畢業(yè)設計論文--智能溫度控制器

1、<p>　　本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）</p><p>　　題 目：智能溫度控制器</p><p><b>　　智能溫度控制器</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題智能溫度控制器用FPGA/CPLD和單片機相結合，構成整個系統(tǒng)的測控主

2、體。FPGA/CPLD主要負責數(shù)據采集、數(shù)據存儲、鍵盤掃描、數(shù)據顯示；單片機主要負責讀取FPGA/CPLD采集的數(shù)據，并根據這些數(shù)據進行數(shù)字濾波、標度變換、PID運算。本設計系統(tǒng)可分為四大基本組成部分：溫度數(shù)據采集電路、數(shù)據運算控制電路、數(shù)據顯示電路和報警電路。</p><p>　　1.溫度數(shù)據采集：主要應用K型熱電偶溫度傳感器來采集溫度信號。利用ADC0809將轉換的標準模擬信號轉換成數(shù)字信號。利用集成溫度傳感

3、器AD590測量冷端溫度，進行冷端溫度補償。</p><p>　　2.數(shù)據運算控制部分：將采集的數(shù)據經計算機進行處理、數(shù)字濾波、標度變換、PID運算輸出控制參數(shù)，利用可控硅原理對單相電加熱器進行溫度控制。溫度控制電路采用晶閘管調功方式。</p><p>　　3.數(shù)據顯示部分：顯示電路由四個共陽極期段數(shù)碼管和四片1位串入八位并出的74LS164芯片組成。</p><p&g

4、t;　　4.報警部分：設有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員的注意，或采取緊急措施。其方法就是把計算機采集的數(shù)據與該參數(shù)上、下限給定值進行比較：如果高于上限值或低于下限值進行報警，否則作為采樣的正常值，進行顯示和控制。</p><p>　　關鍵詞：智能化；溫度控制；單片機；FPGA</p><p>　　Smart Temperature Controller</p><

5、p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The temperature controller for use wisdom and A Single Chip computer and FPGA/CPLD combined constitute the main system of monitoring. FPGA/CPLD primarily responsib

6、le 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 ope

7、rations. This design system can be divided into four basic components : temperature data acquisition circuits, data p</p><p>　　1. Temperature data collection : The main application for K-type thermocouple te

8、mperature 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 comp

9、ensation. </p><p>　　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-control

10、led rectifier principles of a single-phase electric heater temperature control. Temperature control circuits used Jingzhaguan transfer credit.</p><p>　　3. Data elements : the show circuit anode part of a tot

11、al of four digital and four pieces of eight and a one string into the 74LS164 chip. </p><p>　　4. Police parts : an emergency warning system to alert operators of attention, or take emergency measures. The me

12、thods 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 va

13、lue, display and control.</p><p>　　Key words: Intelligent; Temperature control; A Single Chip Computer ; FPGA/CPLD</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</

14、b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 引 言1</b></p><p>　　1.1 課題的意義1</p><p>　　1.2 智能溫度控制器的功能2</p><p>　　第二章 硬件設計4</p><p>　　2

15、.1 智能溫度控制器原理框圖4</p><p>　　2.2 單片機AT89C51及FPGA/CPLD簡介4</p><p>　　2.2.1 單片機AT89C51簡介4</p><p>　　2.2.2 AT89C51概述4</p><p>　　2.2.3 單片機管腳圖及管腳功能5</p><p>　　2.2.4

16、 FPGA/CPLD簡介6</p><p>　　2.2.5 MAX+PLUSⅡ簡介6</p><p>　　2.2.6 VHDL語言簡介7</p><p>　　2.3 放大器 三運放8</p><p>　　2.3.1 儀表放大器的概述8</p><p>　　2.3.2 儀表放大基本電路圖8</p>

17、<p>　　2.4 溫度補償器件 AD5908</p><p>　　2.4.1 AD590溫度傳感器簡介8</p><p>　　2.4.2 AD590管腳圖及元件符號9</p><p>　　2.4.3 AD590的基本應用電路及輸出電流值9</p><p>　　2.5 摸數(shù)轉換器件 ADC080911</p>

18、;<p>　　2.5.1 多通道A/D轉換器ADC080911</p><p>　　2.5.2 ADC0809的電路組成及轉換原理11</p><p>　　2.5.3 ADC0809的引腳圖及功能12</p><p>　　2.5.4 ADC0809的時序圖13</p><p>　　2.5.5 ADC0809的技術指標1

19、4</p><p>　　2.6 多路選擇開關 CD405215</p><p>　　2.6.1 CD4052簡介15</p><p>　　2.6.2 CD4052的特點15</p><p>　　2.6.3 CD4052管腳及管腳圖15</p><p>　　2.7 看門狗X25045 的應用16</p&g

20、t;<p>　　2.7.1 概 述16</p><p>　　2.7.2 X25045 簡介17</p><p>　　2.7.3 X25045相關指令17</p><p>　　2.7.4 X25045電路相關設計及工作原理18</p><p>　　2.8 過零檢測硬件電路19</p><p>　

21、　2.8.1 過零檢測的原理及作用19</p><p>　　2.8.2 過零檢測電路圖19</p><p>　　2.9 MAX7407與MOC3021 簡介20</p><p>　　2.9.1 MAX7407簡介20</p><p>　　2.9.2 MAX7407管腳圖20</p><p>　　2.9.3 M

22、OC3021簡介20</p><p>　　2.9.4 MOC3021管腳圖21</p><p>　　2.9.5 MOC3021 邏輯圖如圖所示21</p><p>　　2.10 可控硅的連接及控制21</p><p>　　2.10.1 可控硅簡介及工作原理21</p><p>　　2.10.2 可控硅的連接電

23、路圖22</p><p>　　2.11 可控硅調功觸發(fā)圖解23</p><p>　　2.12 盤的設計24</p><p>　　2.12.1 鍵盤簡介24</p><p>　　2.12.2 鍵盤的連接電路圖24</p><p>　　2.12.3 按鍵位置與數(shù)碼關系25</p><p>

24、;　　2.13 聲光報警及工作指示燈的電路設計25</p><p>　　2.13.1 聲光報警方法25</p><p>　　2.13.2 聲光報警電路圖26</p><p>　　2.14 數(shù)據顯示及數(shù)碼管LED的連接26</p><p>　　2.14.1 數(shù)碼管簡介26</p><p>　　2.14.2 溫度

25、數(shù)據顯示設計27</p><p>　　2.14.3 顯示數(shù)字度應的真值表28</p><p>　　2.14.4 顯示電路的完整圖29</p><p>　　2.15 本章小結29</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件的設計30</p><p>　　3.1 軟件設計思30</p><p>

26、;　　3.2 主程序30</p><p>　　3.2.1 主程序流程圖30</p><p>　　3.2.2 主程序程序30</p><p>　　3.3 AD采樣控制程序設計30</p><p>　　3.3.1 AD采樣控制VHDL實現(xiàn)30</p><p>　　3.3.2 采樣數(shù)據緩存器LPM_FIFO設計3

27、1</p><p>　　3.3.3 ADC0809采樣電路系統(tǒng)31</p><p>　　3.3.4 AD采樣程序流程圖32</p><p>　　3.3.5 AD采樣程序32</p><p>　　3.4 數(shù)字濾波程序設計32</p><p>　　3.4.1 數(shù)字濾波概述32</p><p&g

28、t;　　3.4.2 數(shù)字濾波程序流程圖33</p><p>　　3.4.3 數(shù)字濾波程序流程圖33</p><p>　　3.5 熱電偶線性回歸公式及線性化33</p><p>　　3.5.1 線性回歸概述33</p><p>　　3.5.2 線性回歸及標度變換34</p><p>　　3.5.3 K型熱電偶的

29、線性化36</p><p>　　3.5.4 線性化程序流程圖36</p><p>　　3.5.5 線性化程序36</p><p>　　3.6 PID 運算程序設計36</p><p>　　3.6.1 帶死取樣的PID簡介36</p><p>　　3.6.2 帶死區(qū)控制算法流程圖36</p>&

30、lt;p>　　3.6.3 的PID控制計算程序36</p><p>　　3.7 VHDL計時控制程序及產生觸發(fā)脈沖程序36</p><p>　　3.8 最終溫度顯示程序設計36</p><p>　　3.8.1 溫度顯示流程圖36</p><p>　　3.8.2 溫度顯示程序36</p><p>　　3.

31、9 報警程序設計36</p><p>　　3.9.1 報警概述36</p><p>　　3.9.2 報警程序流程圖36</p><p>　　3.9.3 報警模塊程序36</p><p>　　3.10 讀取AD 值子函數(shù)36</p><p>　　3.11 單片機主程序36</p><p&g

32、t;　　3.12 本章小結36</p><p><b>　　設計結論36</b></p><p><b>　　參考文獻36</b></p><p>　　附錄（一）智能溫度控制器系統(tǒng)框圖36</p><p>　　附錄（二）流程圖36</p><p>　　附錄（A）主程

33、序流程圖36</p><p>　　附錄（B）采樣程序流程圖36</p><p>　　附錄（C）中值濾波程序流程圖36</p><p>　　附錄（D）線性化流程圖36</p><p>　　附錄（E） PID運算流程圖36</p><p>　　附錄（F）溫度顯示流程圖36</p><p>

34、;　　附錄（G）報警程序流程圖36</p><p>　　附錄（三）程序36</p><p>　　附錄（A）VHDL采樣控制程序36</p><p>　　附錄（B）中值濾波程序36</p><p>　　附錄（C）線性化程序36</p><p>　　附錄（D）PID運算程序36</p><p

35、>　　附錄（E）VHDL計時控制程序36</p><p>　　附錄（F） 產生觸發(fā)脈沖VHDL程序36</p><p>　　附錄（G） 鍵盤掃描及譯碼程序36</p><p>　　附錄（H） 溫度數(shù)據顯示程序36</p><p>　　附錄（I）報警程序36</p><p>　　附錄（K）讀取AD值子函

36、數(shù)36</p><p>　　附錄（L）主程序36</p><p>　　附錄（四）智能溫度控制器電路圖36</p><p><b>　　附錄（A）36</b></p><p><b>　　附錄（B）36</b></p><p><b>　　致 謝36<

37、;/b></p><p><b>　　引 言</b></p><p><b>　　課題的意義</b></p><p>　　溫度的測量與控制在化工產品生產、現(xiàn)代工業(yè)生產過程中、冶金、化工、倉儲、食品加工及人工環(huán)境等各種領域。像廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制，計算機溫度控制系統(tǒng)使溫

38、度控制指標 得到了大幅度提高。設計研發(fā)一種高精度的智能溫度控制器是十分有意義的。</p><p>　　溫度控制在工業(yè)生產中十分普遍，無論任何場合其溫度控制的主要電路采用晶閘管做為無觸點開關為理想選擇，溫度控制器可采用儀表、PLC、微型機等。近來在市場出現(xiàn)及各種工業(yè)生產過程中基本應用于交、直流系統(tǒng)的晶閘管模塊，將同步觸發(fā)和晶閘管主要電路集成為一體，是晶閘管的應用更為簡單方便。對于一般的系統(tǒng)采用單片機作為控制器

39、可以獲得良好的控制性能和優(yōu)越的性價比。但是在設計研發(fā)的過程中單片機的設計及一般的溫度控制器設計都是需要現(xiàn)實的硬件系統(tǒng)的搭接，這種設計研發(fā)有很多的弊端。如：搭接的電路誤差比較大，對設計的精度和結果有一定的影響。而且設計的周期一般是很長的。并且有些器件的功能有很多的局限。隨著現(xiàn)代的電子技術的飛躍發(fā)展 。</p><p>　　EDA技術作為現(xiàn)在電子設計最新技術的結晶，其廣泛的應用前景和深遠的影響已經無庸質疑，它在信息工

40、程專業(yè)中的基礎地位和核心作用也逐漸被人們所認識。現(xiàn)在的EDA技術已經在各大高等院校得到和快的推廣，在課程設計，綜合實踐，電子設計競賽，畢業(yè)設計，科學研究和產品的研發(fā)等EDA技術綜合應用環(huán)節(jié)提供拉很大的幫助，并處于很重要的位置。對于迅猛發(fā)展的EDA技術的綜合運用，從EDA技術的綜合應用系統(tǒng)的深度來分，可分為3個層次：功能電路模塊的設計；算法實現(xiàn)電路模塊的設計；片上系統(tǒng)/嵌入式系統(tǒng)/現(xiàn)代DSP系統(tǒng)的設計。從EDA技術的綜合應用系統(tǒng)的最終主要

41、硬件結構層來分，已出現(xiàn)6中形式：CPLD/FPGA系統(tǒng)；CPLD/FPGA+MCU系統(tǒng)；CPLD/FPGA+專用DSP處理器系統(tǒng)；基于FPGA實現(xiàn)的現(xiàn)代DSP系統(tǒng)；基于FPGA實現(xiàn)的SOC片上系統(tǒng)；基于FPGA實現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)；</p><p>　　從EDA技術的綜合應用系統(tǒng)的完善層次來分：EDA綜合系統(tǒng)--主體電路的設計—仿真及硬件驗證；主體電路的設計—仿真硬件驗證-系統(tǒng)外圍電路的PCB的設計與制作；主體電路的

42、設計—仿真及硬件驗證—系統(tǒng)整體電路PCB的設計與、制作及系統(tǒng)的組裝調試。</p><p>　　隨著微型計算機及微電子技術在測試領域中的廣泛應用，儀器儀表在測量原理、準確度、靈敏度、可靠性、功能及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，逐步形成完全突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器：智能儀器。在信息技術的高速發(fā)展和人工智能應用的推動下，智能儀器必將有更大的發(fā)展。測試儀器的智能化是現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的主流方向。</p>

43、<p>　　本設計課題智能溫度控制器利用當今流行的EDA（電子設計自動化）技術，綜合應用單片機與FPGA技術，通過功能的合理劃分充分發(fā)揮單片機與FPGA各自的優(yōu)點，這是智能儀表的發(fā)展方向。</p><p>　　智能溫度控制器的功能</p><p>　　計算機與測量控制儀器的結合產生了智能控制儀器。隨著傳感器技術發(fā)展、A/D等新器件出現(xiàn)、單片機與DSP的廣泛應用、特別是ASIC、

44、FPGA/CPLD技術在智能儀器中的廣泛應用，智能儀器的結構更緊湊，性能更優(yōu)良。</p><p>　　本次設計智能溫度控制器的主要功能：</p><p>　　1）數(shù)據采集功能：可將現(xiàn)場的模擬溫度信號進行采集、量化轉換成數(shù)字量，送給單片機進行處理。</p><p>　　2）數(shù)據處理功能：可將采樣后的數(shù)字量進行數(shù)字濾波、線性化標度變換、PID運算。</p>

45、<p>　　3）控制功能：可使現(xiàn)場的溫度保持與目標溫度一致（滿足工藝精度）。</p><p>　　4）數(shù)據顯示功能：可將現(xiàn)場的溫度值利用數(shù)碼管顯示，比較直觀了解工藝現(xiàn)場情況。</p><p>　　5）報警功能：當溫度值超過警戒溫度值是進行報警，以引起操作人員注意并采取相關措施。</p><p>　　智能溫度控制器的發(fā)展展望</p><

46、p>　　基于計算機的測控儀器發(fā)展至今，大致可以分為三個發(fā)展階段：</p><p>　　第一階段利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能。隨著計算機系統(tǒng)性能價格比的不斷上升，用計算機控制測控儀器成為一種發(fā)展趨勢。</p><p>　　第二階段開放式的儀器結構。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術進步：一是插入式計算機數(shù)據采集卡；二是VXI儀器總線標準的確立。這些新的技術使儀器的構成得以開放，消除第一階段內在的

47、有用戶定義和供應商定以和供應商定義儀器功能的區(qū)別。</p><p>　　第三階段虛擬儀器的框架得到了廣泛認同和采用。軟件領域面向對象技術把任何用戶構建VI需要知道的東西封裝起來。許多行業(yè)標準在硬件和軟件領域產生，發(fā)展到這一階段，人們認識到了VI軟件框架才是數(shù)據采集和儀器控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的關鍵。</p><p>　　網路技術和計算機總線技術的發(fā)展，在加上測控任務的復雜化以及遠程監(jiān)測任務等迫

48、切需求，促進了測控儀器向網絡化的方向快速的發(fā)展，網絡化儀器包括基于計算機總線技術的分布式測控儀器，基于INTERNET/INTERNET的虛擬儀器，嵌入式INTERNET的網絡化儀器，基于IEEE1451標準的智能傳感系統(tǒng)以及基于無線通訊網絡的網絡化儀器 系統(tǒng)等，他們在智能交通、信息家電、家庭自動化、工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測及遠程醫(yī)療等眾多領域得到越來越來廣泛的應用。</p><p><b>　　硬件設計&

49、lt;/b></p><p>　　智能溫度控制器原理框圖</p><p>　　智能溫度控制器系統(tǒng)框圖見附錄（一）所示</p><p>　　單片機AT89C51及FPGA/CPLD簡介</p><p>　　單片機AT89C51簡介</p><p>　　單片機（又稱為微控制器）的出現(xiàn)是計算機發(fā)展史上的一個重要的里程碑

50、，它以體積小、功能全、性價比高等諸多優(yōu)點而獨具特色，在工業(yè)控制、尖端武器、通訊設備、信息處理、家用電器等嵌入式應用領域中獨占熬頭。</p><p>　　單片機的主要特點：（1）系統(tǒng)性強。（2）可讀性強。（3）操作性強。（4）實踐性強。（5）力圖反映新技術的發(fā)展。（6）力圖體現(xiàn)新器件的應用。現(xiàn)在結合AT89C51來具體介紹。</p><p><b>　　AT89C51概述</

51、b></p><p>　　單片機是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和多功能I/O接口等計算機所需要的基本功能部件的大規(guī)模集成電路，又稱MCU。51系列單片機包括以下幾個部分：</p><p><b>　　一個八位CPU。</b></p><p>　　一個片內震蕩器及時鐘電路。</p><p>

52、　　4KB ROM程序存儲器。</p><p>　　128B RAM數(shù)據存儲器。</p><p>　　可尋址64KB外部數(shù)據存儲器和64KB外部程序存儲器的控制電路。</p><p>　　32條可編程的I/O線（4個8位并行I/O接口）。</p><p>　　2個16位的定時/計數(shù)器。</p><p>　　1個可編程的

53、全雙工串型接口。</p><p>　　5個中斷源、2個優(yōu)先級嵌套中斷結構。</p><p>　　AT89C51時鐘電路、復位電路圖如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1 AT89C51內部震蕩時鐘電路圖及復位電路圖</p><p>　　單片機管腳圖及管腳功能</p><p>　　AT89C51管腳圖如圖2.2所示

54、</p><p>　　圖2.2 AT89C51管腳圖</p><p>　　GND： 接地管腳。</p><p>　　VCC： 電源端，接+5V電壓。</p><p>　　XTAL1 XTAL2：接外部晶體的一個引腳。</p><p>　　RST： 1.復位信號輸入。 2.VCC掉電后可接備用電源，底功率情況下保持內部

55、RAM中的數(shù)據。</p><p>　　ALE： 地址鎖存信號。當單片機訪問外部，該引腳的輸出信號ALE用于所存P0口的低八位地址。</p><p>　　PSEN：程序存儲器允許。輸出單片機訪問外部程序存儲器。</p><p>　　EA： 1.EA=0，單片機只訪問內部程序存儲器。2.EA=1，訪問內部存儲器。當超過內部程序存儲范圍時自動訪問外部程序存儲器。<

56、/p><p>　　P0.0-P0.7：數(shù)據/地址低八位復用總線端口。</p><p>　　P1.0-P1.7：靜態(tài)復用端口。</p><p>　　P2.0-P2.7：高八位地址總線動態(tài)端口。</p><p>　　P3.0-P3.7：雙功能靜態(tài)端口。</p><p>　　FPGA/CPLD簡介</p><

57、p>　　歲著電子技術的不斷發(fā)展，電子系統(tǒng)的設計方法也發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的設計方法正逐步退出歷史舞臺，而基于EDA技術的芯片設計正在成為電子系統(tǒng)設計的主流。大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD和FPGA是當今應用最廣泛的兩類可編程專用集成電路（ASIC）?？删幊踢壿嬈骷?0世紀70年代發(fā)展起來的一種新型邏輯器件，是一種由用戶編程來實現(xiàn)某種邏輯功能的新興器件，芯片內的邏輯門、觸發(fā)器等硬件資源可由用戶配置來連接來實現(xiàn)專用的用戶邏輯功能。它

58、是大規(guī)模集成電路技術飛速發(fā)展與計算機輔助設計、計算機輔助生產和計算機輔助測試相結合的一種產物，是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)向超高集成度、超低功耗、超小封狀和專用化方向發(fā)展的重要基礎。它的應用和發(fā)展不僅簡化了電路設計，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性和保密性，而且給數(shù)字系統(tǒng)的設計方法帶來了革命性的變化。目前常用的可編程邏輯器件從結構上可將其劃分為兩大類：CPLD和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA</p><p>　　MAX+PLUSⅡ簡介

59、</p><p>　　MAX+PLUSⅡ是Altera公司為開發(fā)其可編程邏輯器件而推出的專用軟件，其易學、易用、界面友好且集成化程度高，全稱是Multiple Array Matrix and Progtammable Logic User SystemⅡ（多陣列矩陣及可編程邏輯用戶系統(tǒng)Ⅱ）。MAX+PLUSⅡ是一個完全集成化的可編程邏輯環(huán)境，能滿足用戶各種各樣的設計需要。他支持Altera公司的不同結構器件，可

60、在多平臺上運行。MAX+PLUSⅡ具有突出的靈活性和高效性，為設計者提供了多種可自由選擇的設計方法和工具。豐富的圖形界面，可隨時訪問的在線幫助文檔，使用戶能夠快速輕松的掌握和使用MAX+PLUSⅡ軟件。</p><p>　　MAX+PLUSⅡ軟件眾多突出出的特點如下：</p><p>　　1）.開放式的界面：MAX+PLUSⅡ軟件可與其他工業(yè)標準的設計輸入、綜合與校驗工具相連接它EDA工具

61、的接口遵循EDIF200、EDIF300、參數(shù)模塊庫LPM，標準延遲格式SDF2.0等多種標準MAX+PLUSⅡ軟件接口允許用戶使用Altera或標準的EDA設計輸入工具來創(chuàng)建邏輯設計MAX+PLUSⅡ的編譯器對Altera器件的設計進行編譯，使用Altera或其他EDA校驗工具進行器件級或板級仿真。</p><p>　　2）.設計與結構無關：MAX+PLUSⅡ支持Altera公司的各種可編程邏輯器件，提供了工業(yè)

62、界真正與結構無關的可編程邏輯設計環(huán)境。MAX+PLUSⅡ的編譯器還提供了邏輯綜合與優(yōu)化功能以減輕用戶的設計負擔。</p><p>　　3）.完全集成化：MAX+PLUSⅡ的設計輸入、綜合編譯、時序分析、仿真校驗下載/配置全部集成在一起，加快動態(tài)調試，縮短開發(fā)周期；</p><p>　　4）.豐富的設計庫：MAX+PLUSⅡ提供豐富的庫單元共設計者使用，其中包括74系列的全會部器件和多種特殊

63、的邏輯功能以及參數(shù)化的兆功能。</p><p>　　5）.支持多種硬件描述語言，包括VHDL、Verilog HDL、AHDL語言。</p><p>　　6）.模塊化工具：設計者可從各種設計輸入、編輯、校驗及器件編程工具中作出選擇，形成用戶風格的開發(fā)環(huán)境，必要時還可以在保留原始功能的基礎上添加新的功能。</p><p>　　MAX+PLUSⅡ的設計過程包括設計輸入、

64、項目編譯、功能時序仿真、編程配置。其中常用的設計輸入方法有：通過MAX+PLUSⅡ圖形編輯器創(chuàng)建圖形文件（.gdf）；通過MAX+PLUSⅡ文本編輯器,使用VHDL語言創(chuàng)建文本設計文件（.vhd）。使用Verilog HDL語言創(chuàng)建文本文件（.V）。</p><p><b>　　VHDL語言簡介</b></p><p>　　20世紀80年代后期，美國國防部開發(fā)的VHD

65、L語言是IEEE標準化的硬件描述語言，并且已經成為系統(tǒng)的國際工人標準，得到眾多的EDA公司的支持。其全稱為（Very High Speed Integerated Circuit）Hardware Description Language。</p><p>　　VHDL語言覆蓋面廣，描述能力強，能支持硬件的設計、驗證、綜合和測試，是一種多層次的硬件描述語言。其設計描述可以是描述電路具體組成的結構描述，也可以是描繪

66、素電路功能的行為描述。這些描述可以從最抽象的系統(tǒng)級直到最精確的邏輯級甚至門級。</p><p>　　VHDL語言設計系統(tǒng)一般采用自頂向下的分層設計方法。首先從系統(tǒng)級功能設計開始，對系統(tǒng)高層模塊進行行為描述和功能仿真。系統(tǒng)的功能驗證完成后，將抽象的高層設計自頂向下逐級進行細化，直到與所用可編程邏輯器件相對應的邏輯描述。</p><p>　　VHDL語言的主要優(yōu)點有：</p>&

67、lt;p>　　具有強大的功能，覆蓋面廣，描述能力強，可用語從門級電路級直至系統(tǒng)級的描述仿鎮(zhèn)和綜合。有良好的可讀性，他可以被計算機接受，也容易被讀者理解。有良好的可移植性，可以在不同的設計環(huán)境和系統(tǒng)平臺中使用。</p><p><b>　　放大器 三運放</b></p><p><b>　　儀表放大器的概述</b></p>&l

68、t;p>　　在實際工程中，來自現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的共模 ，而單個運放電路的差動輸入端難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組運放構成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖2.3所示。</p><p>　　經典的測量儀表放大器是由三個運放組成的對稱結構，測量放大器的差動輸入端VIN+和VIN-分別是兩個運放A1，A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱的直接與被測信號相連，

69、因而有著急強的抑制共模干擾能力。</p><p><b>　　儀表放大基本電路圖</b></p><p><b>　　如圖2.3所示</b></p><p>　　圖2.3 儀表放大基本電路圖</p><p>　　溫度補償器件 AD590</p><p>　　AD590溫度傳感

70、器簡介</p><p>　　AD590溫度傳感器是一種已經IC化的溫度感測器，它會將溫度轉換為電流，其規(guī)格如下:</p><p>　　1） 度每增加1℃，它會增加1μA輸出電流；</p><p>　　2） 可測量范圍-55℃至150℃；</p><p>　　3） 供電電壓范圍+4V至+30V；</p><p>　　AD

71、590管腳圖及元件符號</p><p>　　AD590管腳圖及元件圖如圖2.4所示</p><p>　　圖2.4 AD590管腳及元件圖</p><p>　　AD590的基本應用電路及輸出電流值</p><p>　　圖2.5 AD590基本應用電路圖</p><p>　　AD590的輸出電流值說明如下： </p

72、><p>　　其輸出電流是以絕對溫度零度（-273℃）為基準，每增加1℃，它會增加1μA輸出電流，因此在室溫25℃時，其輸出電流Iout=（273+25）=298μA。</p><p>　　AD590的應用電路圖如圖2.6所示</p><p>　　圖2.6 AD590應用電路圖</p><p><b>　　電路分析：</b>

73、;</p><p>　　1、 AD590的輸出電流I=（273+T）μA（T為攝氏溫度），因此測量的電壓V為（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。為了將電壓測量出來又務須使輸出電流I不分流出來，我們使用電壓跟隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。</p><p>　　2、 由于一般電源供應教多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件，再利用可變電

74、阻分壓，其輸出電壓V1需調整至2.73V</p><p>　　3、 接下來我們使用差動放大器其輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果現(xiàn)在為攝氏28℃，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉換器，那么AD轉換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關系。</p><p><b>　　注意事項：</b></p><p>　

75、　1、 Vo的值為Io乘上10K，以室溫25℃而言，輸出值為10K×298μA=2.98V；</p><p>　　2、 測量Vo時，不可分出任何電流，否則測量值會不準；</p><p>　　摸數(shù)轉換器件 ADC0809</p><p>　　多通道A/D轉換器ADC0809</p><p>　　由于微型計算機運行速度很快，而很多的模擬

76、變化速度慢，故通常一臺計算機可以采集多個數(shù)據。為滿足系統(tǒng)的要求，在一些A/D轉換器中除設有A/D轉換電路外，還含有多路開關，用以選擇模擬量輸入通道，使通道中的任何一個模擬通道信號能夠直接進入A/D轉換器。本設計中應用的就是八路多路開關ADC0809，現(xiàn)對ADC0809進行介紹。</p><p>　　ADC0809的電路組成及轉換原理</p><p>　　ADC0809含有8位A/D轉換器、

77、8路多路開關，以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉換方法為逐漸逼近型。在A/D轉換器內部有一個高阻抗斬波比較器，一個帶模擬開關樹組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關的通/斷由地址所存器和譯碼器器控制，可以在8路的8個通道中訪問任意一個單邊的模擬信號。其原理圖，如圖2.7所示。</p><p>　　AD0809的主要性能指標：</p><p>　?。?

78、）分辨率 是指A/D轉換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越高，轉換時對輸入量微小變化的越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對滿刻度的1/2n的變化量作出反應。即：分辨率=滿量程值/2n；</p><p>　?。?）轉換精度 A/D轉換器的轉換精度可以用絕對誤差和相對誤差來表示。所謂絕對誤差，是指對應于一個給定的數(shù)字量A/D轉換器的誤差，其誤差的大小由實際模

79、擬量輸入值和理論值之差來度量；</p><p>　　圖2.7 ADC0809內部原理結構</p><p>　　這種器件無須進行零位和滿量程調整。由于多路開關的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且其三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以容易與微型計算機接口的連接。</p><p>　　從圖中可以看出，ADC0809有兩部分組成。第一部分分為8通道模擬轉換開關，其基本原理與C

80、D4052類似，控制C，B，A和地址鎖存允許端子，可使一個通道被選中。地二部分為一個8位的逐漸逼近型A/D轉換器，它有比較器，控制邏輯，數(shù)字量輸出鎖存器，逐次逼近型寄存器以及開關樹組和256R梯形電阻組成，由后兩種電路D/A轉換器?？刂七壿嬘脕砜刂浦鸫伪平拇嫫鲝母呶坏降臀恢鸫稳　?”，然后將此數(shù)字量送到開關樹組，以控制K7～K0是否與參考電平相聯(lián)。參考電平經過256R電阻網絡輸出一個模擬電壓Vc，Vc與輸入模擬量Vx在比較器中進行比較

81、。當Vc＞Vx時，該位Di=0；若Vc≤Vx，則Di=1，且一直保持到比較結束。照此處理，從D7～D0比較8次，逐次逼近寄存器中的數(shù)字量，即與模擬量Vx所相當?shù)臄?shù)字量等值。次數(shù)字量進入后存于鎖存器，并同時發(fā)出結束轉換信號。</p><p>　　ADC0809的引腳圖及功能</p><p>　　ADC0809的引腳如圖2.8所示</p><p>　　圖2.8 ADC

82、0809引腳圖</p><p>　　根據圖2.8所示?？梢钥闯鯝DC0809的引腳功能如下所述。</p><p>　　1） IN7～IN0：八個模擬輸入端；</p><p>　　2） START：啟動信號。當START為高電平時，A/D轉換開始；</p><p>　　3） EOC：轉換結束信號。當A/D轉換結束后，發(fā)出一個正脈沖，表示A/D轉

83、換完畢。此信號可以作為A/D轉換是否結束的檢測信號，高電平有效；</p><p>　　4） OE：輸出允許信號。當此信號有效時，允許從A/D轉換的寄存器中讀取數(shù)字量；</p><p>　　5） 此信號可以作為ADC0809的片選信號，高電平有效；</p><p>　　6） CLOCK：實時時鐘?？梢酝ㄟ^外接RC電路改變時鐘頻率；</p><p&g

84、t;　　7） ALE：地址鎖存允許，高電平有效。當ALE為高電平時，允許C，B，A所示的通道被選中，并把該模擬量接入A/D轉換器；</p><p>　　8） C，B，A：通道號選擇端子。C為最高位，A為最低位；</p><p>　　9） D7～D0：數(shù)字量輸出端；</p><p>　　10） V（REF）+，V（REF）-：參考電壓端子。用來提供D/A轉換器的權電阻

85、的標準電平。一般輸入為+5v與-5v；</p><p>　　11）VCC：電源端子。接+5V；</p><p>　　12）GND：接地端；</p><p>　　ADC0809的時序圖</p><p>　　ADC0809的時序圖，如圖2.9所示</p><p>　　圖2.9 ADC0809時序圖</p>&

86、lt;p>　　ADC0809的技術指標</p><p>　　1） 單一電源，+5V供電，模擬輸入范圍為0～5V；</p><p>　　2） 分辨率為八位；</p><p>　　3） 功耗為15mW；</p><p>　　4） 轉換速率取決于芯片的時鐘脈沖頻率。時鐘頻率范圍：10～128KHz，當CLOCK5等于500KHz時，轉換速率為

87、128μs；</p><p>　　5） 可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；</p><p>　　6） 無須進行零位與滿量程調整；</p><p>　　7） 溫度范圍為-40℃～+85℃；</p><p>　　8） 最大不可調誤差；</p><p>　　AD0809 地址輸入通道選擇如表2.1所示</p>

88、<p>　　總之，ADC0809具有較高的轉換速率和精度，受溫度的影響較小，能夠較長時間的保持精度，重復性好，功耗較低，具有八路模擬轉換開關。所以對過程控制是比較理想的器件。</p><p>　　多路選擇開關 CD4052</p><p><b>　　CD4052簡介</b></p><p>　　CD4052是雙四路的多路開關，主要應

89、用是把多個模擬量參數(shù)分時地接通并送入A/D轉換器。即完成多到一的轉換；或者把經計算機處理，且由D/A轉換完的模擬信號按一定的順序輸出到不同的控制回路中。即完成一到多的轉換。前者稱為多路開關，后者稱為多路分配器。</p><p><b>　　CD4052的特點</b></p><p>　　1） 采用標準的雙列直插式結構，尺寸小，便于安排；</p><

90、p>　　2） 直接與TTL或COMS電平相容；</p><p>　　3） 內部帶有通道選擇譯碼器，使用方便；</p><p>　　4） 可采用正或負雙極性輸入；</p><p>　　5） 轉換速度快，導通和關斷時間在1μs左右，有的甚至更快；</p><p>　　6） 壽命長無機械磨損。接通電阻低，一般小于100歐姆；</p>

91、;<p>　　7） 斷開電阻高，通常在10000000000歐姆以上；</p><p>　　CD4052管腳及管腳圖</p><p>　　它有2個通道選擇輸入端A、B和一個禁止輸入端INH。B、A得到的信號用來選擇四路通道之一被接通。INH=‘1’，即INH=VDD時，所有的通道都斷開禁止模擬量輸入；當INH=‘0’，即INH=VSS時，通道接通，允許模擬量輸入。輸入的信號的

92、范圍是VDD～VSS。所以，用戶可以根據自己的輸入信號范圍和數(shù)字控制信號的邏輯電平來選擇VDD、VSS、VEE的電壓值。該類芯片允許3種電壓的范圍是VDD～VSS、VDD～VEE為-0.5v～15v。</p><p>　　表2.2 CD4052真值表</p><p>　　圖2.10 CD4052管腳圖</p><p>　　看門狗X25045 的應用</p&

93、gt;<p><b>　　概 述</b></p><p>　　工控系統(tǒng)在運行時，通常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個重要指標?？撮T狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路。在8096系列單片機和增強型8051系列單片機中，該系統(tǒng)已經做在芯片內部，用戶只要用軟件開放它就可以，使用很方便。但目前工控系

94、統(tǒng)仍在使用廉價的普通型8051系列單片機，則看門狗電路必須由用戶自己建立。 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復雜，運行不夠可靠。</p>

95、<p><b>　　X25045 簡介</b></p><p>　　X25045是美國Xicor公司的生產的標準化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內，大大簡化了硬件設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機外圍芯片。X25045引腳如圖2.11所示。</p><

96、;p>　　圖2.11 X25045引腳圖</p><p><b>　　其引腳功能如下：</b></p><p>　　1） CS：片選擇輸入；</p><p>　　2） SI：串行輸入，數(shù)據或命令由此引腳逐位寫入X25045；</p><p>　　3） SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據或命令寫入，下降沿將數(shù)據輸

97、出；</p><p>　　4） WP：寫保護輸入。當它低電平時，寫操作被禁止；</p><p>　　5） Vss：地；；</p><p>　　6） Vcc：電源電壓；</p><p>　　7） RESET：復位輸出；</p><p>　　X25045相關指令</p><p>　　在讀寫操作之前，

98、需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式，如表2.3所示。</p><p>　　表2.3X25045相關指令</p><p>　　X25045電路相關設計及工作原理</p><p>　　X25045硬件連接圖如圖2.13所示</p><p><b>　　工作相關原理</b></p><p>　　X25

99、045芯片內包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預置的時間內若沒有總線活動，則X25045將從RESET輸出一個高電平信號，經過微分電路C2、R3輸出一個正脈沖，使CPU復位。圖2電路中，CPU的復位信號共有3個：上電復位(C1、R2)，人工復位(S、R1、R2)和Watchdog復位(C2、R3)，通過或門綜合后加到RESET端。C2、R3的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因為這時CPU的振蕩器已經在

100、工作。</p><p>　　圖2.12 X25045看門狗電路硬件連接圖</p><p>　　看門狗定時器的預置時間是通過X25045的狀態(tài)寄存器的相應位來設定的。如表2.4所示，X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD1、WD0和看門狗電路有關，其余位和EEPROM的工作設置有關。</p><p>　　表2.4 X25045狀態(tài)寄存器</p>

101、<p>　　WD1＝0，WD0=0，預置時間為1.4s。WD1＝0，WD0=1，預置時間為0.6s。WD1＝1，WD0=0，預置時間為0.2s。WD1＝1，WD0=1，禁止看門狗工作。</p><p>　　看門狗電路的定時時間長短可由具體應用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時最大循環(huán)周期的時間略長即可。編程時，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門狗的定時時間永遠達不到預置時間，系統(tǒng)就不會

102、復位而正常工作。當系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等別的方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時時間很快增長到預置時間，迫使系統(tǒng)復位。</p><p><b>　　過零檢測硬件電路</b></p><p>　　過零檢測的原理及作用</p><p>　　過零檢測的基本原理是：</p><p>　　過零檢測電路主要有電壓比較器LM311于光電

103、隔離器件4N25。LM311將50Hz正弦交流電壓變成方波。方波上升沿和下降沿分別作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的窄脈沖經二極管或門混合，就得到對應于220V電勢過零時刻的同步觸發(fā)脈沖。此脈沖作為控制時的時間計數(shù)脈沖。</p><p><b>　　過零檢測電路圖</b></p><p><b>　　如圖2.13所示</b></

104、p><p>　　圖2.13 過零檢測電路圖</p><p>　　MAX7407與MOC3021 簡介</p><p><b>　　MAX7407簡介</b></p><p>　　MAX7407主要是將一定的電壓脈沖值放大，達到可以驅動一定器件的目的。在本次設計中由于FPGA直接產生的脈沖不足以使可控硅導通所以在輸出觸發(fā)脈沖

105、的管腳上加上一個發(fā)大，達到可以觸發(fā)可控硅的脈沖電壓幅度值。</p><p>　　MAX7407管腳圖</p><p><b>　　如圖2.14所示</b></p><p>　　圖2.14 MAX7407管腳圖</p><p><b>　　MOC3021簡介</b></p><p

106、>　　MOC3021時一個光電隔離器件，主要作用是可以防止在強電與弱電之間對控制產生干擾信號。由于在本次設計中可控硅的一端與FPGA的輸出脈沖管腳相連，一端與220v交流電相連，220v的交流信號可以產生對觸發(fā)脈沖的干擾信號，所以在此加一個光電隔離器件?？梢酝耆@樣的干擾。</p><p>　　MOC3021管腳圖</p><p>　　圖2.15 MOC3021管腳圖</

107、p><p>　　MOC3021 邏輯圖如圖所示</p><p>　　圖2.16 MOC3021邏輯圖</p><p><b>　　可控硅的連接及控制</b></p><p>　　可控硅簡介及工作原理</p><p><b>　　可控硅簡介</b></p><

108、p>　　可控硅又稱為晶閘管。普通的反向阻斷晶閘管是應用最為廣泛的一種晶閘管，以前被稱之為單相可控硅或可控硅整流元件（Silicon Controlled Rctifier 簡稱SCR）本設計應用的是雙相可控硅（雙相晶閘管）</p><p>　　雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡稱（TRIAC）。雙向可控硅在結構上相當于兩個單向可控硅反向連接，如圖2.17所示。這種可控硅具有雙向導通功能。其通斷狀態(tài)有控制極G決

109、定。在控制極上加正向脈沖或是或負向脈沖可使正向或反向導通。這種電路的優(yōu)點是控制電路簡單，沒有反向耐壓問題，因此特別適合做交流無觸點開關使用。</p><p>　　和大功率的場效應管一樣，可控硅與微型計算機接口連接時也需要加光電隔離器，觸發(fā)脈沖應大于4V；脈沖寬度應大于20μs。在單片機控制系統(tǒng)中，常用單片機的某一根接口線或外接I/O接口的某一位產生觸發(fā)脈沖。為提高效率，要求觸發(fā)脈沖與交流電壓同步，通常采用檢測交流

110、過零點來實現(xiàn)。</p><p>　　可控硅的符號、結構圖及伏安特性如下圖所示</p><p>　　圖2.17 可控硅的符號結構圖及特性曲線</p><p><b>　　可控硅的連接電路圖</b></p><p><b>　　如圖2.18所示</b></p><p>　　圖2.

111、18 可控硅控制電路圖</p><p><b>　　可控硅調功觸發(fā)圖解</b></p><p><b>　　如圖2.19所示</b></p><p>　　圖2.19 可控硅調功觸發(fā)圖解</p><p><b>　　鍵盤的設計</b></p><p>

112、<b>　　鍵盤簡介</b></p><p>　　鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預命令及數(shù)據的接口設備。鍵盤可以分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。前者能自動識別按下的鍵并產生相應的代碼，以并行或串行方式發(fā)送給CPU。它使用方便、接口簡單、響應速度快，但需要專用的硬件電路。后者則通過軟件來確定按鍵并計算鍵值。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但它不需要專用的硬件支持，因此得到廣泛的

113、應用。</p><p>　　鍵盤時計算機應用系統(tǒng)中一個重要的組成部分，在設計時應該注意以下問題</p><p>　　1）.按鍵的確認；2）.重鍵與連擊的處理；3）.按鍵防抖動技術；</p><p>　　本次設計主要采用4×4矩陣非編碼鍵盤，利用FPGA/CPLD進行鍵盤按鍵掃描與鍵值譯碼。</p><p><b>　　鍵盤

114、的連接電路圖</b></p><p><b>　　如圖2.20所示</b></p><p>　　圖2.20 鍵盤的連接電路圖</p><p><b>　　按鍵位置與數(shù)碼關系</b></p><p><b>　　如表2.4所示：</b></p><

115、p>　　表2.5 按鍵位置與數(shù)碼關系</p><p>　　聲光報警及工作指示燈的電路設計</p><p><b>　　聲光報警方法</b></p><p>　　在控制系統(tǒng)中通常采用聲、光及語言進行報警。在本次設計中主要應用聲光同時報警。其中光報警取自發(fā)光二極管；聲音報警則通過單片機發(fā)出頻率不同的脈沖，經過放大后驅動揚聲器發(fā)聲進行報警。&

116、lt;/p><p><b>　　聲光報警電路圖</b></p><p>　　圖2.21 聲光報警電路圖</p><p>　　數(shù)據顯示及數(shù)碼管LED的連接</p><p><b>　　數(shù)碼管簡介</b></p><p>　　本設計顯示需要使用的是四個七段顯示數(shù)碼管。在計時結果顯示

117、電路中，七段數(shù)碼管顯示部分是一個不容易忽視的環(huán)節(jié)，如果處理不得當，困難引起系統(tǒng)功率過大，產生散熱問題，嚴重時可能引起系統(tǒng)的燒毀。為拉解決好以上的問題，下面對七段數(shù)碼管及數(shù)碼管顯示電路做簡單的介紹。</p><p>　　通常點亮一個LED所需要的電流是5～20mA，通電的電流越大，LED的亮度越高，相對也會使其壽命縮短。一般以10mA的導通電流來估算它所必須的阻值，其計算方式參考圖2.22所示</p>