全部集成在一起，加快动态调试，缩短开发周期；4）.丰富的设计库：MAX+PLUS提供丰富的库单元共设计者使用，其中包括74系列的全会部器件和多种特殊的逻辑功能以及参数化的兆功能。5）.支持多种硬件描述语言，包括VHDL、Verilog HDL、AHDL语言。6）.模块化工具：设计者可从各种设计输入、编辑、校验及器件编程工具中作出选择，形成用户风格的开发环境，必要时还可以在保留原始功能的基础上添加新的功能。MAX+PLUS的设计过程包括设计输入、项目编译、功能时序仿真、编程配置。其中常用的设计输入方法有：通过MAX+PLUS图形编辑器创建图形文件（.gdf）；通过MAX+PLUS文本编辑器,使用VHDL语言创建文本设计文件（.vhd）。使用Verilog HDL语言创建文本文件（.V）。2.2.6 VHDL语言简介20世纪80年代后期，美国国防部开发的VHDL语言是IEEE标准化的硬件描述语言，并且已经成为系统的国际工人标准，得到众多的EDA公司的支持。其全称为（Very High Speed Integerated Circuit）Hardware Description Language。VHDL语言覆盖面广，描述能力强，能支持硬件的设计、验证、综合和测试，是一种多层次的硬件描述语言。其设计描述可以是描述电路具体组成的结构描述，也可以是描绘素电路功能的行为描述。这些描述可以从最抽象的系统级直到最精确的逻辑级甚至门级。VHDL语言设计系统一般采用自顶向下的分层设计方法。首先从系统级功能设计开始，对系统高层模块进行行为描述和功能仿真。系统的功能验证完成后，将抽象的高层设计自顶向下逐级进行细化，直到与所用可编程逻辑器件相对应的逻辑描述。VHDL语言的主要优点有：具有强大的功能，覆盖面广，描述能力强，可用语从门级电路级直至系统级的描述仿镇和综合。有良好的可读性，他可以被计算机接受，也容易被读者理解。有良好的可移植性，可以在不同的设计环境和系统平台中使用。2.3 放大器 三运放2.3.1 仪表放大器的概述在实际工程中，来自现场的传感器信号往往带有较大的共模 ，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图2.3所示。经典的测量仪表放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端VIN+和VIN-分别是两个运放A1，A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称的直接与被测信号相连，因而有着急强的抑制共模干扰能力。2.3.2 仪表放大基本电路图如图2.3所示图2.3 仪表放大基本电路图2.4 温度补偿器件 AD5902.4.1 AD590温度传感器简介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，其规格如下:1） 度每增加1，它会增加1A输出电流；2） 可测量范围-55至150；3） 供电电压范围+4V至+30V；2.4.2 AD590管脚图及元件符号AD590管脚图及元件图如图2.4所示AD590管脚图AD590元件图+Io213图2.4 AD590管脚及元件图2.4.3 AD590的基本应用电路及输出电流值VCC UoutR=10K图2.5 AD590基本应用电路图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1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Iout=（273+25）=298A。AD590的应用电路图如图2.6所示图2.6 AD590应用电路图电路分析：1、 AD590的输出电流I=（273+T）A（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）A10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。2、 由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V3、 接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。注意事项：1、 Vo的值为Io乘上10K，以室温25而言，输出值为10K298A=2.98V；2、 测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准；2.5 摸数转换器件 ADC08092.5.1 多通道A/D转换器ADC0809由于微型计算机运行速度很快，而很多的模拟变化速度慢，故通常一台计算机可以采集多个数据。为满足系统的要求，在一些A/D转换器中除设有A/D转换电路外，还含有多路开关，用以选择模拟量输入通道，使通道中的任何一个模拟通道信号能够直接进入A/D转换器。本设计中应用的就是八路多路开关ADC0809，现对ADC0809进行介绍。2.5.2 ADC0809的电路组成及转换原理ADC0809含有8位A/D转换器、8路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐渐逼近型。在A/D转换器内部有一个高阻抗斩波比较器，一个带模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关的通/断由地址所存器和译码器器控制，可以在8路的8个通道中访问任意一个单边的模拟信号。其原理图，如图2.7所示。AD0809的主要性能指标：（1）分辨率 是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即：分辨率=满量程值/2n；（2）转换精度 A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定的数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量；图2.7 ADC0809内部原理结构这种器件无须进行零位和满量程调整。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且其三态TTL输出也可以锁存，所以容易与微型计算机接口的连接。从图中可以看出，ADC0809有两部分组成。第一部分分为8通道模拟转换开关，其基本原理与CD4052类似，控制C，B，A和地址锁存允许端子，可使一个通道被选中。地二部分为一个8位的逐渐逼近型A/D转换器，它有比较器，控制逻辑，数字量输出锁存器，逐次逼近型寄存器以及开关树组和256R梯形电阻组成，由后两种电路D/A转换器。控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后将此数字量送到开关树组，以控制K7K0是否与参考电平相联。参考电平经过256R电阻网络输出一个模拟电压Vc，Vc与输入模拟量Vx在比较器中进行比较。当VcVx时，该位Di=0；若VcVx，则Di=1，且一直保持到比较结束。照此处理，从D7D0比较8次，逐次逼近寄存器中的数字量，即与模拟量Vx所相当的数字量等值。次数字量进入后存于锁存器，并同时发出结束转换信号。2.5.3 ADC0809的引脚图及功能ADC0809的引脚如图2.8所示图2.8 ADC0809引脚图根据图2.8所示。可以看出ADC0809的引脚功能如下所述。1） IN7IN0：八个模拟输入端；2） START：启动信号。当START为高电平时，A/D转换开始；3） EOC：转换结束信号。当A/D转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D转换完毕。此信号可以作为A/D转换是否结束的检测信号，高电平有效；4） OE：输出允许信号。当此信号有效时，允许从A/D转换的寄存器中读取数字量；5） 此信号可以作为ADC0809的片选信号，高电平有效；6） CLOCK：实时时钟。可以通过外接RC电路改变时钟频率；7） ALE：地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C，B，A所示的通道被选中，并把该模拟量接入A/D转换器；8） C，B，A：通道号选择端子。C为最高位，A为最低位；9） D7D0：数字量输出端；10） V（REF）+，V（REF）-：参考电压端子。用来提供D/A转换器的权电阻的标准电平。一般输入为+5v与-5v；11）VCC：电源端子。接+5V；12）GND：接地端；2.5.4 ADC0809的时序图ADC0809的时序图，如图2.9所示图2.9 ADC0809时序图2.5.5 ADC0809的技术指标1） 单一电源，+5V供电，模拟输入范围为05V；2） 分辨率为八位；3） 功耗为15mW；4） 转换速率取决于芯片的时钟脉冲频率。时钟频率范围：10128KHz，当CLOCK5等于500KHz时，转换速率为128s；5） 可锁存三态输出，输出与TTL兼容；6） 无须进行零位与满量程调整；7） 温度范围为-40+85；8） 最大不可调误差；AD0809 地址输入通道选择如表2.1所示CBA选择的通道000INT0OO1INT1010INT2011INT31OOINT4101INT5110INT6111INT7总之，ADC0809具有较高的转换速率和精度，受温度的影响较小，能够较长时间的保持精度，重复性好，功耗较低，具有八路模拟转换开关。所以对过程控制是比较理想的器件。2.6 多路选择开关 CD40522.6.1 CD4052简介CD4052是双四路的多路开关，主要应用是把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器。即完成多到一的转换；或者把经计算机处理，且由D/A转换完的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路中。即完成一到多的转换。前者称为多路开关，后者称为多路分配器。2.6.2 CD4052的特点1） 采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排；2） 直接与TTL或COMS电平相容；3） 内部带有通道选择译码器，使用方便；4） 可采用正或负双极性输入；5） 转换速度快，导通和关断时间在1s左右，有的甚至更快；6） 寿命长无机械磨损。接通电阻低，一般小于100欧姆；7） 断开电阻高，通常在10000000000欧姆以上；2.6.3 CD4052管脚及管脚图它有2个通道选择输入端A、B和一个禁止输入端INH。B、A得到的信号用来选择四路通道之一被接通。INH=1，即INH=VDD时，所有的通道都断开禁止模拟量输入；当INH=0，即INH=VSS时，通道接通，允许模拟量输入。输入的信号的范围是VDDVSS。所以，用户可以根据自己的输入信号范围和数字控制信号的逻辑电平来选择VDD、VSS、VEE的电压值。该类芯片允许3种电压的范围是VDDVSS、VDDVEE为-0.5v15v。表2.2 CD4052真值表INHBITBA选通通道0000X 0Y0011X 1Y0102X 2Y0113X 3Y1NONEVDD 2X 1X X 0X 3X B A 16 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 80Y 2Y Y 3Y 1Y INH VEE VSS图2.10 CD4052管脚图2.7 看门狗X25045 的应用2.7.1 概 述工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗(Watchdog)电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。在8096系列单片机和增强型8051系列单片机中，该系统已经做在芯片内部，用户只要用软件开放它就可以，使用很方便。但目前工控系统仍在使用廉价的普通型8051系列单片机，则看门狗电路必须由用户自己建立。 看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。2.7.2 X25045 简介X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图2.11所示。图2.11 X25045引脚图其引脚功能如下：1） CS：片选择输入；2） SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045；3） SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；4） WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；5） Vss：地；6） Vcc：电源电压；7） RESET：复位输出；2.7.3 X25045相关指令在读写操作之前，需要先向它发出指令，指令名及指令格式，如表2.3所示。表2.3X25045相关指令指令名指令格式操作WREN00000110设置写使能锁存器（允许写操作）WRDI00000100复位写使能锁存器（禁止写操作）RDSR00000101读状态寄存器WRSR00000001写状态寄存器READ0000A8011把开始与所选地址的存储器中的数据读出ERITE0000A8010把数据写入开始与所选的地址的存储器2.7.4 X25045电路相关设计及工作原理X25045硬件连接图如图2.13所示工作相关原理X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。图2电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。图2.12 X25045看门狗电路硬件连接图看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。如表2.4所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。表2.4 X25045状态寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0XXWD1WD0BL1BL0WELWIPWD10，WD0=0，预置时间为1.4s。WD10，WD0=1，预置时间为0.6s。WD11，WD0=0，预置时间为0.2s。WD11，WD0=1，禁止看门狗工作。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。2.8 过零检测硬件电路2.8.1 过零检测的原理及作用过零检测的基本原理是：过零检测电路主要有电压比较器LM311于光电隔离器件4N25。LM311将50Hz正弦交流电压变成方波。方波上升沿和下降沿分别作为单稳态触发器的触发信号，单稳态触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于220V电势过零时刻的同步触发脉冲。此脉冲作为控制时的时间计数脉冲。2.8.2 过零检测电路图如图2.13所示图2.13 过零检测电路图2.9 MAX7407与MOC3021 简介2.9.1 MAX7407简介MAX7407主要是将一定的电压脉冲值放大，达到可以驱动一定器件的目的。在本次设计中由于FPGA直接产生的脉冲不足以使可控硅导通所以在输出触发脉冲的管脚上加上一个发大，达到可以触发可控硅的脉冲电压幅度值。2.9.2 MAX7407管脚图如图2.14所示图2.14 MAX7407管脚图2.9.3 MOC3021简介MOC3021时一个光电隔离器件，主要作用是可以防止在强电与弱电之间对控制产生干扰信号。由于在本次设计中可控硅的一端与FPGA的输出脉冲管脚相连，一端与220v交流电相连，220v的交流信号可以产生对触发脉冲的干扰信号，所以在此加一个光电隔离器件。可以完全消除这样的干扰。2.9.4 MOC3021管脚图1 2 36 5 4MAINTERM TRIACSUBT MAINTERMANODE CATHODE NC图2.15 MOC3021管脚图2.9.5 MOC3021 逻辑图如图所示1264图2.16 MOC3021逻辑图2.10 可控硅的连接及控制2.10.1 可控硅简介及工作原理可控硅简介可控硅又称为晶闸管。普通的反向阻断晶闸管是应用最为广泛的一种晶闸管，以前被称之为单相可控硅或可控硅整流元件（Silicon Controlled Rctifier 简称SCR）本设计应用的是双相可控硅（双相晶闸管）双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称（TRIAC）。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接，如图2.17所示。这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态有控制极G决定。在控制极上加正向脉冲或是或负向脉冲可使正向或反向导通。这种电路的优点是控制电路简单，没有反向耐压问题，因此特别适合做交流无触点开关使用。和大功率的场效应管一样，可控硅与微型计算机接口连接时也需要加光电隔离器，触发脉冲应大于4V；脉冲宽度应大于20s。在单片机控制系统中，常用单片机的某一根接口线或外接I/O接口的某一位产生触发脉冲。为提高效率，要求触发脉冲与交流电压同步，通常采用检测交流过零点来实现。可控硅的符号、结构图及伏安特性如下图所示T2第一电极T1第一电极T2控制极GT1GNPPNNNNUI图2.17 可控硅的符号结构图及特性曲线2.10.2 可控硅的连接电路图如图2.18所示图2.18 可控硅控制电路图2.11 可控硅调功触发图解如图2.19所示图2.19 可控硅调功触发图解2.12 键盘的设计2.12.1 键盘简介键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。键盘可以分为编码键盘和非编码键盘两种类型。前者能自动识别按下的键并产生相应的代码，以并行或串行方式发送给CPU。它使用方便、接口简单、响应速度快，但需要专用的硬件电路。后者则通过软件来确定按键并计算键值。这种方法虽然没有编码键盘速度快，但它不需要专用的硬件支持，因此得到广泛的应用。键盘时计算机应用系统中一个重要的组成部分，在设计时应该