计算机控制系统课题设计.docx

1 题目背景与意义1.1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。通过本次课程设计加深对计算机控制技术理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的，并培养学生应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。1.2背景与意义计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统 。与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，这时计算机要不断采集被控对象的各种状态信息，按照一定的控制策略处理后，输出控制信息直接影响被控对象。它也可以是开环的，这有两种方式：一种是计算机只按时间顺序或某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。 计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。计算机技术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管理中。而且，计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把过程控制和生产管理有机的结合起来（如CIMS），从而实现工厂、企业的全面自动化管理。2 设计题目介绍2.1 设计题目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/电流信号此处定为：05V/420mA (020mA)2.2 题目要求1. 基本要求：1) 充分理解题目要求，确定方案。2) 合理选择器件型号。3) 用1号图纸1张或者采用Protel软件画出电原理图。4) 用1号图纸1张画出软件结构框图。5) 写出设计报告，对课程设计成品的功能进行介绍及主要部分进行分析与说明。6) 每天写出工作日记。2. 发挥部分：1) 可将系统扩展为多路。可在此系统中扩展键盘、显示（LCD/LED）、与上位机通讯功能。2) 完成以上基本设计部分之后，可以运用Protues仿真软件对设计结果进行相应的编程和仿真，调试测控系统并观察其运行结果(可以分部分完成)。电压/电流信号此处定为：05V/420mA (020mA)。3 系统总体框架图1 系统总体框图此控制系统采用AT89C51单片机作为控制中心，ADC0808作为系统的A/D芯片，DAC0832作为系统的D/A芯片，Max232作为与上位机通讯的芯片。本系统的滑动电阻器模拟成为典型传感器的输入信号。将该信号加入到ADC0808，将其转换成数字信号，将该数据信号送入单片机，单片机通过处理再通过显示模块显示出来，同时单片机输出的信号经DAC0832转换成标准模拟信号输出。通过键盘可以改变系统报警的上下限值。通过上位机电路可以把程序捎到单片机里面。声光报警系统可以提示系统的状态。4 系统硬件设计4.1 单片机最小系统设计AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000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AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（1）控制引脚RST/Vpd（9引脚）：RET(RESET)是复位信号输入端，高电平有效；Vpd为本引脚的第二功能，即备用电源。ALE/PROG(30引脚)：ALE引脚输出为地址锁存允许信号；PROG为本引脚的第二功能，在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 PSEN(29引脚)：程序存储器允许输出控制端。EA/Vpp（31引脚）：EA功能为内外程序存储器选择控制端；Vpp为本引脚的第二功能，在对EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压（例如+21V或+12V）。（2）I/O口引脚P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。P2口：8位准双向I/O口，可与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载，P3口的第二功能如表1所示：表1 P3口的第二功能表4.2 A/D转换器设计ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。图4 ADC0808芯片引脚图（1）内部结构ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。（2）引脚功能ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如上图所示。各引脚功能如下：15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6（START）： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。7（EOC）： A/D转换结束信号，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。9（OE）：数据输出允许信号，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端。11（Vcc）：主电源输入端。13（GND）：接地。2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。(3)极限参数电源电压（Vcc）：6.5V。控制端输入电压：-0.3V15V。其它输入和输出端电压：-0.3VVcc+0.3V。贮存温度：-65+150。功耗（T=+25）：875mW。引线焊接温度：气相焊接（60s）：215；红外焊接(15s)：220。 抗静电强度：400V图5 ADC0808与单片机连接电路4.3 D/A转换器设计DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。图6 DAC0832芯片引脚图（1）0832引脚功能DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。各引脚的特性如下：CS:片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定是否起作用。ILE:允许锁存信号。WR1:写信号1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时， 必须和 、ILE同时有效）。WR2:写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号必须有效）。XFER:传输控制信号，用来控制 。DI7-DI0:8位数据输入端。IOUT1:模拟电流输出端1。当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。IOUT2:模拟电流输出端2。IOUT1+IOUT2=常数。RFB:反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。VREF:参考电压输入端。可接电压范围为10V。外部标准电压通过VREF与T型电阻网络相连。VCC:芯片供电电压端。范围为+5V+15V，最佳工作状态是+15V。AGND:模拟地，即模拟电路接地端。DGND:数字地，即数字电路接地端。(2）0832工作方式DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。具体地说，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、 处于低电平，这样，当 端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。就是使和为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。根据上述对DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3种工作方式。 本系统使用的是单缓冲输出方式。单缓冲方式。单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。双缓冲方式。双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。直通方式。直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即 CS*，XFER* ，WR1* ，WR2* 均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A 的转换。4.4.1 键盘的工作方式单片机应用系统中能够，键盘扫描只是单片机的工作内容之一。单片机在 忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘工作方式的选取应根据实际应用系统中CPU工作的闲、忙情况而定。其原则是既要保证能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有3种，即编程扫描、定式扫描和中断扫描。这里由于采用的8位8031单片机，考虑其效率，考虑到我编程的难易程度，本系统选择使用中断扫描方式。4.5与上位机通讯电路MCS-51单片机有一个可编程的串行接口，它是一个全双工的通信端口，可以同时接收和发送数据。串行通信接口的优点在于使用较少的传输线即可完成数据的传输。4.5.1设计原理RS-232C是异步通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终端设备和数据通信设备之间的串行接口标准。目前，PC机都配有标准的RS-232接口，RS-232标准规定了25针连接器，但在实际应用中并不一定用到RS-232的全部信号线，所以，PC机配置的都是9针“D”型连接器。下图为RS-232的“D”型9针插头的引脚定义。图9“D”型9针插头引脚定义4.5.2 上位机通信的的实现这里我使用MAX232实现TTL/RS-232之间的电平转换，图10是MAX232与AT89C51和CONN-D9F的连接电路。图10 单片机与上位机通讯电路图4.6 声光报警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。图11 声光模块电路图4.7 LED 显示电路74HCT164 是高速硅门CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HCT164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，但一定不能悬空。 时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。表2 74ls164真值表图12 LED显示模块电路图4.8 系统总电路图图13 系统总电路图5 系统软件设计5.1 软件设置流程图图14 软件流程图图16 报警程序框图图17 键盘控制程序框图5.3 程序ORG 0000HAJMP STARTORG 0003HAJMP WB0ORG 0013HAJMP JPSTART:SETB EASETB PX1图18 显示程序框图SETB EX0SETB EX1SETB P1.0CLR P1.