计算机控制系统课设报告.doc

1 目录目录 目录目录 1 1 题目背景与意义题目背景与意义 2 2 设计题目介绍设计题目介绍 3 2.1 设计目的3 2.2 设计意义3 3 系统总体框架系统总体框架 5 4 系统硬件设计系统硬件设计 6 4.1 单片机选型6 4.1.1 AT89C51 功能介绍：6 4.1.2 晶振电路7 4.1.3 复位电路7 4.2 A/D 转换电路8 4.2.1 ADC0809 功能介绍：8 4.2.2 A/D 转换电路图9 4.3 D/A 转换电路10 4.3.1 DAC0832 功能10 4.3.2 D/A 转换电路图11 4.5 调理电路11 4.6 报警指示灯电路12 4.7 键盘、显示控制电路13 4.7.1 键盘电路13 4.7.2 显示电路13 5 系统软件设计系统软件设计 15 5.1 主程序框图15 5.2 数据程序框图16 5.3 键盘程序框图17 5.4 显示程序框图18 6 总结总结 19 7 总体设计电路原理图总体设计电路原理图 20 2 1 题目背景与意义 在自动控制系统的实际工程中，经常需要检测被测对象的一些物理参数， 如温度、流量、压力、速度等，这些参数都是模拟信号的形式。它们要由传感 器转换成电压信号，再经 A/D 转换器变换成计算机能够处理的信号。同样，计 算机控制外设，如电动调节阀、模拟调速系统时，就需要将计算机输出的数字 信号经过 D/A 转换器变换成外设能接受的模拟信号。 本次计算机控制系统课程设计的目的就是让同学们在理论学习的基础 上，通过完成一个涉及 MCS-51 单片机 A/D 和 D/A 多种资源应用并具有综合功 能的小系统目标板的设计与编程应用，使我们不但能够将课堂上学到的理论知 识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、等方面的知识进 一步加深认识，同时在系统设计、软件编程、相关仪器设备的使用技能等方面 得到较全面的锻炼和提高。帮助同学们增进对单片机的感性认识，加深对单片 机理论方面的理解，从而更好的掌握单片机的内部功能模块的应用以及 A/D 和 D/A 功能的实现。使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法 及实现，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。 3 2 设计题目介绍 2.1 设计目的 设计一个基于单片机的具有 A/D 和 D/A 功能的信号测控装置。要求该信号 测控装置能够接入典型传感器、变送器信号，同时可输出标准电压/电流信号。 并满足抗干扰、通用性、安全性、性价比等原则性要求。标准电压/电流信号定 为：05V/420mA (020mA) 2.2 设计意义 通过设计此信号测控装置，加深对控制系统的理解，全面掌握所学的知识并灵活运用 起来。 4 3 系统总体框架 8051 稳压电源显示模块 模数转换 模块 键盘模块 声光报警 数模转换 模块 模拟量输出 模拟量输入 图 1 系统总体框架图 5 4 系统硬件设计 4.1 单片机选型 由于 80C51 单片机采用的是 CHMOS 工艺，高速度、高密度、低功耗，具 有价格便宜、易上手、抗干扰能力强、稳定性好等优点，且满足我所设计的系 统要求的条件，所以此次设计选用 80C51 单片机作为处理核心。其结构如图 2 所示： XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 U11 80C51 图 2 80C51 结构 4.1.1 AT89C51 功能介绍： Vss(20 脚) : 接地。 VCC（40 脚）: 主电源+5V。 XTAL1（19 脚）:接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的 输入端。对于 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18 脚）: 接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放 大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。对于 CHMOS 单片机，此引 脚应悬浮。 RST（9 脚）: 单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该 脚输入 24 个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET） 。 PSEN（29 脚）: 外 ROM 读选通信号。 ALE/PROG（30 脚）: 地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲。 EA/VPP（31 脚）: 当 EA 端输入高电平时，CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元开始执行程序。当地址超出 4KB 时，将自动执行片外程序存储器的 程序。当 EA 输入低电平时，CPU 仅访问片外程序存储器。 输入/输出引脚： （1）P0.0P0.7 (39 脚32 脚) 作为数据总线 （2）P1.0P1.7 （1 脚8 脚） 6 （3）P2.0P2.7 （26 脚21 脚） （4）P3.0P3.7 （10 脚17 脚）具有第二功能，用于特殊信号输入输出和 控制信号，属控制总线。 4.1.2 晶振电路 单片机是一种时序电路，必须供给脉冲信号才能正常工作，所以在 XTAL1 XTAL2 引脚接入一个振荡电路，电路如图 3 所示： 图 3 晶振电路 4.1.3 复位电路 单片机系统中需要一个硬件复位电路，用于用户的手动复位，80C51 是高 电平复位有效。最简单的复位电路由一个电阻、一个电解电容、一个按钮形成， 电路如图 4 所示： 7 图 4 复位电路 图 5 8051 单片机最小系统 4.2 A/D 转换电路 为了完成 A/D 转换功能，我选择的是 A/D0809 转换器，它具有易于和微处 理器接口或独立使用，可满量程工作，可用地址逻辑多路器选通各输入通道， 单 5V 供电，输入范围为 05V，输入和输出与 TTL、CMOS 电平兼容等优点。 ADC0809 是 8 通道 8 位 CMOS 逐次逼近式 A/D 转换芯片，可以和单片机 直接接口，由一个 8 路模拟量通道选择开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完 的数据。因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供， 通常使用频率为 500KHZ。 8 4.2.1 ADC0809 功能介绍： 图 6 ADC0809 芯片图 D7-D0：8 位数字量输出引脚。 IN0-IN7：8 位模拟量输入引脚。 VCC：+5V 工作电压。 GND：地。 REF（+）：参考电压正端。 REF（-）：参考电压负端。 START：A/D 转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。 （以上两种信号用于启动 A/D 转换）. EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高 电平。 OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端（一般为 500KHz） 。 9 4.2.2 A/D 转换电路图 图 7 A/D 转换电路 4.3 D/A 转换电路 D/A 转换电路我选择的是 DAC0832，它具有与微处理器完全兼容，价格低 廉、接口简单、转换控制容易等优点。DAC0832 是 8 位 D/A 转换器，它采用 CMOS 工艺制作，内部有两个寄存器，而这两个寄存器的控制信号有五个，输 入寄存器由 ILE、CS、WR1 控制，DAC 寄存器由 WR2、Xref 控制，用软件指 令控制这五个控制端可实现三种工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方 式。 直通方式是将两个寄存器的五个控制端预先置为有效，两个寄存器都开通 只要有数字信号输入就立即进入 D/A 转换。 单缓冲方式使 DAC0832 的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，另一个 处于受控方式，可以将 WR2 和 Xfer 相连在接到地上，并把 WR1 接到 89C51 的 WR 上，ILE 接高电平，CS 接高位地址或地址译码的输出端上。 双缓冲方式把 DAC0832 的输入寄存器和 DAC 寄存器都接成受控方式，这种 10 方式可用于多路模拟量要求同时输出的情况下。 三种工作方式区别是：直通方式不需要选通，直接 D/A 转换；单缓冲方式一次选通；双 缓冲方式二次选通。 4.3.1 DAC0832 功能 图 8 DAC0832 芯片图 D0D7：8 位数据输入线，TTL 电平，有效时间应大于 90ns(否则锁存器 的数据会出错)。 ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。 CS：片选信号输入线（选通数据锁存器） ，低电平有效。 WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 ILE、CS、WR1 的逻辑组合产生 LE1，当 LE1 为高电平时，数据锁存器状态随 输入数据线变换，LE1 的负跳变时将输入数据锁存。 XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。 WR2：DAC 寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 WR2、XFER 的逻辑组合产生 LE2，当 LE2 为高电平时，DAC 寄存器的输出随 寄存器的输入而变化，LE2 的负跳变时将数据锁存器的内容打入 DAC 寄存器并 开始 D/A 转换。 IOUT1：电流输出端 1，其值随 DAC 寄存器的内容线性变化。 IOUT2：电流输出端 2，其值与 IOUT1 值之和为一常数。 Rfb：反馈信号输入线，改变 Rfb 端外接电阻值可调整转换满量程精度。 Vcc：电源输入端，Vcc 的范围为+5V+15V。 VREF：基准电压输入线，VREF 的范围为-10V+10V。 AGND：模拟信号地 。 DGND：数字信号地。 11 4.3.2 D/A 转换电路图 图 9 D/A 转换电路 4.5 调理电路 在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号 420mA，为此，常要先将其 转换成 05V 的标准电压信号，以便送给各类设备进行处理。电路见图 10 所示。 12 图 10 调理电路 4.6 报警指示灯电路 当系统正常运行时，绿灯亮。当传感器所采集的信息通过单片机处理，如 果超过设置的上限值或低于下限值时，蜂鸣器进行报警，红灯亮起。其电路图 如图 11 所示。 13 图 11 报警电路 4.7 键盘、显示控制电路 加入键盘是为了便于人机互动，方便工作人员即时调整工况，调节系统的 允许工作范围。以 AT89S51 为核心，来完成键盘控制电路的设计，目的是当按 下一个键时，数码管上要显示相应的数字。 4.7.1 键盘电路 所用键盘是一种常开型按钮开关，常态时，键盘的两个触点处于断开状态； 按下时，两个触点闭合。通过按键在常态与被按下时的通断，操作人员就可以 通过键盘向微控制系统输入数据或者控制命令等，从而实现简单的人机通信。 图 12 键盘控制电路 4.7.2 显示电路 加入 LED 显示是为了便于人机互动，方便工作人员及时了解此时工况。为 了简化电路、降低成本，采用八位数码管，将所有位的段选线并联在一起，由 一个 8 位的 I/O 口控制。结构如图 13 所示： 14 图 13 数码管结构 （1）数码管功能介绍： 由于所有 8 位段选线皆由一个 I/O 口控制，因此，在每一瞬间，8 位数码管 会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮 各位 LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制 I/O 口输 出相应字符段选码，而每位选择控制 I/O 口在该显示位送入选通电平，以保证 该位显示相的字符。如此轮流，是每位分时显示该位该显示字符。 图 14 LED 显示电路 15 5 系统软件设计 5.1 主程序框图 开始 启动 A/D 转换，同时将 A 中的数据送入 D/A 启动转换 开中断 设置报警电路初始值 设置上下限初始值 设置 DPTR 初始值 踏步等待 图 15 主程序框图 16 5.2 数据程序框图 开始 关中断保护现场 读取 A/D 转换的结果 现场恢复返回 结果是否大于上限 结果是否小于下限 调用显示子程序 报警 调用显示子程序 启动下一次转换 Y Y N N 图 16 数据转换框图 17 5.3 键盘程序框图 图 17 键盘程序框图 18 5.4 显示程序框图 图 18 显示程序框图 开始 cp 由高到底电平触发 数据传送到数码管 发送显示数据 在数码管中显示出传感器输入的数值 19 6 总结 面对课程设计，觉得自己的专业知识掌握的不够全面，对于各个芯片的了 解不够充分，经过这次课程设计之后，使得自己对于所学的知识进行了一次综 合性的整理，通过查阅相关资料，不仅学习了更多的知识，也提高了自己的实 践能力。通过本次课程设计，我总结了以下几点： （1）在开始课程设计之前,要对所选择的芯片内部结构有一个系统的了解, 知道芯片内有哪些资源，各个引脚的功能是什么. （2）在进行课程设计时,不能妄想一次就将整个程