计算计控制课程设计word版.doc

计算机控制课程设计目 录引言11 总体设计框架12 8051单片机22.1 8051内部结构22.2 8051的引脚说明43 模数转换器631 AD590简介632 ADC0804简介7321 ADC0804主要技术指标如下：7322 ADC0804引脚功能733 AD590温度采集及ADC0804模数转换电路94 数模转换器1041 DAC0832内部结构1042 DAC0832引脚1143 DAC0832芯片及其与单片机接口12431 DAC0832主要特性12432 DAC0832与80C51单片机的接口125 按键的单片机键盘接口136 LED显示1461 MAX7219功能特点1562 MAX7219管脚描述157 看门狗1771 CD4060简要说明1772 CD4060管脚及功能简介178 单片机与上位机通信设计189 电源设计19设计总结21参考文献22引言本次设计的题目为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（05V/420mA (020mA)）。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，我们可以将所学的知识应用到实际当中，体现了学以致用的治学思想，还将学习的知识整合在一起，发挥我们的创造性思维，为以后的实践打下基础。本次课设研究的主要内容为熟悉的应用A/D、D/A以及单片机元件。设计报告安排为：阐明总体设计框图、各个元件的主要功能，在总体中起到的作用。关键词：单片机8051； AD590；ADC0804；DAC0832；MAC232；CD4060；MAX7219。1 总体设计框架本次课设的总体设计的框图如图1所示:图 12 8051单片机单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。 2.1 8051内部结构8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：图2（1）中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。（2）数据存储器(RAM)： 8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。（3）程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。（4）定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。（5）并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。（6）全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。（7）中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。（8）时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。2.2 8051的引脚说明图3下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能：（1）主电源引脚VCC和VSS VCC（40脚）接+5V电压； VSS（20脚）接地。 （2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。 （3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。 VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（50.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。 ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。 对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。 PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。 EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。 （4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。 P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。 值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 3 模数转换器31 AD590简介 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： （1）AD590的测温范围为-55+150。（2）AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 （3）输出电阻为710MW。 （4）精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。32 ADC0804简介AD590测温电路输出的电压信号为模拟信号，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。为此我们通过A/D转换器ADC0804将输入的模拟值转换成数字值，经8051单片机处理后输出到P1以控制温度显示电路。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片，分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。321 ADC0804主要技术指标如下： (1) 高阻抗状态输出 (2) 分辨率：8 位(0255) (3) 存取时间：135 ms (4) 转换时间：100 ms (5) 总误差：-1+1LSB (6) 工作温度：ADC0804C为0度70度；ADC0804L为-40 度85 度 (7) 模拟输入电压范围：0V5V (8) 参考电压：2.5V (9) 工作电压：5V (10) 输出为三态结构322 ADC0804引脚功能 接脚说明见下图：ADC0804 为一只具有20引脚8位CMOS 连续近似的A/D 转换器。 图4引脚功能说明：（1）PIN1 (CS )：与RD、WR 接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准(low) 时会进行。（2）PIN2 ( RD )：当CS 、RD 皆为低位准(low) 时，ADC0804 会将转换后的数字讯号经由DB7 DB0 输出至其它处理单元。（3）PIN3 (WR )：启动转换的控制讯号。当CS 、WR 皆为低位准(low) 时ADC0804 做清除的动作，系统重置。当WR 由01且CS 0 时，ADC0804会开始转换信号，此时INTR 设定为高位准(high)。（4）PIN4、PIN19 (CLK IN、CLKR)：频率输入/输出。频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100 kHz 至800 kHz。而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。若在CLK R 及CLK IN 加上电阻及电容，则可产生ADC 工作所需的时序，其频率约为：（5）PIN5 ( INTR )：中断请求。转换期间为高位准(high)，等到转换完毕时INTR 会变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。（6）PIN6、PIN7 (VIN(+)、VIN(-)：差动模拟讯号的输入端。输入电压VINVIN(+) VIN(-)，通常使用单端输入，而将VIN(-)接地。（7）PIN8 (A GND)：模拟电压的接地端。（8）PIN9 (VREF)：接电源33 AD590温度采集及ADC0804模数转换电路为了提高精度，扩大测量范围，在A/D转换前还要将信号加以放大并进行零点迁移，因而一个高稳定性的、高精度的放大电路是必须的。当温度变化时，AD590会产生电流变化，当AD590的电流通过一个10k的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mVK，为了使此10k电阻精确，可用一个9k的电阻与一个2k的电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10k。运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗，由运放A2减去2.732做零位调整（即把绝对温度转成摄氏温度），最后由运放A3反相并放大5倍输送给A/D转换器。具体硬件连接图如图所示。 图5 AD590温度采集及模数转换电路4 数模转换器DAC0832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。41 DAC0832内部结构DAC0832的原理框图如下所示：由图可知数字量是通过两级寄存器送至D/A转换器的输入端。两级锁存器可做到当后一级锁存器正输出给D/A转换时，前一级又可接收新的数据，从而提高了转换速度，WR1和WR2是用来分别控制两级锁存器的。图642 DAC0832引脚图7DAC0832引脚功能说明： DI0DI7：数据输入线，TLL电平。 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，低电平有效。 WR1：为输入寄存器的写选通信号。 XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 WR2：为DAC寄存器写选通输入线。 Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。 Iout2: 电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。 Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻. Vcc:电源输入线(+5v+15v) Vref:基准电压输入线(-10v+10v) AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地. DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.43 DAC0832芯片及其与单片机接口DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片还有DAC0830、DAC0831，它们可以相互代换。431 DAC0832主要特性分辨率8位；电流建立时间S；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单一电源供电（5V15V）；低功耗，20m。 432 DAC0832与80C51单片机的接口单缓冲方式：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。80C51P2.7P1WRCSXFERWR1WR2ILEVCC+5V-+RfbVOIOUT1IOUT21k1MDI0DI7DGNDVSSDAC0832图85 按键的单片机键盘接口 当键盘的数目最多为 4个时，我们最佳的接口方案当然是独立式接法了，即每一个 I/O 口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地） 。占用的 I/O 口数最大为 4 条。 （注意：14 按键的键盘的接法许多，如果接成扫描式可以占用更少的 I/O口，但从程序复杂性和系统稳定性的综合考虑的话，独立式键盘接法应该是首选） 独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。例如，我们将常开按键的一端接地，另一端接一个 I/O 口，程序开始时将此 I/O口置于高电平，平时无键按下时 I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O 口与地短路迫使 I/O 口为低电平。 按键释放后， 单片机内部的上拉电阻使 I/O口仍然保持高电平。 我们所要做的就是在程序中查寻此 I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。 值得注意的事，我们在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般在 10200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒级的单片机而言则是慢长的。为了提高系统的稳定，我们必须去除或避开它。目前的技术有硬件去抖动和软件去抖动，硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，但是实现的难度较大又会提高了成本。软件去抖动不是去掉抖动，而是避开抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。这里我们只研究软件去抖动，实现方法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时 10200毫秒以避开抖动（经典值为 20毫秒） ，延时结束后再读一次I/O 口的值，这一次的值如果为 1 表示低电平的时间不到 10200 毫秒，视为干扰信号。当读出的值是 0时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。图96 LED显示MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。 只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。 61 MAX7219功能特点（1）10MHz连续串行口 （2）独立的LED段控制 （3）数字的译码与非译码选择 （4）150A的低功耗关闭模式 （5）亮度的数字和模拟控制 （6）高电压中断显示 （7）共阴极LED显示驱动 （8）限制回转电流的段驱动来减少EMI（MAX7221） （9）SPI, QSPI, MICROWIRE串行接口（MAX7221） （10）24脚的 DIP和 SO 封装 62 MAX7219管脚描述图10DIN 串行数据输入端口。在时钟上升沿时数据被载入内部的16位寄存器。DIG 0DIG7 八个数据驱动线路置显示器共阴极为低电平。关闭时7219此管脚输出高电平，7221呈现高阻抗。GND 地线 （4脚和9脚必须同时接地）LOAD (MAX7219) 载入数据。连续数据的后16位在LOAD端的上升沿时被锁定。 CS (MAX7221) 片选端。该端为低电平时串行数据被载入移位寄存器。连续数据的后位在cs端的上升沿时被锁定。 CLK 时钟序列输入端。最大速率为 10MHz.在时钟的上升沿， 数据移入内部移位寄存器。 下降沿时， 数据从DOUT端输出。对MAX7221来说，只有当cs端为低电平时时钟输入才有效。 SEG ASEG G DP ,7 段和小数点驱动，为显示器提供电流。当一个段驱动关闭时，7219的此端呈低电平，7221呈现高阻抗。SET 通过一个电阻连接到VDD 来提高段电流。V+ 正极电压输入，+5VDOUT 串行数据输出端口，从DIN输入的数据在16.5个时钟周期后在此端有效。当使用多个MAX7219时用此端方便扩展。 图117 看门狗71 CD4060简要说明 CD4060是4000系列CMOS器件中的一种，是14位二进制计数器。它内部有两反相器，外接两个电阻及一个电容就可组成振荡器，作为时钟发生器。输入时钟脉冲时(下降沿)，输出端输出记数脉冲。它有一个复位端(Reset)，当复位端为高电平时所有输出端都是低电平。推荐工作条件： 电源电压范围：3V15V 输入电压范围：0VVDD工作温度范围 M 类：55125 E 类：4085 极限值： 电源电压：0.5V18V 输入电压：0.5VVDD+0.5V 输入电流：10mA 储存温度：65150 7.2 CD4060管脚及功能简介图12 D4060为16管脚DIP封装，各管脚排列如图所示。其中Clock in是时钟脉冲输入，Clock out1及Clockout2是时钟脉冲输出(相位差180，Reset是复位输入端(高电平有效)Q4Q14是二进制记数脉冲输出端，Vdd为电源正端(318V)Vss为电源负端。图138 单片机与上位机通信设计本系统与上位机通信的实现是利用PC机自带的RS 232接口与8051的RXD和TXD实现。在最简单的RS 232直接通信中，只要发送和接收双方同时准备好，仅用信号发送端TXD，信号接收端RXD，地线GND3根线即可进行通信。由于RS 232的电平是：-3-15 V(逻辑1)，315 V(逻辑0)；而单片机串口信号电平为TTL电平，逻辑1大于3.6 V，逻辑0小于0.3 V。因此，PC机与单片机之间通过RS 232通信必须进行电平转换。MAX232可以完成这个功能。它使用+5 V的工作电源，配接5个0.1F的电容。转换完毕的