XX 学
课程设计报告
院（部中心）
姓 名 学 号
专 业 班 级
组员
课程名称
设计题目名称
起止时间
成 绩
指导教师签名
XX学教务处制
目 录
1课程设计容务 2
2课设务理解分析 3
3题目设计分析计算 3
4Matlab控制系统仿真 5
41 Matlab仿真连接图 5
42 仿真调试结果图 5
5 部分设计电路元件介绍 6
51 热电偶温度检测原理 6
521 定时计数器 9
53 光控控硅 10
54 AD0809转换芯片 13
6设计电原理图 15
7 程序流程图 16
72 调试程序 17
73程序流程图 19
8心体会 20
9 参考文献 21
1课程设计容务
题目三设计温度控制系统控制系统动态结构图：
图中采样周期T6 (S)K116TD680（S）30（S） 输入单位阶跃信号
1 求设计系统设振铃现象
2 计算出D（Z）编写汇编语言（C语言）控制程序
3通MATLAB仿真验证设计结果
4设计电原理图（CPU选择8086MCS51）AD转换器图630方案DA转换器选择教材中图632示方案功率加热元件双控硅调功方式
2课设务理解分析
1该务针特定控制象进行性稳定性控制选取实际生活中常见
温度控制象
2该务需控制象观察仿真图形性选取单回路控制系统模型进行设计
3硬件设计程采取分步设计局部整体温度检测模块输入通道部分输出通道部分接口扩展部分晶振复位电路模块调压触发电路等
4根特定性设计采林控制算法实现系统控制系统振铃现象设计出数字控制器D(z)差分方程
5编写程序流程图采取正确思路方法包括程序流程图AD0809初始化8253初始化林算法延时等
6仿真分析验证程采MATLABSIMULINK实现针仿真性调节系统参数结合输入信号（单位阶跃信号）进行性稳定性分析
3题目设计分析计算
4Matlab控制系统仿真
41 Matlab仿真连接图
图41 Matlab仿真连接图
42 仿真调试结果图
图42 仿真调试结果图
5 部分设计电路元件介绍
51 热电偶温度检测原理
52 8051单片机
8051单片机包含中央处理器程序存储器(ROM)数存储器(RAM)定时计数器行接口串口接口中断系统等单元数总线址总线控制总线等三总线具体介绍：
中央处理器：中央处理器(CPU)整单片机核心部件8位数宽度处理器处理8位二进制数代码CPU负责控制指挥调度整单元系统协调工作完成运算控制输入输出功等操作
数存储器(RAM)：8051部1288位户数存储单元128专寄存器单元统编址专寄存器存放控制指令数户访问存放户数户RAM128存放读写数运算中间结果户定义字型表
程序存储器(ROM)：805140968位掩膜ROM存放户程序原始数表格
定时计数器(ROM)：8051两16位编程定时计数器实现定时计数产生中断控制程序转
行输入输出(IO)口：80514组8位IO口(P0 P1P2P3)外部数传输
全双工串行口：8051置全双工串行通信口设备间串行数传送该串行口作异步通信收发器步移位器
中断系统：8051具备较完善中断功
时钟电路：8051置高频率达12MHz时钟电路产生整单片机运行脉时序8051单片机需外置振荡电容[2]
MCS51引脚说明：
8051采40Pin封装双列直接DIP结构图引脚配置40引脚中正电源线两根外置石英振荡器时钟线两根4组8位32IO口中断口线P3口线复功说明：
Pin20接脚
Pin40正电源脚正常工作片EPROM烧写程序时接+5V电源
Pin19时钟XTAL1脚片振荡电路输入端
Pin18时钟XTAL2脚片振荡电路输出端
输入输出(IO)引脚：
Pin39Pin32P00P07输入输出脚作低8位址总线Pin1Pin1P10P17输入输出脚Pin21Pin28P20P27输入输出脚作高8位址总线Pin10Pin17P30P37输入输出脚具第二功功图示
Pin9RESETVpd复位信号复脚8051通电时钟电路开始工作RESET引脚出现24时钟周期高电系统初始复位初始化程序计数器PC指0000HP0P3输出口全部高电堆栈指钟写入07H专寄存器清0RESET高电降低电系统0000H址开始执行程序然初始复位改变RAM（包括工作寄存器R0R7）状态8051初始态表：
表51 8051初始态
Pin30ALEPROE访问外部程序器时ALE(址锁存)输出锁存址低位字节访问部程序存储器时ALE端16时钟频率正脉信号信号识单片机否工作作时钟外输出更特点访问外部程序存储器ALE会跳脉果单片机EPROM编程间PROE输入编程脉
Pin29访问外部程序存储器时引脚输出负脉选通信号PC16位址数出现P0P2口外部程序存储器指令数放P0口CPU读入执行[4]
Pin31EAVpp程序存储器外部选通线80518751单片机置4kB程序存储器EA高电程序址4kB时读取部程序存储器指令数超4kB址读取外部指令数EA低电址律读取外部程序存储器指令显然部程序存储器8031EA端必须接[2]编程时EAVpp脚需加21V编程电压
521 定时计数器
1）工作方式寄存器TMOD
图12 TMOD寄存器
M1M0选择方式
表12 M1M0 选择工作方式
功选择位0时定时器方式：1时计数器方式
GATE门控位0时控制位TR0TR1置1启动响应定时器开始工作1时需TR0TR1置1外需引脚高电时启动响应定时器开始工作
TMOD进行寻址字节传送指令设置工作方式
2）定时计数器控制寄存器TCON
TCON作控制定时器启停标志定时器溢出中断情况定时器TCON格式：
图13 TCON定时器
TCON7 TF1—定时器1溢出标志
定时器1计满溢出时硬件TF1置1申请中断进入中断服务程序硬件动清0
TR1定时器1运行控制位1时启动定时器1工作0时关闭定时器1工作
TF0定时器0溢出标志TR0定时器0运行控制位操作IE1外部中断1请求标志IT1外部中断1触发方式选择位IE0外部中断0请求标志IT0外部中断0触发方式选择位
53 光控控硅：
晶闸硅控整流元件常简称控硅普通晶闸种具三PN结四层结构功率半导体器件目前晶闸派生器件双晶闸关断晶闸光控晶闸等线电技术中应广泛事实晶闸川进行控整流．作触点开关快速接通切断电路实现直流电变成交流电逆变种额率交流电变成—种频率交流电等等常称电力电子器件
1) 控硅工作原理
控硅P1N1P2N2四层三端结构元件三PN结分析原理时作PNPNPN组成
阳极A加正电压时BG1BG2均处放状态时果控制极G输入正触发信号BG2便基流ib2流BG2放集电极电流ic2β2ib2BG2集电极直接BG1基极相连ib1ic2时电流ic2BG1放BG1集电极电流ic1β1ib1β1β2ib2电流流回BG2基极表成正反馈ib2断增正馈循环结果两子电流剧增控硅饱导通
BG1BG2构成正反馈作旦控硅导通控制极G电流消失控硅然够维持导通状态触发信号起触发作没关断功种控硅关断
控硅导通关断两种工作状态具开关特性种特性需定条件转化表
表13 控硅导通关断条件
2) 基伏安特性
图531 控硅基伏安特性
（1）反特性
控制极开路阳极加反电压时（见图3）J2结正偏J1J2结反偏时流反饱电流电压进步提高J1结雪崩击穿电压接差J3结击穿电流迅速增加图3特性开始弯曲特性OR段示弯曲处电压URO反转折电压时控硅会发生永久性反击穿
图16 阳极加反电压
（2）正特性
控制极开路阳极加正电压时（见图16）J1J3结正偏J2结反偏普通PN结反特性相似流电流正阻断状态电压增加图3特性发生弯曲特性OA段示弯曲处UBO：正转折电压
图532 阳极加正电压
电压升高J2结雪崩击穿电压J2结发生雪崩倍增效应结区产生量电子空穴电子时入N1区空穴时入P2区进入N1区电子P1区通J1结注入N1区空穴复合样进入P2区空穴N2区通J3结注入P2区电子复合雪崩击穿进入N1区电子进入P2区空穴全部复合掉样N1区电子积累P2区空穴积累结果P2区电位升高N1区电位降J2结变成正偏电流稍增加电压便迅速降出现谓负阻特性见图3虚线AB段
时J1J2J3三结均处正偏控硅便进入正导电状态通态时特性普通PN结正特性相似见图2中BC段
（3) 触发导通控制极G加入正电压时（见图5）J3正偏P2区空穴时入N2区N2区电子进入P2区形成触发电流IGT控硅部正反馈作（见图2）基础加IGT作控硅提前导通导致图3伏安特性OA段左移IGT越特性左移越快
图533 阳极控制极均加正电压
（4) 普通晶闸参数
晶闸参数：
(1)额定通态均电流It规定条件．阳极—阴极间连续通50H正弦半波电流均值
(2)正阻断峰值电压Vdrm门极开路加触发信号允许重复加晶闸阳极阴极间正峰值电压(手册规定重复率50次／s持续时间10MS)称正阻断峰值电压Vdrm
(3)反阻断峰值电压Vdrm晶闸加反电压处反阻断状态时．重复加晶闸两端反峰值电压(手册规定重复率50次／s重复时间10MS)
(4)门极触发电流Igt室温阳极阴极间加6v正电压时元件完全开通必须门极直流电流
(5)维持电流Ih室温门极断路时保持元件处通态必需通态电流
54 AD0809转换芯片
般常见四种AD转换电路途性见表：
表14 常见4种AD转换电路途性
AD转换电路
性
途
计数器式
简单价格低转换速度慢
少
双积分式
精度高消干扰转换速度慢
见数字式仪表
逐次逼式
转换速度快
行式
转换速度快硬件成高
求转换速度快场合
里选ADC0809转换芯片ADC0809转换芯片8位逐次较式AD转换芯片具址锁存控制8路模拟开关应单+5V电源模拟量输入电路范围0~5V应数值量输出00H~FFH转换时间100us须调零调整满量程
图110 ADC0809芯片引脚图
ADC080928引脚精度求太高情况供电电源做基准电源该芯片中START芯片中起动引脚脉降起动次新AD转换EOC转换结束信号单片机申请中断供单片机查询OE输出允许端CLK时钟端芯片时钟频率高工作640kHZ通常单片机ALE引脚分频接该引脚
6设计电原理图
7 程序流程图
72 调试程序
调入89C51单片机函数库头文件
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
ADC0809引脚定义
sbit OEP3^0
sbit EOP3^1
sbit STP3^2
sbit CLKP3^3
sbit ADDAP3^4
sbit ADDBP3^5
sbit ADDCP3^6
uint OutputValue
uint Error2Error1
程序
void main()
{
AD0809_Init（）AD0809 初始化
while(1)
{
ST0ST1ST0 启动AD转换
while(EOC0) 等转换结果
OE1 允许输出
Error1P2*10255 获前反馈值
Calc_Result() 进行计算输出值U（k）
OE0关闭输出 关闭AD0809
P1OutputValue 8253调功输出
}
}
AD0809_Init（）
{
*******************AD0809初始化******************************************
EA1
TMOD0x01
TH0(65536150)256
TL0(65536150)256
ET01
TR01
ADDA0
ADDB0
ADDC0选择ADC0809通道1(INT0)
***************************************************************************
}
void Calc_Result()
{
**************************************************************************
U（k）传递函数进行计算前输出值
OutputValue0983*OutputOld1+0017*OutputOld2+1628*Error11613*Error2
记录前输出值前偏差量
OutputOld1OutputValue
OutputOld2OutputOld1
Error2Error1
**************************************************************************
}
T0定时器中断ADC0809提供CLK时钟信号
void Timer0_INT() interrupt 1
{
TH0(65536150)256
TL0(65536150)256
CLK~CLKADC0809时钟信号
}
73程序流程图
8心体会
9 参考文献
微型计算机控制技术 赖寿宏 编 机械工业出版社
计算机控制技术 温钢云 黄道 编著 华南理工学出版社
动检测技术装置 张宏建 蒙建波 编 化学工业出版社
MATLABSimulink控制系统仿真 王正林 王胜开 编著 电子工业出版社
单片机原理接口技术 胡汉 编著 清华学出版社
参考流程图（终流程图仅作参考图中处需修正）
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课程设计报告
院（部中心）
姓 名 学 号
专 业 班 级
组员
课程名称
设计题目名称
起止时间
成 绩
指导教师签名
XX学教务处制
目 录
1课程设计容务 2
2课设务理解分析 3
3题目设计分析计算 3
4Matlab控制系统仿真 5
41 Matlab仿真连接图 5
42 仿真调试结果图 5
5 部分设计电路元件介绍 6
51 热电偶温度检测原理 6
521 定时计数器 9
53 光控控硅 10
54 AD0809转换芯片 13
6设计电原理图 15
7 程序流程图 16
72 调试程序 17
73程序流程图 19
8心体会 20
9 参考文献 21
1课程设计容务
题目三设计温度控制系统控制系统动态结构图：
图中采样周期T6 (S)K116TD680（S）30（S） 输入单位阶跃信号
1 求设计系统设振铃现象
2 计算出D（Z）编写汇编语言（C语言）控制程序
3通MATLAB仿真验证设计结果
4设计电原理图（CPU选择8086MCS51）AD转换器图630方案DA转换器选择教材中图632示方案功率加热元件双控硅调功方式
2课设务理解分析
1该务针特定控制象进行性稳定性控制选取实际生活中常见
温度控制象
2该务需控制象观察仿真图形性选取单回路控制系统模型进行设计
3硬件设计程采取分步设计局部整体温度检测模块输入通道部分输出通道部分接口扩展部分晶振复位电路模块调压触发电路等
4根特定性设计采林控制算法实现系统控制系统振铃现象设计出数字控制器D(z)差分方程
5编写程序流程图采取正确思路方法包括程序流程图AD0809初始化8253初始化林算法延时等
6仿真分析验证程采MATLABSIMULINK实现针仿真性调节系统参数结合输入信号（单位阶跃信号）进行性稳定性分析
3题目设计分析计算
4Matlab控制系统仿真
41 Matlab仿真连接图
图41 Matlab仿真连接图
42 仿真调试结果图
图42 仿真调试结果图
5 部分设计电路元件介绍
51 热电偶温度检测原理
52 8051单片机
8051单片机包含中央处理器程序存储器(ROM)数存储器(RAM)定时计数器行接口串口接口中断系统等单元数总线址总线控制总线等三总线具体介绍：
中央处理器：中央处理器(CPU)整单片机核心部件8位数宽度处理器处理8位二进制数代码CPU负责控制指挥调度整单元系统协调工作完成运算控制输入输出功等操作
数存储器(RAM)：8051部1288位户数存储单元128专寄存器单元统编址专寄存器存放控制指令数户访问存放户数户RAM128存放读写数运算中间结果户定义字型表
程序存储器(ROM)：805140968位掩膜ROM存放户程序原始数表格
定时计数器(ROM)：8051两16位编程定时计数器实现定时计数产生中断控制程序转
行输入输出(IO)口：80514组8位IO口(P0 P1P2P3)外部数传输
全双工串行口：8051置全双工串行通信口设备间串行数传送该串行口作异步通信收发器步移位器
中断系统：8051具备较完善中断功
时钟电路：8051置高频率达12MHz时钟电路产生整单片机运行脉时序8051单片机需外置振荡电容[2]
MCS51引脚说明：
8051采40Pin封装双列直接DIP结构图引脚配置40引脚中正电源线两根外置石英振荡器时钟线两根4组8位32IO口中断口线P3口线复功说明：
Pin20接脚
Pin40正电源脚正常工作片EPROM烧写程序时接+5V电源
Pin19时钟XTAL1脚片振荡电路输入端
Pin18时钟XTAL2脚片振荡电路输出端
输入输出(IO)引脚：
Pin39Pin32P00P07输入输出脚作低8位址总线Pin1Pin1P10P17输入输出脚Pin21Pin28P20P27输入输出脚作高8位址总线Pin10Pin17P30P37输入输出脚具第二功功图示
Pin9RESETVpd复位信号复脚8051通电时钟电路开始工作RESET引脚出现24时钟周期高电系统初始复位初始化程序计数器PC指0000HP0P3输出口全部高电堆栈指钟写入07H专寄存器清0RESET高电降低电系统0000H址开始执行程序然初始复位改变RAM（包括工作寄存器R0R7）状态8051初始态表：
表51 8051初始态
Pin30ALEPROE访问外部程序器时ALE(址锁存)输出锁存址低位字节访问部程序存储器时ALE端16时钟频率正脉信号信号识单片机否工作作时钟外输出更特点访问外部程序存储器ALE会跳脉果单片机EPROM编程间PROE输入编程脉
Pin29访问外部程序存储器时引脚输出负脉选通信号PC16位址数出现P0P2口外部程序存储器指令数放P0口CPU读入执行[4]
Pin31EAVpp程序存储器外部选通线80518751单片机置4kB程序存储器EA高电程序址4kB时读取部程序存储器指令数超4kB址读取外部指令数EA低电址律读取外部程序存储器指令显然部程序存储器8031EA端必须接[2]编程时EAVpp脚需加21V编程电压
521 定时计数器
1）工作方式寄存器TMOD
图12 TMOD寄存器
M1M0选择方式
表12 M1M0 选择工作方式
功选择位0时定时器方式：1时计数器方式
GATE门控位0时控制位TR0TR1置1启动响应定时器开始工作1时需TR0TR1置1外需引脚高电时启动响应定时器开始工作
TMOD进行寻址字节传送指令设置工作方式
2）定时计数器控制寄存器TCON
TCON作控制定时器启停标志定时器溢出中断情况定时器TCON格式：
图13 TCON定时器
TCON7 TF1—定时器1溢出标志
定时器1计满溢出时硬件TF1置1申请中断进入中断服务程序硬件动清0
TR1定时器1运行控制位1时启动定时器1工作0时关闭定时器1工作
TF0定时器0溢出标志TR0定时器0运行控制位操作IE1外部中断1请求标志IT1外部中断1触发方式选择位IE0外部中断0请求标志IT0外部中断0触发方式选择位
53 光控控硅：
晶闸硅控整流元件常简称控硅普通晶闸种具三PN结四层结构功率半导体器件目前晶闸派生器件双晶闸关断晶闸光控晶闸等线电技术中应广泛事实晶闸川进行控整流．作触点开关快速接通切断电路实现直流电变成交流电逆变种额率交流电变成—种频率交流电等等常称电力电子器件
1) 控硅工作原理
控硅P1N1P2N2四层三端结构元件三PN结分析原理时作PNPNPN组成
阳极A加正电压时BG1BG2均处放状态时果控制极G输入正触发信号BG2便基流ib2流BG2放集电极电流ic2β2ib2BG2集电极直接BG1基极相连ib1ic2时电流ic2BG1放BG1集电极电流ic1β1ib1β1β2ib2电流流回BG2基极表成正反馈ib2断增正馈循环结果两子电流剧增控硅饱导通
BG1BG2构成正反馈作旦控硅导通控制极G电流消失控硅然够维持导通状态触发信号起触发作没关断功种控硅关断
控硅导通关断两种工作状态具开关特性种特性需定条件转化表
表13 控硅导通关断条件
2) 基伏安特性
图531 控硅基伏安特性
（1）反特性
控制极开路阳极加反电压时（见图3）J2结正偏J1J2结反偏时流反饱电流电压进步提高J1结雪崩击穿电压接差J3结击穿电流迅速增加图3特性开始弯曲特性OR段示弯曲处电压URO反转折电压时控硅会发生永久性反击穿
图16 阳极加反电压
（2）正特性
控制极开路阳极加正电压时（见图16）J1J3结正偏J2结反偏普通PN结反特性相似流电流正阻断状态电压增加图3特性发生弯曲特性OA段示弯曲处UBO：正转折电压
图532 阳极加正电压
电压升高J2结雪崩击穿电压J2结发生雪崩倍增效应结区产生量电子空穴电子时入N1区空穴时入P2区进入N1区电子P1区通J1结注入N1区空穴复合样进入P2区空穴N2区通J3结注入P2区电子复合雪崩击穿进入N1区电子进入P2区空穴全部复合掉样N1区电子积累P2区空穴积累结果P2区电位升高N1区电位降J2结变成正偏电流稍增加电压便迅速降出现谓负阻特性见图3虚线AB段
时J1J2J3三结均处正偏控硅便进入正导电状态通态时特性普通PN结正特性相似见图2中BC段
（3) 触发导通控制极G加入正电压时（见图5）J3正偏P2区空穴时入N2区N2区电子进入P2区形成触发电流IGT控硅部正反馈作（见图2）基础加IGT作控硅提前导通导致图3伏安特性OA段左移IGT越特性左移越快
图533 阳极控制极均加正电压
（4) 普通晶闸参数
晶闸参数：
(1)额定通态均电流It规定条件．阳极—阴极间连续通50H正弦半波电流均值
(2)正阻断峰值电压Vdrm门极开路加触发信号允许重复加晶闸阳极阴极间正峰值电压(手册规定重复率50次／s持续时间10MS)称正阻断峰值电压Vdrm
(3)反阻断峰值电压Vdrm晶闸加反电压处反阻断状态时．重复加晶闸两端反峰值电压(手册规定重复率50次／s重复时间10MS)
(4)门极触发电流Igt室温阳极阴极间加6v正电压时元件完全开通必须门极直流电流
(5)维持电流Ih室温门极断路时保持元件处通态必需通态电流
54 AD0809转换芯片
般常见四种AD转换电路途性见表：
表14 常见4种AD转换电路途性
AD转换电路
性
途
计数器式
简单价格低转换速度慢
少
双积分式
精度高消干扰转换速度慢
见数字式仪表
逐次逼式
转换速度快
行式
转换速度快硬件成高
求转换速度快场合
里选ADC0809转换芯片ADC0809转换芯片8位逐次较式AD转换芯片具址锁存控制8路模拟开关应单+5V电源模拟量输入电路范围0~5V应数值量输出00H~FFH转换时间100us须调零调整满量程
图110 ADC0809芯片引脚图
ADC080928引脚精度求太高情况供电电源做基准电源该芯片中START芯片中起动引脚脉降起动次新AD转换EOC转换结束信号单片机申请中断供单片机查询OE输出允许端CLK时钟端芯片时钟频率高工作640kHZ通常单片机ALE引脚分频接该引脚
6设计电原理图
7 程序流程图
72 调试程序
调入89C51单片机函数库头文件
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
ADC0809引脚定义
sbit OEP3^0
sbit EOP3^1
sbit STP3^2
sbit CLKP3^3
sbit ADDAP3^4
sbit ADDBP3^5
sbit ADDCP3^6
uint OutputValue
uint Error2Error1
程序
void main()
{
AD0809_Init（）AD0809 初始化
while(1)
{
ST0ST1ST0 启动AD转换
while(EOC0) 等转换结果
OE1 允许输出
Error1P2*10255 获前反馈值
Calc_Result() 进行计算输出值U（k）
OE0关闭输出 关闭AD0809
P1OutputValue 8253调功输出
}
}
AD0809_Init（）
{
*******************AD0809初始化******************************************
EA1
TMOD0x01
TH0(65536150)256
TL0(65536150)256
ET01
TR01
ADDA0
ADDB0
ADDC0选择ADC0809通道1(INT0)
***************************************************************************
}
void Calc_Result()
{
**************************************************************************
U（k）传递函数进行计算前输出值
OutputValue0983*OutputOld1+0017*OutputOld2+1628*Error11613*Error2
记录前输出值前偏差量
OutputOld1OutputValue
OutputOld2OutputOld1
Error2Error1
**************************************************************************
}
T0定时器中断ADC0809提供CLK时钟信号
void Timer0_INT() interrupt 1
{
TH0(65536150)256
TL0(65536150)256
CLK~CLKADC0809时钟信号
}
73程序流程图
8心体会
9 参考文献
微型计算机控制技术 赖寿宏 编 机械工业出版社
计算机控制技术 温钢云 黄道 编著 华南理工学出版社
动检测技术装置 张宏建 蒙建波 编 化学工业出版社
MATLABSimulink控制系统仿真 王正林 王胜开 编著 电子工业出版社
单片机原理接口技术 胡汉 编著 清华学出版社
参考流程图（终流程图仅作参考图中处需修正）
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