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闭环温控设计.docx
摘 要
一、课题背景
二、需求分析
1.设计任务归纳
2.项目分析与方案设计
通过人机交互单元(键盘)人为输入一个温度并将其导入到系统中，通过主控制单元(单片机)中的电子
三、单片机应用电路设计与实现
1.设计要求
2.方案设计与电路设计
3.原理与理论计算
4.调试原理与方法
注：用示波器观察A0~ A3引脚，ALE 信号每作用一次，各引脚的电平都会发生一次翻转。并伴有一个R
5.调试过程及数据
6.出现问题及解决
四、模/数转换电路设计与实现
1.设计要求
2.方案设计与电路设计
我与搭档在理解了模/数转换电路的原理后，选择了如下图所示的电路。
3.原理与理论计算
1)原理：
2)ADC0804操作时序
3)理论计算
4.调试原理与方法
1)调试原理
2)调试方法
5.调试过程及数据
1)搭建测试环境
2)测试
6.出现问题及解决
五、显示与键盘控制电路设计与实现
1.设计要求
1)显示控制电路
2)键盘控制电路
2.方案设计与电路设计
1)显示控制电路
2)键盘控制电路
3)显示与键盘控制电路模块完整电路图：
图5-4：显示与键盘控制电路安装结构图
3.原理与理论计算
4.调试原理与方法
1)显示控制电路
2)键盘控制电路
5.调试过程及数据
1)显示控制电路
图5-5：显示控制电路测试系统组成示意图
2)键盘控制电路
图5-7：键盘控制电路测试系统组成示意图
6.出现问题及解决
六、数/模转换电路设计与实现
1.设计要求
1)输入范围： 00H ~ 0FFH
2)输出电压： -10V~+10V
3)输出电流： >25mA
4)响应时间： < 1ms
5)安装： 独立电路板结构
2.方案设计与电路设计
1)芯片的选择
2)电路设计
图6-1：数/模转换电路模块原理图
3.原理与理论计算
1)原理
4.调试原理与方法
1)调试原理
2)调试方法
5.调试过程及数据
1)隔离负载
2)测试系统组成示意图
3)测试
6.出现问题及解决
七、温度测量和控制程序设计
1.基本任务归纳
⑴闭环温度控制
1)键盘状态读取与分析
2)控制ADC进行温度测量
3)控制DAC实现温度控制
4)控制显示电路实现温度显示
5)用比例积分微分电路精准控制温度
2.程序设计方案
1)流程图
3.程序模块设计
1)键盘读取程序：readlr(int num);//读取行列值，num用于存放第几个数码管显示
2)执行相应功能程序：readinput(void);//读取输入并按照相应条件执行相应程序
3)读温程序：tempera(void);//获取AD温度程序
4)显示程序：display(unsigned char x,unsigned char y);//在第
5)延时程序：delay(long int x);//延时程序，并通过x调节延时长度
6)解码程序：decode(unsigned int l, unsigned int r,unsigne
7)控温程序：loopctrl(void);//PID控温程序
4.调试原理与方法
5.出现问题及解决
八、设计任务完成情况总结
九、心得体会与建议
十、附录
摘 要
随着现代工业技术的迅猛发展，工业上的各种技术指标精度的要求也越来越
高，在众多指标中，温度的测量与控制是一个永恒的话题，只有了精确地温度测
量，才能把加热和散热的工作做得更好。本课题的任务是完成一套小型的温度测
量与控制系统。这个系统需要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、
数据处理、人机交互、数据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所
有设计环节。其中包含有三个阶段。本报告为第二阶段内容，在第一阶段电源模
块、变送器模块，驱动器模块的基础上，又包含：
单片机模块的设计与实现；
数模转换模块的设计与实现；
模数转换模块的设计与实现；
键盘显示模块的设计与实现。
在上述七个模块的基础上，通过软件设计完成环境温度的显示与闭环温度控
制两大功能。并通过键盘很方便的进行两大功能的自由切换和目标控制温度的设
定。
【关键词】单片机；温度控制；闭环控制
01. 2
电子工程设计Ⅱ实验报告
目录
一、课题背景.............................................................................................4
二、需求分析.............................................................................................4
1. 设计任务归纳.................................................................................4
2. 项目分析与方案设计.................................................................. 4
三、单片机应用电路设计与实现............................................................ 6
1. 设计要求.........................................................................................6
2. 方案设计与电路设计.....................................................................6
3. 原理与理论计算.............................................................................7
4. 调试原理与方法.............................................................................8
5. 调试过程及数据.............................................................................9
6. 出现问题及解决...........................................................................10
四、模/数转换电路设计与实现............................................................. 10
1. 设计要求.......................................................................................10
2. 方案设计与电路设计...................................................................11
3. 原理与理论计算...........................................................................12
4. 调试原理与方法...........................................................................13
5. 调试过程及数据...........................................................................13
6. 出现问题及解决...........................................................................13
五、显示与键盘控制电路设计与实现.................................................. 14
1. 设计要求.......................................................................................14
2
01. 2
电子工程设计Ⅱ实验报告
2. 方案设计与电路设计.................................................................. 14
3. 原理与理论计算...........................................................................18
4. 调试原理与方法...........................................................................18
5. 调试过程及数据...........................................................................19
6. 出现问题及解决...........................................................................20
六、数/模转换电路设计与实现............................................................ 20
1. 设计要求.......................................................................................20
2. 方案设计与电路设计.................................................................. 21
3. 原理与理论计算...........................................................................22
4. 调试原理与方法...........................................................................22
5. 调试过程及数据...........................................................................23
6. 出现问题及解决...........................................................................24
七、温度测量和控制程序设计.............................................................. 24
1. 基本任务归纳............................................................................24
2. 程序设计方案............................................................................24
3. 程序模块设计...............................................................................26
4. 调试原理与方法...........................................................................27
5. 出现问题及解决...........................................................................27
八、设计任务完成情况总结.................................................................. 27
九、体会与建议.......................................................................................28
十、附录...................................................................................................29
3
01. 2
电子工程设计Ⅱ实验报告
一、 课题背景
在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个
很重要的量，需要准确地加以控制。因此以温度作为被控制量的反馈控制系统广
泛的应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保
持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。
目前，温度控制系统是应用最广泛的闭环控制系统，不但走进了工厂，而且
走进了千家万户，为老百姓服务。本课程通过对闭环温度控制系统的设计与实现，
逐步掌握系统的设计方法与设计流程，掌握单片机应用系统的设计与调试，并锻
炼在调试中发现问题、解决问题的能力。
二、 需求分析
1. 设计任务归纳
1) 温度控制范围： 0℃ - 99℃
2) 温度控制误差： ± 1.0 ℃
3) 温度显示：
0℃ - 99℃
4) 温度设置：
0℃ - 99℃
5) 控制方式：
本地控制、遥控
2. 项目分析与方案设计
1) 基本功能分析：闭环温度控制系统。
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01. 2
电子工程设计Ⅱ实验报告
图 2-1：系统基本结构图
2) 整体方案设计概述
通过人机交互单元(键盘)人为输入一个温度并将其导入到系统中，通过主控
制单元(单片机)中的电子程序将数据输出到 D/A 转换器中，把数字量转为模拟量，
再通过驱动器将电流放大，改变控制执行部件(半导体制冷片)的功率，并进行升
降温的温度调节，通过传感器捕捉变化后的温度信号，经过变送器转化为电压模
拟电信号，在使用 A/D 转化电路将模拟电信号转换为数字电信号进行显示。同时
用 D/A 转换电路将新的数字信号转换为模拟信号并写入单片机程序中，同时将
D/A 转换电路的输出送入驱动器，实现温度的控制。
图 2-2：闭环温度控制硬件系统功能关系
3) 说明
本报告是在第一阶段——简单电路的模块化实现的基础上，通过更加复杂电
路的设计与实现，并配合相关软件设计，共同完成温度控制任务。一般来说一个
比较复杂的电路系统，可以按照电路实现的功能或电路的类型分为若干个模块。
其中有些模块与其它模块之间的界面清晰，入口参数和出口参数明确，能够独立
工作，这类电路模块可以称之为独立电路模块。为了简化系统电路的设计工作，
并且使系统便于组装、调试，这类电路模块可以单独进行设计、实现和调试、检
测。
本阶段的设计任务仍然采取模块化的方法，分模块进行设计与焊接、调试。
这样可以有效降低模块设计的难度，。上阶段已完成电源模块、变送器模块和驱
动器模块的设计与实现的基础上。继续完成单片机模块、AD 模块、DA 模块、
键盘显示模块的设计与实现。并在各模块的基础上完成软件设计，实现环境温度
5
变
送
器
传
感
器
驱
动
器
测
温
控
温
单
片
机
受
控
模
/
数
对
象
转
换
器
数
/
模
转
换
器
前
向
通
道
后
向
通
道
主
控
制
单
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机
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互
控
制
执
行
单
元
单
元
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0
0
℃
0
℃
~
1
0
0
℃
01. 2
电子工程设计Ⅱ实验报告
的采集与显示，环境温度的闭环控制两大功能，成功完成了预期目标。
三、 单片机应用电路设计与实现
1....设计要求
1) 数据总线： AD0~AD7
2) 控制信号： WR，RD
3) 地址信号： A0~A3（备用）
4) 片选信号： CS0~CS3（CS4、CS5）
独立电路板结构
5) 安装：
2. 方案设计与电路设计
1) 单片机的选择
采用以 MCS-51（C8051F023）为核心的单片机做为控制芯片。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。
2) 电路设计
a) 直选法
优点：直选法生成片选信号可以不做地址译码设计，焊接的工作量相对小。
缺点：直选法片选信号与地址之间不是线性关系，使用该方案需要熟练掌握片选
信号与地址之间的关系计算，不能够出现错误。
b) 全地址译码法
优点：全部地址参与译码，片选对应唯一地址，可有效降低出错的概率。
缺点：译码器中所有线参与译码，焊接的工作量大。
c) 部分地址译码法
优点：74HC138 译码器的输出状态仅与 A15~A13 有关，地址信号 A11-A0 后续
可用作二次译码。且原理清晰，不易弄混，编程调试和故障排查也很方便。
缺点：焊接的连线较多，工作量大。
由于部分地址译码的原理比较好理解，所以我们选择了部分地址译码。单片
机电路图如图 3-1 所示。
6
01. 2
电子工程设计Ⅱ实验报告
图 3-1：单片机电路原理图
单片机电路
图 3-2：单片机电路安装结构
3. 原理与理论计算
C8051 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。C8051F023 通过 A13、A14、A15 三口输出信号给 74LS138 译码器，
7
单
片
机
应
用
电
路
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+
5
V
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电子工程设计Ⅱ实验报告
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。C8051 接
收信号后需要数据/地址分离电路，而 74LS373 锁存器从 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。
4. 调试原理与方法
1) 调试原理
a) 产生数据信号/写信号如下：产生 0，1 交替的信号，观察数据信号/写
信号示意图，如图 3-3 所示。
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
XBYTE[0x0000]=
XBYTE[0x0000]=
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
=0x55
=0xAA
图 3-3：数据信号/写信号示意图
b) 产生地址信号/读信号如下：使 A3A2A1A0 产生 0，1 交替的信号观察
地址信号/读信号示意图，如图 3-4 所示。
Unsigned x;
//定义无符号变量 x
x=XBYTE[0x0005]
x=XBYTE[0x000A]
A3
0
1
A2
1
0
A1
0
1
A0
1
0
=0x0005
=0x000a
注：用示波器观察 A0~ A3 引脚，ALE 信号每作用一次，各引脚的电平都会发
生一次翻转。并伴有一个 RD 信号产生。
8
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