数字温度控制器.docx
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数字温度控制器
摘要
本作品是以8051单片机为核心的数字式温度控制器的设计实现。
在硬件电
路方面，主要分成了几个模块，即温度检测电路模块，ADC0809电信号的处理
模块，加热控制电路模块，数据处理模块，电压输入模块，LED显示模块，键
盘输入模块和温度控制输出模块，并在protel99SE上进行电原理图绘制及双层印制电路板设计。
关键字：
8051ADC0809protel99SE
Abstract
Thispowersupplyabout8051singlechipmicrocomputerasthecoredigitaltemperaturecontrollerdesignimplementation.Inthehardwarecircuit,mainlydividedintoseveralparts,i.e.atemperaturedetectioncircuitmodule,ADC0809electricalsignalprocessingmodule,heatingcontrolcircuitmodule,dataprocessingmodule,thevoltageinputmodule,thekeyboardinputmoduleandtemperaturecontroloutputmodule,andintheelectricityprotel99SEprinciplechartdrawinganddoubleprintedcircuitboarddesign.
Keyword:
8051ADC0809protel99SE
数字温度控制器
1引言
随着人们生活质量的提高，在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面：
酒店、厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子。
现代工业设计、工程建设及日常生活中也常常需要用到温度控制。
现在，市面上已经出现了各式各样的温度控制器，其种类却不外乎两种：
模拟和数字。
并且，大有向数字发展的倾向。
原因在于数字系统相对来说更简单，更容易处理。
我们所设计的温度控制器，采用数字显示。
虽然，我们深知市面上这类产品已经非常之多，但我们的目的并不在于去为了生展一些所谓的新产品，新技术。
我们也没有这种能力去完成这样的事情。
我们所能做的，或者说我们选择这样一个设计课题的根本出发点仅仅在于：
能够灵活地运用我们所学过的模电、数电知识，并我们将来做相应的设计提供一点基础。
2设计任务
为了完成这样一个设计，我们将所要实现的目标列举如下：
⑴能够实现温度的检测和转换；
（2）系统温度定值可输入（由拨码盘设定），当检测值温度小于给定值时，打开加热器，否则关闭加热器；
⑶利用LED数码管显示检测到的温度值；
（4）系统的控制时间间隔设为5S;
⑸为了统一供电电压，本电路设计采用直流5V电源电压，运放使用+（-）12V电压。
流程图如下：
图2.1数字温度控制器流程图
3硬件设计
本设计看似复杂，实则可以将其分成三大部分：
温度检测部分，温度与电信号转换，并显示，附加控制电路处理。
下面就主要分这三部分对这个课题进行分析、处理。
3.1温度检测电路的设计
温度是基本物理量之一，从是常生活到各行各业，都需要温度测量和温度控制。
在航空航天各系统的试验测试中，热敏传感器尤显重要，比如检测飞机喷气
发动机出口温度就是米用了一种以镍铬—镍硅或
热敏传感器。
K型热电偶与电阻电桥构成的
我们设计的温度检测电路采用电阻电桥网络，
Pt100的阻值与温度之间的理论关系为：
采用的热敏电阻建议为Pt100。
R二R。
1AtBt2
（3—1）
式中，t为摄氏温度；Ro为t=0°C时的阻值；A、B为常数。
但于实际应用
时，精度要求不是那么高，经过我们查找相应的资料得到如下近似的表达式，此
式便作为我们选取电阻的依据。
如果在实际应用时，发现不符合使用精度，也可以由使用者根据相应的精度进行调整。
其输出电压的表达式为:
（3—3）
0.38%
输出电压与温度成线性关系，满足我们的传感需要
3.2电信号的处理电路设计
321A/D转换电路
由于从温度检测转换过来的电信号为模拟信号，而我们要求处理的信号往往
都是数字信号，所以我们需要将模拟信号转换为数字信号。
A/D转换器的型号有
很多，我们采用的A/D转换器为ADC0809，其引脚图如下：
图3.2ADC0809引脚图
使用时，我们只需要使用一路作为输入，即可完成模拟和数字的转换。
所转换出去的数据可以供后续转换成BCD码进行数码管显示，也可以供从拨码盘输入的数据进行比较使用，在设计时，我们考虑将其设置为总线（BUS）
结构，方便处理，调用。
322二进制—BCD转换
为了便于显示处理，我们必须将数据变为BCD码，而实际处理中，由于二进制数是由A/D转换器得到，与温度有很大的关系，故而从某种角度上来说，我们可以将温度与BCD码相一一对应，这就大方便了处理的需要。
而我们所做的代价仅仅是一块EPROM2716。
也就是说，如果我们将温度的BCD码与相应的地址空间中的数据相对应，便很容易处理。
下表是我们在EPROM中固化的数据。
（表一EPROM中固化的数据）
地
址
00
01
02
03
04
05…
…F9
FA
数
据
00
00
00
00
00
01…
…50
50
3.2.3比较器电路
从以上得到的BCD码经过与我们设定的拨码盘中的数据相比较，得到的结果以便来控制加热电路。
这一点是很容易办到的。
采用两个拨码盘，每个拨盘与一个74LS85比较器相连，可以实现实际温度与设定温度相比较的效果。
比较得到的结果可以用来处理后续的加热控制电路。
3.3加热控制电路
加热器所用的电源为220V工频交流电，因此我们有必要将强电和弱电相互隔离。
我们在设计过程中考虑到固态继电器（SSR）作为接口元件，当然也可以使用直流继电器作为接口元件，将强电和弱电相互隔离。
但是，在电路设计过程中，有一个问题需要考虑的是：
由于比较器的输出电流相对来说比较有限，不足以驱动SSR,因此我们需要使用晶体三极管来驱动
SSR。
当然，三极管要能够保证其工作在饱和/截止的状态。
3.4时钟信号电路
整个电路的时钟信号可以利用555定时器产生，由于设计的要求为：
时间间隔设为5S。
我们可以再利用一个十进制计数器74LS192，如果555定时器产生频率为2Hz的脉冲，那么每5s，在74LS192的进位端便可产生1个脉冲信号，如果我们使用此脉冲信号作为A/D转换控制，便实现了设计的要求和任务。
3.5LED显示电路
对于LED可以使用2个LED作为当前温度的显示，因为设计要求对于温
度的精度要求并不是很高，为1度，所以只用两个LED，显示个位和视为没有显示小数位。
这样的设计比较实际化，也节约了成本。
另为两个LED作为用户设置的温度的显示，使用户可以清晰的看到自己设置的温度和当前温度的差异。
4protel软件概要
PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者
的首选软件，其基于Windows环境的99SE版本，不仅提供了功能完备的电路设计工具,而且具备强大的电路仿真能力。
《Protel应用实践》课程设计旨
在让同学们对Protel软件的熟练操作，并对其各项强大功能的了解。
本次课
程设计是以脉冲宽度调制信号控制电路为例，叙述原理图绘制、原理图库元件的创建、PCB设计等的具体步骤和出现问题及其解决方法。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境,
对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印
制线路板的自动布线可实现高密度％布通率。
Client99SE.exe
图1Protel99SE桌面图标
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软
件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力
和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图
设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号
层，16个电源--地层和16个机加工层。
4.1Protel99SE的系统组成
按照系统功能来划分，Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模
块。
1电路工程设计部分
（1）电路原理设计部分（AdvaneedSchematic99）:
电路原理图设计部
分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。
本系统的主要功能是：
绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。
（2）印刷电路板设计系统（AdvaneedPCB99）:
印刷电路板设计系统
包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。
本系统的主要功能是：
绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。
（3）自动布线系统（AdvaneedRoute99）:
本系统包含一个基于形状
（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。
2电路仿真与PLD部分
（1）电路模拟仿真系统（AdvaneedSIM99）:
电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。
（2）可编程逻辑设计系统（AdvaneedPLD99）:
可编程逻辑设计系统
包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。
本系
统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。
利用PLD
系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。
（3）高级信号完整性分析系统（AdvaneedIntegrity99）:
信号完整性
分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检
查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。
4.2Protel99SE的功能特性
1开放式集成化的设计管理体系
2超强功能的、修改与编辑功能
3强大的设计自动化功能
5电路原理图的绘制及仿真
5.1电路原理图的绘制
原理图的设计流程如下：
新建原理图设计库文件一载入元件库一元件放置与布局-原理图的绘制-
元件属性的编辑-电气规则检查-生成网络表
5.2层次电路的设计思想
当编辑复杂电子产品的电路原理图时，在特定幅面的图纸上绘制出整个电子
系统的原理图有一定难度。
这时我们可以采用层次电路的设计思想，即模块化的
设计，来绘制总的原理图。
用户可以将总的电子系统分为若干个功能模块，自顶
向下分别进行设计。
这样可以使电路层次结构清晰，设计分工明确，便于理解和操作。
5.3新建原理图设计库文件
（1）启动Protel99SE软件，选择菜单“File/New”，弹出如图6所示的对话框
建立名为“温度控制及显示电路.ddb”的原理图库文件如下。
随即，此库文件名将显示在左栏explore子目录下。
LocationPassword
ProleI99SEstoresalldesigndocumentsinanImtegratedidesigndatabase・
Dependinguponthestoragetype^documents^reeitherstoredinasingledesign
databaseorsland-alomefilesandfolders：
onyourdisk
仃吧signSinrageTMSAct:
e-ssDatabase仃:
MSAccesstypeSltireealldesiyiiducuriiciritgin也^iriyleMSAccessdulabase.
DatabaseL>□匚atiun
D^protel99^e\Exairriple&
DntabaseFile鬧温鬲空制及显示电銘-ddb
*
Cancel
Help
Browse.,,
图5.1创建原理图库文件界面
（2）
双击打开库文件，选择菜单“File/New”，弹出如图7所示的对话框。
单击
“SchematicDocumen”，建立名为“温度控制及显示控制电路.prj”的原理图文件。
图5.2创建原理图文件界面
（3）双击原理图文件，进入原理图编辑界面
5.4载入元件库
点击界面左侧Browse对话框中的“Add/Remove”按钮，屏幕上会出现如下
图所示的“元件库添加/删除”对话框；选中常用的元件库Miscellaneous
Devices.ddbProtelDOSSchematicLibraries.ddb和sim.ddb，点击“Add”按钮即可。
图5.3添加元件库界面
5.5编辑电路总原理图
（1）选择“Placd'菜单下的“SheetSymbol",移动光标到原理图编辑区内，
（2）按下“Tab”键，进入放宽电路属性设置窗口，编辑方块电路名（如“信号采集电路”）和方块电路文件名（如“信号采集电路.sch”）；
（3）移动光标到合适位置，左击放置方块电路模型；
（4）重复上述操作三次，完成总的方块电路模型；
（5）放置方块电路的I/O端口，注意模块间的输入输出关系，设置端口属性。
5.6绘制子模块电路
建立了项目文件原理图后，可以单独编辑各自模块电路的原理图，编辑器会
自动完成匹配，生成总的电路原理图。
单击“Design”菜单下的“CreatSheetFromSymbol”，将光标移动至U某一方块电路上，单击鼠标进入该模块的电路原理图的绘制。
561电路原理图绘制的基本方法
（1）元件放置与布局
加载元件库后，在元件浏览器中可浏览到各种元件库元件列表及图形。
选中绘制原理图所需的元件，点击“Place”按钮，将选中的元件放置到原理图中的合适位置。
可单击鼠标左键多次，进行同类元件的多个放置，以单击鼠标右键结束放置。
为了使元件位置布局合理，原理图整体效果规范和美观，可以对元件位置进行调整。
选中目标不放，将其拖拽到合适的位置，即可完成移动；选中目标后，点击“Space键，还可以使元件做90?
旋转。
（2）原理图的绘制
（3）
WiiringToolsQ
绘制导线。
选择视图/工具栏中的wiring工具栏
1添加电源及接地符号；
2放置电路节点和端口，以及总线和网络标号等。
（4）元件属性的编辑
双击某一元件，进入该元件属性设置的窗口。
通常需要设置的项目有元件的
圭寸装形式Footprint，元件标号Designation和元件标称值Part。
不同元件的圭寸装形式不同，需要特别注意。
以下是常用元件的封装形式：
（1）三极管NPN封装号（Footprint）为TO-92B,器件类别（Part）为9013,元件称号（Designator）依次设为VT1-VT4；
（2）电阻RES2封装号（Footprint）为AXIAL0.3，标示值（part）为阻值，称号
（Designator）依次设为R1-R15;
（3）滑动变阻器POT1封装号（Footprint）为VR1，标示值（Part）为总阻值，称号（Designator）依次设为RW1-RW4；
（4）无极性电容CAP封装号（Footprint）为RAD0.2，标示值（Part）为电容值，均为470nF，称号（Designator）C4，C6；
（5）电解电容ELECTRO1封装号（Footprint）为RB.2/.4,标示值（Part）
为其大小，称号（Designator）C1-C3,C5。
5.6.2温度检测电路
图5.4温度检测电路
5.6.3A/D转换及显示电路绘制
图5.5A/D转换电路
图5.6LED显示电路
5.6.4时钟信号电路
图5.7时钟脉冲信号产生电路
5.7.ERC电气规则检查
当整个电路设计完成后，进行ERC检查。
选择“Tools”下设的“ERC”，弹出如下对话框，点击0K即可。
图5.8ERC界面
5.8生成网络表
网络表是原理图与印制电路板之间的一座桥梁，是印制电路板自动布线的依
据。
网络表提供了电路的元件清单以及元件之间的互联关系。
使用菜单命令
【Design]/【CreateNetlist】，在弹出的对话框中，单击0K即可生成与原理图同名的网络表文件*net。
PreferencesTraceOptions
OutoutFormat
IProtel匚］
NetId©卩Scqde
SheetSymbol/PortConnectiT
SheetstoNetlist
|Activeproject上
AppendsheetnumberstolocaDescendintosheetptncludeun-namcdsinglepii
OK；Cancelllefp
图5.9网络表对话框
5.9生成材料清单
执行菜单命令【REPORT】/【BILLOFMATERIAL】出现新的对话框选择
“project”点击下一步，其他默认直到倒数第二步将ProtelFormat、CSVFormat、
ClientSpreadshee全部选中点击下一步和Finish就生成了材料清单，材料清单见附录。
6印制电路板设计
6.1仓U建PCB文件
（1）执行“File'New”命令，选择创建PCB文件
（2）双击PCB文件图标，进入PCB设计界面。
6.2电路板的规划及网络表的载入
（1）在PCB设计界面，单击标签“Keepoutlayer”进入禁止布线层。
执行“Place'Track'命令，移动光标绘制电路板边框。
（2）选择“Design”菜单下的“CreatNetlist”，在弹出的“NetlistFile”对
话框中浏览并选中网络表文件，单击“Execute”按钮，即可加载网络表格。
在
网络表文件载入时，常常会出现两种错误：
FootprintNotFound（封装元件遗漏）、NodeNotFound（引脚遗漏）。
在加载的时候，应该注意改正错误，得到正确的网络表。
ThisoperationblingstheschematicdesigndataintothePCBwenkspaceu$inganetlislFile.IIyouare：
loadinganetlisttartfnelirsttimeNelistMacrtKarecr&atedfortheenAirenetlisLIf^ouFoiwaidAnnotatingyourdesignNetistMacroEcreated!
feweachdesignchange.YoumihoddahdNeiJistMacrostoincludeororrAparticuhrdtesigmchanges.Note：
wwwents曲便ma（亡hedbpdtsionaioront.
NctlisiFii'臥度控制及显下电趾-WbT温度扌空制及显于电路且rowg；!
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…]
AddnewcomponentC7AddnewcomponentCSAddnewcomponentCH
Arifiiiikwo:
ijmi9iiiiiriri1C10
Addnewcom卩onentC11AddnewcomponentCl2
图6.1导入网络表后界面
6.3手动制作封装库文件
本电路有一个元件-单刀双掷继电器开关，在元件封装库里找不到对应的封
装，在导入网络表时提示有错，所以，我对此元件单独建立了一个封装库文件，
手动制作了它的封装。
（1）创建封装库文件，操作同原理图文件的新建方法。
（2）根据元件实际情况，放置焊盘，设置其参数并确定位置。
⑶切换到"TopOverLayer",用线条工具绘制元件封装的外形轮廓线
（5）设置元件的参考原点，并将文件保存为原理图中此元件的名字
图6.2新建的元件封装
6.4手动布局与自动布线
由于此电路图元件较多，不适合自动布局，所以我采取了手动布局的方法，手工完成电路板的布局。
对于布线操作，我采取了系统自动布线的方式。
因为在手动布局时，已注意使有关联的元件尽量排布在一起，所以自动布线操作非常成功。
（1）用鼠标拖开重叠的元件，手动布局，使所有的元件互不重叠。
在确定元件放置位置时，要注意相关联元件的放置，尽量使各元件之间的连线最短。
图6.3手动布局后的PCB
⑵在“AutoRoute”下拉菜单中点击“All”进行自动布线。
□
□
口
□
n
a
g
iE
§
□7二
图6.4自动布局后的PCB
6.5电路板设计技巧铺铜
执行“Place'PloygonPlane”命令，选择需要铺铜的区域点吉鼠标右键进行铺铜。
图6.5铺铜后的PCB图
7设计中遇到的问题和解决方法
一开始有在元器件库里占不到自己需要的元器件的情况，后来经过指导老师的指点和自己的摸索，我们指导了要按照自己的需要加载不同的元器件库，从中寻找自己需要的元器件。
画完原理图后，确定各器件的封装形式是我们比较头疼的问题。
除了我们短学期做ProteI作业是了解到的几个具体的元器件外，其余的一些元件我们一开始根本不清楚如何确定他们的封装形式。
后来我们就在PCB版图编辑界面里自己
在元器件圭寸装库里自己找可以用于这些器件的圭寸装形式，最后很好的解决了这一
问题。
由此我们也了解了
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