計算機控制系統(tǒng)課程設計--基于單片機的具有ad和da功能的信號測控裝置

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄2</b></p><p>　　1 題目背景與意義3</p><p>　　2 設計題目介紹3</p><p><b>　　2.1設計目的3</b></p><p><

2、;b>　　2.2設計意義3</b></p><p>　　3 系統(tǒng)總體框架4</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件設計4</p><p>　　4.1單片機選型4</p><p>　　4.1.1 80C51功能介紹：5</p><p>　　4.1.2晶振電路5</p><p&g

3、t;　　4.1.3復位電路5</p><p>　　4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路6</p><p>　　4.2.1 ADC0809功能介紹：7</p><p>　　4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖7</p><p>　　4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路8</p><p>　　4.3.1 DAC0832功能8</p>

4、<p>　　4.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路圖9</p><p>　　4.4 穩(wěn)壓電源9</p><p>　　4.5調(diào)理電路10</p><p>　　4.6 報警指示燈電路10</p><p>　　4.7 鍵盤、顯示控制電路11</p><p>　　4.7.1鍵盤電路11</p><

5、;p>　　4.7.2 74LS13811</p><p>　　4.7.3 74LS4712</p><p>　　4.7.4顯示電路13</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設計14</p><p>　　5.1 主程序框圖14</p><p>　　5.2數(shù)據(jù)程序框圖15</p><p&g

6、t;　　5.3 鍵盤程序框圖16</p><p>　　5.4顯示程序框圖17</p><p><b>　　6 總結(jié)18</b></p><p><b>　　參考資料18</b></p><p>　　附錄 總體設計電路原理圖19</p><p><b>　　

7、1 題目背景與意義</b></p><p>　　在自動控制系統(tǒng)的實際工程中，經(jīng)常需要檢測被測對象的一些物理參數(shù)，如溫度、流量、壓力、速度等，這些參數(shù)都是模擬信號的形式。它們要由傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換成計算機能夠處理的信號。同樣，計算機控制外設，如電動調(diào)節(jié)閥、模擬調(diào)速系統(tǒng)時，就需要將計算機輸出的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器變換成外設能接受的模擬信號。 本次《計算機控制系統(tǒng)》課程設

8、計的目的就是讓同學們在理論學習的基礎上，通過完成一個涉及MCS-51單片機A/D和D/A多種資源應用并具有綜合功能的小系統(tǒng)目標板的設計與編程應用，使我們不但能夠?qū)⒄n堂上學到的理論知識與實際應用結(jié)合起來，而且能夠?qū)﹄娮与娐?、電子元器件、等方面的知識進一步加深認識，同時在系統(tǒng)設計、軟件編程、相關儀器設備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。幫助同學們增進對單片機的感性認識，加深對單片機理論方面的理解，從而更好的掌握單片機的內(nèi)部功能模塊的應

9、用以及A/D和D/A功能的實現(xiàn)。使學生了解和掌握單片機應用系統(tǒng)的軟硬件設計過程、方法及實現(xiàn)，為以后設計和實現(xiàn)單片機應用系統(tǒng)打下良好基礎。</p><p><b>　　2 設計題目介紹</b></p><p><b>　　2.1設計目的</b></p><p>　　設計一個基于單片機的具有A/D和D/A功能的信號測控裝置。要

10、求該信號測控裝置能夠接入典型傳感器、變送器信號，同時可輸出標準電壓/電流信號。并滿足抗干擾、通用性、安全性、性價比等原則性要求。標準電壓/電流信號定為：0～5V/4～20mA (0～20mA)</p><p><b>　　2.2設計意義</b></p><p>　　通過設計此信號測控裝置，加深對控制系統(tǒng)的理解，全面掌握所學的知識并靈活運用起來。</p>

11、<p><b>　　3 系統(tǒng)總體框架</b></p><p>　　圖1 系統(tǒng)總體框架圖</p><p><b>　　4 系統(tǒng)硬件設計</b></p><p><b>　　4.1單片機選型</b></p><p>　　由于80C51單片機采用的是CHMOS工藝，高速度、

12、高密度、低功耗，具有價格便宜、易上手、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且滿足我所設計的系統(tǒng)要求的條件，所以此次設計選用80C51單片機作為處理核心。其結(jié)構(gòu)如圖2所示：</p><p>　　圖2 80C51結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.1.1 80C51功能介紹：</p><p>　　Vss(20腳):接地</p><p>　　VCC（40腳）:

13、 主電源+5V</p><p>　　XTAL1（19腳）:接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。對于CHMOS單片機，此引腳作為驅(qū)動端。</p><p>　　XTAL2（18腳）: 接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。對于CHMOS單片機，此引腳應懸浮。</p><p>　　RST（9腳）:

14、單片機剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該腳輸入24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復位（RESET）</p><p>　　PSEN（29腳）: 外ROM讀選通信號</p><p>　　ALE/PROG（30腳）: 地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖</p><p>　　EA/VPP（31腳）: 當EA端輸入高電平時，CPU從片內(nèi)程序存儲器地址000

15、0H單元開始執(zhí)行程序。當?shù)刂烦?KB時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當EA輸入低電平時，CPU僅訪問片外程序存儲器。</p><p><b>　　輸入/輸出引腳：</b></p><p>　?。?）P0.0—P0.7    (39腳—32腳) 作為數(shù)據(jù)總線</p><p>　?。?）P1.0—P1.7

16、0;  （1腳—8腳）</p><p>　?。?）P2.0—P2.7   （26腳—21腳）</p><p>　　（4）P3.0—P3.7   （10腳—17腳）具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號，屬控制總線。</p><p><b>　　4.1.2晶振電路</b></p>

17、<p>　　單片機是一種時序電路，必須供給脈沖信號才能正常工作，所以在XTAL1 XTAL2引腳接入一個振蕩電路，電路如圖3所示：</p><p><b>　　圖3 晶振電路</b></p><p><b>　　4.1.3復位電路</b></p><p>　　單片機系統(tǒng)中需要一個硬件復位電路，用于用戶的手動復

18、位，80C51是高電平復位有效。最簡單的復位電路由一個電阻、一個電解電容、一個按鈕形成，電路如圖4所示：</p><p><b>　　圖4 復位電路</b></p><p>　　圖 5 8051單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　為了完成A/D轉(zhuǎn)換功能，我選擇的是A/D080

19、9轉(zhuǎn)換器，它具有易于和微處理器接口或獨立使用，可滿量程工作，可用地址邏輯多路器選通各輸入通道，單5V供電，輸入范圍為0~5V，輸入和輸出與TTL、CMOS電平兼容等優(yōu)點。</p><p>　　ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以和單片機直接接口，由一個8路模擬量通道選擇開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸

20、入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。</p><p>　　4.2.1 ADC0809功能介紹：</p><p>　　圖6 ADC0809芯片圖</p><p>　　D7-D0：8

21、位數(shù)字量輸出引腳。</p><p>　　IN0-IN7：8 位模擬量輸入引腳。</p><p>　　VCC：+5V 工作電壓。</p><p><b>　　GND：地。</b></p><p>　　REF（+）：參考電壓正端。</p><p>　　REF（-）：參考電壓負端。</p>

22、<p>　　START：A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。</p><p>　　ALE：地址鎖存允許信號輸入端。</p><p>　?。ㄒ陨蟽煞N信號用于啟動A/D 轉(zhuǎn)換）.</p><p>　　EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。</p><p>　　OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。

23、</p><p>　　CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。</p><p>　　4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換電路我選擇的是DAC0832，它具有與微處理器完全兼容，價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控

24、制容易等優(yōu)點。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，它采用CMOS工藝制作，內(nèi)部有兩個寄存器，而這兩個寄存器的控制信號有五個，輸入寄存器由ILE、CS、WR1控制，DAC寄存器由WR2、Xref控制，用軟件指令控制這五個控制端可實現(xiàn)三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。</p><p>　　直通方式是將兩個寄存器的五個控制端預先置為有效，兩個寄存器都開通只要有數(shù)字信號輸入就立即進入D/A轉(zhuǎn)換。</p&

25、gt;<p>　　單緩沖方式使DAC0832的兩個輸入寄存器中有一個處于直通方式，另一個處于受控方式，可以將WR2和Xfer相連在接到地上，并把WR1接到89C51的WR上，ILE接高電平，CS接高位地址或地址譯碼的輸出端上。</p><p>　　雙緩沖方式把DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器都接成受控方式，這種方式可用于多路模擬量要求同時輸出的情況下。</p><p>

26、;　　三種工作方式區(qū)別是：直通方式不需要選通，直接D/A轉(zhuǎn)換；單緩沖方式一次選通；雙緩沖方式二次選通。</p><p>　　4.3.1 DAC0832功能</p><p>　　圖8 DAC0832芯片圖</p><p>　　D0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)； </p><p>　　ILE

27、：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； </p><p>　　CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； </p><p>　　WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存； </p><p>　　XFE

28、R：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效； </p><p>　　WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。 </p><p>　　IOUT1：電流輸出端1，其值隨

29、DAC寄存器的內(nèi)容線性變化； </p><p>　　IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； </p><p>　　Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； </p><p>　　Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V～+15V； </p><p>　　VREF：基準電壓輸入線，VREF的范圍為

30、-10V～+10V； </p><p>　　AGND：模擬信號地 </p><p>　　DGND：數(shù)字信號地</p><p>　　4.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　圖9 D/A轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　4.4 穩(wěn)壓電源</b></p><p>

31、　　為了使單片機能更穩(wěn)定的工作，必須保證有一個穩(wěn)定的電壓輸入。</p><p>　　圖10 穩(wěn)壓電源電路</p><p><b>　　4.5調(diào)理電路</b></p><p>　　在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標準電流信號4~20mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成±10V的標準電壓信號，以便送給各類設備進行處理。這種轉(zhuǎn)換電路以4mA為滿量程的

32、0%對應-10V；12mA為50%對應0V；20mA為100%對應5V。電路見圖11所示。</p><p><b>　　圖11 調(diào)理電路</b></p><p>　　4.6 報警指示燈電路</p><p>　　當系統(tǒng)正常運行時，綠燈亮。當傳感器所采集的信息通過單片機處理，如果超過設置的上限值或低于下限值時，蜂鳴器進行報警，紅燈亮起。其電路圖如

33、圖12所示。</p><p><b>　　圖12 報警電路</b></p><p>　　4.7 鍵盤、顯示控制電路</p><p>　　加入鍵盤是為了便于人機互動，方便工作人員即時調(diào)整工況，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的允許工作范圍。以80C51為核心，配合REPACK-8、74LS138、74LS47的協(xié)同工作來完成鍵盤控制電路的設計，目的是當按下一個鍵時，數(shù)

34、碼管上要顯示相應的數(shù)字。4x4按鍵接口電路的設計是要讀取每一個按鍵的值，通過按鍵控制外圍電路的工作，設定初始值和設定值。</p><p><b>　　4.7.1鍵盤電路</b></p><p>　　所用鍵盤是一種常開型按鈕開關，常態(tài)時，鍵盤的兩個觸點處于斷開狀態(tài)；按下時，兩個觸點閉合。通過按鍵在常態(tài)與被按下時的通斷，操作人員就可以通過鍵盤向微控制系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或者控制命

35、令等，從而實現(xiàn)簡單的人機通信。</p><p>　　圖13 鍵盤控制電路</p><p>　　4.7.2 74LS138 </p><p>　　圖14 74LS138結(jié)構(gòu)</p><p><b>　?。?）功能介紹</b></p><p>　　74LS138是用TTL與非門組成的3線—8線譯碼器

36、，其工作原理如下：當一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。</p><p>　　4.7.3 74LS47</p><p>　　圖15 74LS47結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　功能介紹</b></p><p&g

37、t;　　74LS47即為一譯碼器，譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的含義“翻譯”過來。實現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應關系。74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用。</p><p><b>　　表1 真值表</b></p><p>　　LT：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設置的。當LT

38、=0時，無論輸入A3 ，A2 ，A1 ，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示8。 BI：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設置的。BI=0時。不論LT和輸入A3 ，A2 ，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極數(shù)碼管熄滅。 RBI：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設定的。當對每一位A3= A2 =A1 =A0=0時，本應顯示0，但是在RBI=0作用下，使譯碼器輸出全

39、為高電平。其結(jié)果和加入滅燈信號的結(jié)果一樣，將0熄滅。 RBO：滅零輸出，它和滅燈輸入BI共用一端，兩者配合使用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。</p><p><b>　　4.7.4顯示電路</b></p><p>　　加入LED顯示是為了便于人機互動，方便工作人員及時了解此時工況。為了簡化電路、降低成本，采用八位數(shù)碼管，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個

40、8位的I/O口控制。結(jié)構(gòu)如圖16所示：</p><p><b>　　圖16 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)</b></p><p>　?。?）數(shù)碼管功能介紹：</p><p>　　由于所有8位段選線皆由一個I/O口控制，因此，在每一瞬間，8位數(shù)碼管會顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，就必須采用掃描方法輪流點亮各位LED，即在每一瞬間只使某一位顯示字符。在此瞬

41、間，段選控制I/O口輸出相應字符段選碼，而每位選擇控制I/O口在該顯示位送入選通電平，以保證該位顯示相的字符。如此輪流，是每位分時顯示該位該顯示字符。</p><p>　　圖17 LED顯示電路</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設計</b></p><p><b>　　5.1 主程序框圖</b></p>

42、;<p><b>　　圖18 主程序框圖</b></p><p><b>　　5.2數(shù)據(jù)程序框圖</b></p><p>　　圖19 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框圖</p><p>　　5.3 鍵盤程序框圖</p><p>　　圖20 鍵盤程序框圖</p><p><b&g

43、t;　　5.4顯示程序框圖</b></p><p>　　圖21 顯示程序框圖</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　面對課程設計，覺得自己的專業(yè)知識掌握的不夠全面，對于各個芯片的了解不夠充分，經(jīng)過這次課程設計之后，使得自己對于所學的知識進行了一次綜合性的整理，通過查閱相關資料，不僅學習了更多的知識，也提高

44、了自己的實踐能力。通過本次課程設計，我總結(jié)了以下幾點：</p><p>　　（1）在開始課程設計之前,要對所選擇的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解,知道芯片內(nèi)有哪些資源，各個引腳的功能是什么.</p><p>　　（2）在進行課程設計時,不能妄想一次就將整個程序設計好,"反復修改,不斷改進"是程序設計的必經(jīng)之路.</p><p>　?。?）在課程設計

45、過程中遇到問題是正常的,我們應該積極尋找解決問題的辦法，并分析清楚產(chǎn)生問題的原因,以免下次再碰到同樣的問題.</p><p>　　（4）認真審題，不能盲目設計，要理解課程設計的方向，做到能把課題完成又能鍛煉自己的能力。 （5）課程設計可以分塊進行設計，之后再組合到一起完成整個的設計。 （6）自己完成了整個課程設計之后，不僅熟悉了課程設計的過程，更系統(tǒng)的鍛煉了自己。</p><p