計算機測控原理

1、計算機測控技術設計報告目錄1 概述11.1 APD簡介11.2 主要內(nèi)容12 APD偏壓溫度補償系統(tǒng)總體方案22.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構23 系統(tǒng)硬件設計33.1 硬件設計方案33.2 元件選型34 系統(tǒng)軟件設計44.1 軟件概述44.2 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構44.3 主程序模塊54.4 AD轉(zhuǎn)換模塊74.4.1 AD0832工作原理74.4.2 轉(zhuǎn)換流程84.5 DA轉(zhuǎn)換模塊84.5.1 DA轉(zhuǎn)換PCF859184.5.2 I2C總線工作原理94.6 按鍵改變設定電壓模塊95 結(jié)論115.1總結(jié)115.2感悟11附錄12II1 概述本次設計系統(tǒng)為APD偏壓溫度補償系統(tǒng)，主要包括以下兩個大的模塊：硬件

2、模塊和軟件模塊。軟件設計主要有：用AD對溫度和電壓進行轉(zhuǎn)換、DA對電壓進行轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示、按鍵改變設定電壓等。1.1 APD簡介APD就是雪崩二極管。APD工作時需要施加一個反向結(jié)壓，這個反向偏置電壓會引發(fā)雪崩效應，雪崩效應可通過改變偏壓進行調(diào)節(jié)。繼而通過改變雪崩增益得到最優(yōu)化的光纖接收器靈敏度。要得到滿意的雪崩增益，APD需要一個比較高的反向偏壓。但APD的雪崩增益會隨著溫度的變化而改變。因此在一個系統(tǒng)中，如果要求APD工作于恒定的增益，偏壓必須能夠改變，以補償溫度和制造工藝造成的雪崩增益的變化。1.2 主要內(nèi)容本文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：(1)用溫度傳感器AD590采集溫度；(2)用

3、AD0832進行溫度和電壓的轉(zhuǎn)換，用PCF8591(DA)進行電壓轉(zhuǎn)換；(3)設計并制作APD偏壓溫度補償系統(tǒng)的硬件電路；(4)設計APD偏壓溫度補償系統(tǒng)的軟件程序如AD和DA轉(zhuǎn)換程序、顯示程序、按鍵改變設定電壓程序等。2 APD偏壓溫度補償系統(tǒng)總體方案 STC90C51單片機本身就是一個完整的微型計算機，具有組成微型計算機的各部分部件：中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等，只要外接溫度采集電路、升壓電路、AD和DA轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、按鍵電路就可以實現(xiàn)本次設計的需求。2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構通過對APD進行一定了解，本次設計

4、的系統(tǒng)的整體框圖如下圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)框圖整體的系統(tǒng)框架搭建好后，就可以進行硬件電路的搭建，軟件的相應編程來實現(xiàn)最終的功能。3 系統(tǒng)硬件設計3.1 硬件設計方案根據(jù)APD的特點，設計了APD最佳偏壓溫度控制系統(tǒng)的硬件搭建。主要包括溫度的檢測、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、升壓電路、顯示和報警等。以STC90C51單片機為核心進行相應控制，使電壓隨溫度的變化而變化，且當電壓超過設定值時蜂鳴器會報警。系統(tǒng)的硬件設計方案如下圖4-1所示：圖4-1 硬件設計框圖3.2 元件選型(1)升壓芯片選型在此設計中選用的升壓芯片是MAX5026。MAX5026是固定頻率、脈沖寬度可調(diào)的升壓 DC -DC 變換器

5、，其工作電壓最低為 3V ,轉(zhuǎn)換頻率為 500 K HZ。具有低噪音、輸出電壓高等特點。所以選擇MAX5026。 (2)溫度傳感器的選擇此系統(tǒng)選擇的溫度傳感器為AD590，它的測溫范圍為-50oC+150 oC，滿刻度范圍誤差為±0.3 oC，工作電壓范圍430V，電流溫度靈敏度為1A/K，線性度良好，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強。所以選擇AD590。4 系統(tǒng)軟件設計硬件電路確定之后，系統(tǒng)所有的智能功能要由軟件來完成。軟件是整個控制系統(tǒng)設計的核心，它具有充分的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而變化，對于同樣的硬件系統(tǒng)，配以不同的軟件系統(tǒng)，所實現(xiàn)的功能也就不一樣，而且有些硬件電路的功能都可以用軟件

6、來實現(xiàn)。所以對于一個系統(tǒng)設計來說，軟件系統(tǒng)常常比硬件系統(tǒng)需要更多的工作量。4.1 軟件概述軟件設計的方法有結(jié)構化設計、由項向下設計、模塊化設計和層次化設計等。本系統(tǒng)軟件設計采用面向?qū)ο蟮哪K化程序設計方法。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是具有一定功能、相對獨立的程序段。其基本思路是將整個控制系統(tǒng)的功能分解為幾個相對獨立的標準模塊，使其中的每一個程序模塊完成某一特定的控制功能，并且分別只有一個入口和出口，這樣就可以對每一個程序分別定義無歧義性的輸入變量和輸出變量，使它們的運行相對地不受其它程序的影響，從而增強了系統(tǒng)的可靠性。模塊設計的主要特點是：(1)單模塊比一個完整的程序容易編寫、查錯和測試；(2)有

7、利于整體工序設計任務的劃分。可以將程序分成不同的功能模塊進行編寫；(3)?？炜梢詫崿F(xiàn)共享，一個模塊可被多個任務在不同的條件下調(diào)用；(4)可以建立一個模塊來把用戶接口要素獨立起來。這樣不會影響程序其它部分，就可以進行改進；(5)把輸入/輸出封裝起來，可以使程序其余部分免受經(jīng)常變動；(6)輸入/輸出放入模塊使得程序很容易適應輸入/輸出設備的變動。這樣的設計有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于設計、調(diào)試和維護。軟件結(jié)構采用模塊化設計方法，將控制器所要完成的功能分別編寫和調(diào)試，所有模塊調(diào)試成功以后，將各個模塊連接構成單片機軟件系統(tǒng)。目前存在有4種編程語言支持單片機，即匯編語言、PL/M語言、C語言和BASI

8、C語言。其中匯編語言和C語言應用的較多，C語言既具有高級語言的優(yōu)點，又具有低級語言的許多特點。因此，結(jié)合本系統(tǒng)，本文選用功能強、效率高的C51語言。4.2 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構根據(jù)APD偏壓溫度補償系統(tǒng)工作流程可以得到系統(tǒng)的溫度采集轉(zhuǎn)換程序、數(shù)碼管顯示程序、輸出電壓轉(zhuǎn)換機控制電壓轉(zhuǎn)換程序以及按鍵改變設定電壓程序等。研究的核心是溫度、電壓的轉(zhuǎn)換及用簡單算法控制偏壓。本次設計的APD偏壓溫度補償系統(tǒng)軟件整體框圖如圖4-1所示：圖4-1 系統(tǒng)程序框圖4.3 主程序模塊圖4-2主程序流程圖對應于系統(tǒng)程序框圖可以得到系統(tǒng)主程序的流程。 系統(tǒng)工作的流程為：系統(tǒng)上電后溫度傳感器AD590采集溫度通過相應電路處理

9、后經(jīng)AD0832進行轉(zhuǎn)換，然后通過數(shù)碼管進行顯示；同時升壓電路的輸出電壓也通過AD0832進行轉(zhuǎn)換，并有數(shù)碼管顯示；CPU由輸出電壓計算出控制電壓，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后顯示；如果輸出電壓大于設定值，蜂鳴器會報警。此外，可通過按鍵改變設定的初始電壓。其主程序流程圖如圖4-2所示。主要程序代碼如下： main() unsigned char temp1,temp2; /ADC轉(zhuǎn)換值 unsigned int b,c,d,m,n; outside_init( ); Init_Timer0(); DelayMs(20); while (1) /主循環(huán) if(ReadADFlag) ReadADFlag=0;

10、temp1 = ADC0832_Read(0); /轉(zhuǎn)換通道0 b=temp1*500/256 ; /測得的溫度值放大十倍顯示 TempData0=dofly_DuanMab/100; TempData1=dofly_DuanMa(b%100)/10|0x80; TempData2=dofly_DuanMa(b%100)%10; temp2 = ADC0832_Read(1); /轉(zhuǎn)換通道1 c=temp2*250/256*5; /輸出電壓值 TempData6=dofly_DuanMac/100; TempData7=dofly_DuanMa(c%100)/10; DelayMs(50);

11、if(b>20) /d為根據(jù)溫度計算出的輸出電壓值 d= (11*b+40000)/100 ; else d=(14*b+39000)/100 ; m=(710-d)*100/186; /m根據(jù)輸出電壓計算控制電壓 n=m*256/500; WriteDAC(n); TempData3=dofly_DuanMam/100|0x80; TempData4=dofly_DuanMa(m%100)/10; TempData5=dofly_DuanMa(m%100)%10; DelayMs(50); if(c/10>Num) Beep_ON( ); 4.4 AD轉(zhuǎn)換模塊本次設計所用的AD為

12、AD0832，它為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。主要對溫度和電壓進行轉(zhuǎn)換。4.4.1 AD0832工作原理此系統(tǒng)中，CH0用于溫度轉(zhuǎn)換，CH1用于電壓轉(zhuǎn)換。其相應電路如圖4-3所示。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、

13、3個脈沖下沉之前DI 端應輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。圖4-3 溫度采集及轉(zhuǎn)換電路4.4.2 轉(zhuǎn)換流程根據(jù)以上介紹的AD0832，設計溫度和電壓的轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換的流程圖如圖4-4所示。圖4-4 AD轉(zhuǎn)換流程圖4.5 DA轉(zhuǎn)換模塊此系統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換主要用PCF8591來實現(xiàn)，而PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。設計中要將控制電壓轉(zhuǎn)換成模擬量再送入升壓電路的輸入端，從而實現(xiàn)對輸出電壓的控制。4.5.1 DA轉(zhuǎn)換PCF8591PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591的3個地址引腳A0

14、, A1和A2可用于硬件地址編程。此系統(tǒng)中用其來實現(xiàn)電壓的DA轉(zhuǎn)換，所用電路圖如圖4-5所示。圖4-5 DA轉(zhuǎn)換電路4.5.2 I2C總線工作原理I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器）這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別及需要調(diào)整的量。I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：開

15、始信號、結(jié)束信號和應答信號。開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)，如圖4-6(a)所示；結(jié)束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)如圖4-6(b)所示；應答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據(jù)實際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。 圖4-6(a)開始信號 圖4-6(b)結(jié)束信號I2C總線傳輸?shù)奶攸c：(1) I2C總線按字節(jié)傳輸，即每次傳輸8bit

16、s二進制數(shù)據(jù)；(2) 傳輸完畢后等待接收端的應答信號ACK，收到應答信號后再傳輸下一字節(jié)；(3) 等不到ACK信號后，傳輸終止；(4) 空閑情況下，SCL和SDA都處于高電平狀態(tài)。I2C總線寫操作時，PCF8591進行DA轉(zhuǎn)換。寫字節(jié)操作的流程圖如圖4-7所示。4.6 按鍵改變設定電壓模塊本次設計可以用按鍵對設定電壓的初始值進行改變，當KEY鍵按下后進入外部中斷，KEY_END按下后進行相應處理，由KEY_AD和DKEY_DEC按鍵對設定電壓進行加減。其程序流程如圖4-8所示。 圖4-7 I2C對PCF8591進行字節(jié)寫操作流程圖 圖4-8按鍵改變設定電壓程序流程圖5 結(jié)論5.1總結(jié)本文設計的

17、APD偏壓溫度補償系統(tǒng)的軟件程序包括溫度采集轉(zhuǎn)換程序、數(shù)碼管顯示程序、輸出電壓轉(zhuǎn)換和控制電壓轉(zhuǎn)換程序以及按鍵改變設定電壓程序 使得APD偏壓溫度補償系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分結(jié)合的更緊密。對本文工作的總結(jié)如下：(1)完成了用AD0832對溫度和電壓進行AD轉(zhuǎn)換；(2)完成了用PCF8591對電壓進行DA轉(zhuǎn)換；(3)完成了APD偏壓溫度補償系統(tǒng)硬件電路的設計；(4)完成了APD偏壓溫度補償系統(tǒng)軟件程序的設計。5.2感悟經(jīng)過老師、同學的幫助和自己的努力，簡單的設計了APD偏壓溫度補償系統(tǒng)。在此過程中，我遇到了很多的問題，但正是遇到了問題才使得我在此過程中學到了很多的知識。在對電壓進行DA轉(zhuǎn)換時，用到

18、了PCF8591，同時使我知道了怎樣去用I2C總線。此外，我們用溫度傳感器AD590進行溫度采集，之后要進行AD轉(zhuǎn)換，最終使得電壓隨溫度的變化而變化。對于APD有了一些簡單的了解，這次的設計對于實際用APD進行試驗可能還會有些不足的地方，需要進一步的進行改善。附錄主程序#include <reg52.h> #include "i2c.h"#include "delay.h"#include "display.h"#include "intrins.h" #include "anjian.h&q

19、uot;#define nop() _nop_() #define AddWr 0x90 /寫數(shù)據(jù)地址 #define AddRd 0x91 /讀數(shù)據(jù)地址extern bit ack;bit ReadADFlag;void Beep_ON( ); sbit Beep = P11; /定義喇叭端口 sbit ADC0832_CLK = P13; /*定義ADC控制端口*/sbit ADC0832_DIO = P14;sbit ADC0832_CS = P12 ;unsigned char ReadADC(unsigned char Chl);bit WriteDAC(unsigned char

20、dat);unsigned char ADC0832_Read(unsigned char ch) /*讀取ADC的 CH 通道電壓值，ADC作為2路單獨電壓輸入*/unsigned char i;unsigned char ADC_buff=0;unsigned char temp=0;EA = 0;ADC0832_CS = 1;ADC0832_DIO = 1; /*啟動位*/ADC0832_CLK = 0;ADC0832_CS = 0;nop();ADC0832_CLK = 1; nop();ADC0832_CLK = 0;ADC0832_DIO = 1; /*送 SGL/DIF 位 */

21、nop();ADC0832_CLK = 1;nop();ADC0832_CLK = 0;if(ch=0) ADC0832_DIO = 0; /*送轉(zhuǎn)換通道值*/else ADC0832_DIO = 1;ADC0832_CLK = 1;nop();ADC0832_CLK = 0;nop(); ADC0832_DIO = 1; /*釋放DIO端口，轉(zhuǎn)由ADC控制*/nop();ADC0832_CLK = 1;nop();for(i=0;i<8;i+) /*準備讀取8位數(shù)據(jù)*/nop();ADC0832_CLK = 0;nop();nop();ADC_buff=ADC_buff<<

22、1;if(ADC0832_DIO=1) ADC_buff=ADC_buff+1; /*讀取數(shù)據(jù)*/ADC0832_CLK = 1;for(i=0;i<8;i+)temp = temp>>1;if(ADC0832_DIO=1) temp = temp | 0x80; /*讀取校驗數(shù)據(jù)*/ADC0832_CLK = 1;nop();ADC0832_CLK = 0;nop();ADC0832_CS = 1;ADC0832_CLK = 1;EA = 1;return ADC_buff; /*返回轉(zhuǎn)換值*/main() unsigned char temp1,temp2; /ADC轉(zhuǎn)換

23、值 unsigned int b,c,d,m,n; outside_init( ); Init_Timer0(); DelayMs(20); while (1) /主循環(huán) if(ReadADFlag) ReadADFlag=0; temp1 = ADC0832_Read(0); /轉(zhuǎn)換通道0 b=temp1*500/256 ; /測得的溫度值放大十倍顯示 TempData0=dofly_DuanMab/100; TempData1=dofly_DuanMa(b%100)/10|0x80; TempData2=dofly_DuanMa(b%100)%10; temp2 = ADC0832_Rea

24、d(1); /轉(zhuǎn)換通道1 c=temp2*250/256*5; /輸出電壓值 TempData6=dofly_DuanMac/100; TempData7=dofly_DuanMa(c%100)/10; DelayMs(50); if(b>20) /d為根據(jù)溫度計算出的輸出電壓值 d= (11*b+40000)/100 ; else d=(14*b+39000)/100 ; m=(710-d)*100/186; /m根據(jù)輸出電壓計算控制電壓 n=m*256/500; WriteDAC(n); TempData3=dofly_DuanMam/100|0x80; TempData4=dofly_DuanMa(m%100)/10; TempData5=dofly_DuanMa(m%100)%10; DelayMs(50); if(c/10>Num) Beep_ON( ); I2C總線協(xié)議程序#include "i2c.h"#include "delay.h"#define _Nop() _nop_() /定義空指令 bit ack; /應答標志位sb