课程设计（论文）-单回路控制器的设计.doc

单回路控制器的设计 学 院：电子工程学院 年 级：2012 级 专 业：自动化 姓 名：、 学 号：20125229 指导教师： 摘 要 介绍了以 89c51 单片机实现的单回路智能控制器的设计思想，由于软件功能丰富， 因此这可完成模拟仪表难以或无法完成的复杂调节功能，运算功能的显示功能，它可 适用于工业过程中控制诸多领域。并且分析了 51 单片机与 8255 的连接方法，可以用 它制成多路扩展的 io 口控制器。该系统将单片机应用到单回路控制系统，实现一个比 较简单的单回路 pid 控制。 。 关键词 单片机 单回路 智能控制器 软件 设计 io 扩展 pid 控制 目 录 摘要 i 第 1 章 前言1 1.1 当前单片机系统的介绍及在单回路控制过程中的应用与前景1 第 2 章 单片机外部设备扩展.2 2.1 单片机最小系统设计2 2.1.1 单片机外部存储器的扩展 .2 2.12 看门狗电路、复位电路的设计2 2.2 i/o 接口的扩展. . 3 2.2.1.1 i/o 扩展概述.3 2.2.2 89c51 与可编程 ram/io 芯片 8255 的接口.4 2.3 键盘的设计4 2.4 led 显示器设计 5 2.5 数字量模拟量转换5 2.5.1 信号采样及转换电路设计. 7 2.6 开关量的输入输设计8 2.7 单片机串行口扩展设计。 （max232 与单片机接口设计）10 结论.11 参考文献.12 致谢 12. 1 第 1 章 前 言 11 单回路控制系统的介绍及单片机在单回路控制系统中的应用 及前景 89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能 cmos8 位微处理 器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相 兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 89c51 是一 种高效微控制器， vcc：供电电压。gnd：接地。p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双 向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输 入。p0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据地址的低八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必 须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 口被外部下拉 为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口 作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收，输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，p2 口输出地址 的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器 进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。 当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部 下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 单回路控制器的设计 2 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电平时间。 3 结构特点结构特点 8 位 cpu 片内振荡器和时钟电路；32 根 i/o 线；外部存贮器寻址范围 rom、ram64k；2 个 16 位的定时器/计数器；5 个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理 器。 第 2 章 单片机外部设备扩展 21 单片机最小系统设计 2. 11 单片机外部存储器 在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁 场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系 统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单 片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的 芯片,俗称“看门狗“.看门狗电路电路的应用,使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其 工作原理是:看门狗芯片和单片机的一个 i/o 引脚相连,该 i/o 引脚通过程序控制它定 时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机 其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段不进入 死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不 到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单 片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动 复位. 2.1.2 单片机看门狗、复位电路的设计 sp706ren 芯片应用于看门狗复位电路中，可以实现电源模块在受到死机的情况下而自 动发出复位脉冲，从而使电源电路可以在无人状态下实现连续工作。由 sp706ren 等芯 片构成的电源看门狗复位电路模块实现的电源电路复位功能，/mr 脚/wdo 脚之通过 npn8050 相连，基极连接外电路，当主控板需要下载程序时，外部通过三极管 单回路控制器的设计 4 /mr、/wdo 脚相连通，致使看门狗电路失效，使之不产生复位脉冲，以免对下载程序 时对电路产生干扰。vcc 脚为看门狗电路芯片的 vdd5v 输入电压，电源失效检测功能 未被用到，因此 pfi 管脚直接连到 gnd。看门狗电路一般有一个输入叫喂狗，一个输 出到 mcu 的 rest 端，mcu 正常工作时候，每隔一段时间输出一个信号到喂狗端，给 wdi 清零，如果超过规定时间不喂狗，wdi 定时超过，就会给出一个复位信号到 mcu， 使 mcu 复位。由 3hl4、3r23、3r35 串联而成介入 3.3v 的电路中，两电阻之间接 wdi 脚。 22 i/o 接口的扩展 2.2.1.1 i/o 扩展概述 i/o (输入/输出)接口是 mcs-51 与外设交换数字信 息的桥梁。i/o 扩展也属于系 统扩展的一部分。真正用作 i/o 口线的只有 p1 口的 8 位 i/o 线和 p3 口的某些 位线。 在多数应用系统中，mcs-51 单片机都需要外扩 i/o 接 口电路。 图 1-1 单片机扩展芯片 2.2.1.2 i/o 接口的功能 a11 21 a10 19 a9 22 a8 23 a7 1 a6 2 a5 3 a4 4 a3 5 a2 6 a1 7 a0 8 o7 17 o6 16 o5 15 o4 14 o3 13 o2 11 o1 10 o0 9 oe/vpp 20 vcc 24 gnd 12 ce 18 c6 2732 单回路控制器的设计 5 i/o 接口电路应满足以下要求： 1.实现和不同外设的速度匹配大多数的外设的速度很慢，无法和 s 量级的单片机 速 度相比。 单片机只有在确认外设已为数据传送做好准备的前提 下才能进行 i/o 操作。 想知道外设是否准备好，需 i/o 接口电路与外设之 间传送状态信息。 2. 输出数据锁存 由于单片机工作速度快，数据在数据总线上保留的时 间十分短暂， 无法满足慢速外设的数据接收。i/o 电路 应具有数据锁存器，以保证接收设备接收。 3. 输入数据三态缓冲输入设备向单片机输入数据时，但数据总线上面可能“挂”有多 个数据源，为不发生冲突，只允许当前正在进行数据传送的数据源使用数据总线，其 余的应处于隔离状态。 2.2.2 89c51 与可编程 ram/io 芯片 8255h 的接口 89c51 与 8255 连接控制线就两根(cs 线归到地址里去了) :即 rd 和 wr ,可直接相 连接。多个 8255 的 rd , wr 并接后接 89c51 rd , wr。值得注意的是,程序中必须采 用 movx 指令,才能使 rd , wr 这两根线上的电平发生变化,产生读、写控制功能。 其特点: (1) cpu 采用了 89c51 芯片,利用了其内部的 4ke2prom 程序存储器, 省掉了 8031 所必须的地址锁存器芯片(74ls373) ; (2) 利用 89c51 p1 口与两个 8255 数据总线连接,不存在地址与数据混同; (3) 利用 89c51 p2 口的引脚 p210 和 p211 与 8255 地址线 a0 、a1 相连, 8255 两 片选线( cs) 接 p212 和 p213 ,通过软件轮流使 p212 和 p213 为低电平,达到片选的 目的; (4) 读、写控制线与 8255 直接相连,在软件中只要使用 movx 指令,即可使其发 生变化. 2.3 键盘的设计 51 单片机也可以用扩展 i/o 的独立式按键接口电路，可以采用 8255 扩展 i/o 口， 把按键当做外部 ram 某一工作单元的位来对待，通过读片外 ram 的方法，识别按键的 单回路控制器的设计 6 工作状态。各按键开关均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，各 i/o 口线 有确定的高电平。在本设计中 14 矩阵键盘通过 8255a 扩展 i/o 口与 89c51 的接口相 连，键盘采用编程扫描方式工作，8255 的 pc 口低四位输出逐行扫描信号，均为低电 平有效。8255 的 a0，a1 端分别接于地址线 a0、a1 上，cs#片选与 p2.7 相连， wr#、rd#分别与单片机的 wr#和 rd#相连。 2.4 lcd 显示器设计 液晶显示器（lcd）具有功耗低、体积小、重量轻等许多其它显示器无法比拟的 优点，ym12864 是一种图形点阵液晶显示器，它主要采用动态驱动原理由行驱动一控 制器和列驱动器两部分组成了 128（列）64（行）的全点阵液晶显示。与 cpu 接口 采用 5 条位控制总线和 8 位并行数据总线输入输出，内部有显示数据锁存器，自带上 电复位电路。 12864a 与 89c51 单片机接口电路如图所示。该图采用直接访问方式，单片机 p0 口直接与液晶显示模块的数据口相接，p2.0 控制 rs 寄存器选择，p2.1 口用于控制 r/w 读写选择，p2.2 与 p2.3 分别控制液晶左右半屏选择；e 信号由 89c51 对 12864a 图形液晶显示器模块的电路连接。电路图中 lcd 电源控制端 vlcd 是用来调节显示屏灰 度的，调节该端的电压，可改变显示屏字符、图形的颜色深浅。显示开/关触发器的作 用就是控制显示驱动输出的电平以控制显示屏的开关，在触发器输出全部为非选择波 形，显示屏呈不显示状态，在触发器输出为“开”电平时，显示数据所锁存器被控制， 显示驱动输出受显示驱动数据总线上数据控制，显示屏呈显示状态。 2.5 数字量与模拟量转换 2. 5.1 模拟量输入通道的设计 dac0832 芯片是具有两个输入数据寄存器的 8 位 dac，它能直接与 51 单片机相连 接，wr2：写信号 2，低电平有效。 iout1、iout2：dac 电流输出端。 rfb：是集成在 片内的外接运放的反馈电阻。 vref：基准电压（-1010v） 。 vcc：是源电压 （+5+15v） 。 单回路控制器的设计 7 agnd：模拟地 ngnd：数字地，可与 agnd 接在一起使用。 dac0832 输出的是电流，一 般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。in0in7：8 路模拟信号输入端。 a1、a2、a0 ：地址输入端。ale 地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升 沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行 a/d 转换。 start：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，内部逐次逼近寄存 器复位，在下降沿到达后，开始 a/d 转换过程。 eoc：转换结束输出信号（转换接受标志） ，高电平有效。 oe：输入允许信号，高电平有效。 clock(cp)：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为 640khz。 vcc：+5v 单电源供电。 、 vref(+),vref(-)：基准电压的正极、负极。一般 vref(+)接+5v 电源，vref(-)接地。 d7d0：数字信号输出端。 由 a2、a1、a0 三地址输入端选通 8 路模拟信号中的任何一 路进行 a/d 转换。 d/a 转换器是接收数字量，输出一个与数字量相对应的电流或电压信号的模拟量接口。 d/a 转换器被广泛用于计算机函数发生器、计算机图形显示以及与 a/d 转换器相配合 的控制系统等。 d/a 转换原理 数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的。 d/a 转换器品种繁多，有权电阻 dac、 变形权电阻 dac、t 型电阻 dac、电容型 dac 和权电流 dac 等。为了掌握数/模转换原 理，必须先了解运算放大器和电阻译码网络的工作原理和特点。 1. 运算放大器 运算放大器有三个特点： 开环放大倍数非常高，一般为几千，甚至可高达 10 万。在正常情况下，运算放大器 所需要的输入电压非常小。 输入阻抗非常大。运算放大器工作时，输入端相当于一个很小的电压加在一个很大 的输入阻抗上，所需要的输入电流也极小。 输出阻抗很小，所以，它的驱动能力非常大。 2.由电阻网络和运算放大器构成的 d/a 转换器 单回路控制器的设计 8 利用运算放大器各输入电流相加的原理，由电阻网络和运算放大器组成的、最简单的 4 位 d/a 转换器。图中，v0 是一个有足够精度的标准电源。运算放大器输入端的各支 路对应待转换资料的 d0，d1，dn-1 位。各输入支路中的开关由对应的数字元值控 制，如果数字元为 1，则对应的开关闭合；如果数字为 0，则对应的开关断开。各输入 支路中的电阻分别为 r，2r，4r，这些电阻称为权电阻。 假设，输入端有 4 条支路。4 条支路的开关从全部断开到全部闭合，运算放大器可以 得到 16 种不同的电流输入。这就是说，通过电阻网络，可以把 0000b1111b 转换成大 小不等的电流，从而可以在运算放大器的输出端得到相应大小不同的电压。如果数字 0000b 每次增 1，一直变化到 1111b，那么，在输出端就可得到一个 0v0 电压幅度的 阶梯波形。 图 1-2 八路模拟开关 cd4051 与输入信号滤波电路设计 2.5.2 信号采样及转换电路设计 8051 单片机与 ad574a 的接口电路，其中还使用了三态锁存器 74ls373 和 74ls00 与非门电路，逻辑控制信号由 8051 的数据口 p0 发出，并由三态锁存器 74ls373 锁存到输出端 q0、q1 和 q2 上，用于控制 ad574a 的工作过程。ad 转换器 的数据输出也通过 p0 数据总线连至 8051，由于我们只使用了 8 位数据口，12 位数 据分两次读进 8051，所以接地。当 8051 的 p3.0 查询到 sts 端转换结束信号后，先 将转换后的 12 位 a/d 数据的高 8 位读进 8051，然后再将低 4 位读进 8051。这里不 x0 13 x1 14 x2 15 x3 12 x4 1 x5 5 x6 2 x7 4 inh 6 a 11 b 10 c 9 vee 7 x 3 u2 4051 12 11 9 2 6 5 4 3 1 ad582 10k rf r1 1000p c7 capim 1k adin0 c8 cap1m 1k adin1 a b c 单回路控制器的设计 9 管 ad574a 是处在启动、转换和输出结果，使能端 ce 都必须为 1，因此将 8051 的写 控制线和读控制线通过与非门 74ls00 与 ad574a 的使能端 ce 相连。 图 1-3 12 位 ad 转换器 ad574 2.6 开关量的输入输出 开关量输入输出通道的一般结构形式 开关量输入输出通道一般由三部分组成： cpu 接口逻辑、 输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口(亦即开关量输入 信号 调理和输出信号驱动电路)。 一般情况下，各种开关量输 入输出通道的前两部分往往 大同小异，所不同的主要在于输入 输出(io)电气接口。输入缓冲器和输出锁存器 输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、加强以及选通的 作用，cpu 通过读缓冲器读 入数据。输出锁存器的作用是锁存 cpu 送来的输出数据，使用简单的中小规模集成电 vcc 1 ref-in 10 lsbdb0 16 db1 17 an-gnd 9 db2 18 db3 19 db4 20 bplrof 12 db5 21 db6 22 db7 23 10vspn 13 db8 24 db9 25 20vspn 14 db10 26 msb-11 27 refout 8 status 28 ce 6 cs 3 +vs 7 a0/sc 4 r/c 5 -vs 11 12/8 2 u7 ad574a p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p04 p05 p06 p07 p11 p12 p13 p14 vcc+5 vcc+12 vcc-12 cs2 sts 单回路控制器的设计 10 路，74ls273、 74ls377 供外部设备使用。 开关的模拟输入和输出 （1）模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模 拟输入信号经检测、变换 和预处理，最终变换为数字信号送入 计算机。常见的模拟量有压力、温度、液体流量 和成分等。 (2) 模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为 连续的电压或电流信号，经 功率放大后送到执行部件对生产过 程或装置进行控制。 开关的数字量输入输出 (1) 数字量输入通道：也称开关量输入通道。 凡是以电 平高低和开关通断等两位状 态表示的信号统称为数字量或开关 量。 主要有三种形式：一种是以若干位二进制数 表示的数字 量，它们并行输入到计算机，如拨码盘开关输出的 bcd 码等； 另一种是 仅以一位二进制数表示的开关量，如启停信号和限位 信号等；还有一种是频率信号， 它是以串行形式进入计算机的， 如来自转速表，涡轮流量计、感应同步器等信号。这 些信号都 要通过数字量输入通道进入计算机。 (2) 数字量输出通道：有的执行部件只要求提供数字量， 例如步进电机，控制电机 启停和报警信号等，这时应采用数 字量输出通道。 应该注意，过程通道分类是以 经过通道的信号形式来划 分的，并不以连续的对象来划分， 如模拟对象的模拟量可 以 转换为频率信号(vf 变换)连接于数字输入通道；同样， 数 字输出通道完全可 以接直流电动机，组成脉冲调宽控制 (pwm)。 2.6.1 开关量输出电路设计 tlp521 是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系 统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等 电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干 单回路控制器的设计 11 扰，减化电路设计。 tlp5214 组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。提供了 4 个孤立的光耦中 16 引脚塑料 dip 封装集电极-发射极电压： 55（最小值） 经常转移的比例： 50 （最小） 隔离电压： 2500 vrms （最小） 。 2.7 单片机串行口扩展设计。 （max232 与单片机接口设计） 2.7.1 串行口接口芯片 max232 介绍 max232 芯片是美信公司专门为电脑的 rs-232 标准串口设计的接口电路,使用+5v 单电源供电。max232 是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以 便在单 5v 电源供电时提供 eia/tia-232-e 电平。每个接收器将 eia/tia-232-e 电平输 入转换为 5v ttl/cmos 电平。这些接收器具有 1.3v 的典型门限值及 0.5v 的典型迟滞， 而且可以接收30v 的输入。每个驱动器将 ttl/cmos 输入电平转换为 eia/tia-232-e 电平。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 rs-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通