计算机控制系统课程设计.doc

1 题目背景与意义1.1 背景计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。若将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型的计算机控制系统。它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。其中辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是某种最优化目标。计算机控制系统是一门技术性、应用性很强的学科，实验课教环节是它的一个极为重要的环节。不论是硬件扩展、接口应用还是编程方法、程序调试，都离不开实验课教学。如果不在切实认真地抓好学生的实践技能的锻炼上下功夫，单凭课堂理论课学习，势必出现理论与实践脱节，学习与应用脱节的局面。1.2 设计意义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，使学生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。通过此设计，加深对单片机知识和计算机控制等知识的了解及应用，提高动手能力。2 设计题目介绍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/020mA3 系统总体框架图1 系统总体框图4 系统硬件设计4.1单片机模块单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。由于AT89C52在同系列单片机中具有更完善的功能和性能，所以本设计选用了AT89C52单片机。AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。4.1.1 AT89C52引脚功能说明主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 AT89C52的管脚分布如下图所示：图2 AT89C52引脚图各引脚详细功能叙述如下：（1）P0 口：是一组8 位漏极开路型双向I/O 口。 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。（2）P1口：是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。 P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。（3）P2 口：是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。（4）P3 口：是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。如下表所示：表1 P3口第二功能表（5）RST: 复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。（6）ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。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。（7）PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。（8）EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。（9）XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端，接外部时钟的一个引脚。（10）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端，接外部时钟的另一个引脚。4.1.2 AT89C52功能特性1、兼容MCS51指令系统2、8kB可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；3、32个双向I/O口；4、256x8bit内部RAM；5、3个16位可编程定时/计数器中断；6、时钟频率0-24MHz；7、2个串行中断，可编程UART串行通道；8、2个外部中断源，共8个中断源；9、2个读写中断口线，3级加密位；10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。4.2 A/D转换模块由于变送器输出的是电压或电流的模拟信号，而单片机的输入要求为数字量信号，因此在这之间需要有一个转换器。A/D转换器就是这样的一个转换器，它能把模拟量转化为数字量。4.2.1 A/D转换器的选用A/D 转换器的作用是将输入的模拟电压数字化。A/D转换芯片很多，A/D转换芯片选择主要是根据系统的转换精度和转换速度两个技术参数确定的。基于抗干扰、通用性、安全性、性价比等原则性要求的综合考虑，选用芯片ADC0809。4.2.2 ADC0809功能介绍ADC0809 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。它是逐次逼近模数转换器。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。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。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。（1）内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由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、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。图3 ADC0809内部结构图（2）引脚功能ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如下图所示。下面说明各引脚功能。图4 ADC0809引脚图IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。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）。EOC： A/D转换结束信号，输出，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）。OE：数据输出允许信号，输入，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。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：接地端。4.2.3 ADC0809工作方式ADC0809与AT89C52单片机接口电路如下图所示：图4 ADC0809与AT89C52的接口电路传感器的输出可以接到ADC0809的IN0IN7，ADC0809的通道选择地址A，B，C由IN0IN7模拟输入通道选择。因为单片机受引脚数的限制，P0口兼用数据线和低八位地址线，为了将它们分离出来，需要在单片机外部增加地址锁存器。所以在ADC00809和AT89C52之间连接了74LS373。表2 ADC0809的通道选择表首先指令选择ADC0809的一个模拟输入通道，当执行写入指令是，单片机的WR信号有效，从而产生一个启动脉冲。信号给ADC0809的START引脚，开始对选中通道转换。当转换结束后，ADC0809发出转换结束EOC（高电平）信号；当执行读出指令时，单片机发出读控制RD信号，通过逻辑电路控制OE端为高电平，把转换完毕的数字量读入到单片机中。4.3 D/A转换模块在单片机应用系统中，经过微处理器处理后的结果通常必须转换成实际的模拟量，这种将数字量转换成模拟量的过程就是D/A转换。4.3.1 D/A转换器的选用由于之前的A/D转换器选用的是8位的，因此D/A转换器也应选择8位的。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。所以该设计选用的转换器是DAC0832。4.3.2 DAC0832功能介绍美国半导体公司的DAC0832芯片是具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它采用CMOS工艺制作，具有双缓冲器输入结构。它由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，可直接与主机相连接，将主机出来的数字量信号转换成模拟量后输出。DAC0832引脚图如下图所示：图5 DAC0832引脚图 各引脚功能叙述如下：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。4.3.3 DAC0832工作方式根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。应用系统中，在只有一路模拟量输出或几路模拟量不需要同时输出的场合，应采用单缓冲方式。这种方式下，将两级寄存器的控制信号并接。输入数据在控制信号作用下直接进入8位DAC寄存器中并进入8位DA转换器进行DA转换。DAC0832与AT89C52单片机接口电路如下图所示：图6 DAC0832与单片机接口电路4.4 显示模块在单片机系统中，目前常用显示器液晶显示器(LCD显示)和数码管显示器(LED显示)来显示各种数字或符号。由于LED具有价钱低廉，性能稳定，显示清晰，亮度高，使用电压低，寿命长等特点，所以应用非常广泛。由于数码管显示需要译码器驱动，我们此处采用两个74ls48来驱动显示器，除了起到驱动数码管的作用，它还省了单片机的I/O口，并且数码管的变化太快，肉眼很难分辨，连接显示译码器还起到了降低数码管频率的作用。4.4.1数码管LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。由于显示译码器的位选线段需从共阴极数码管的公共端吸入电流，本设计采用了共阴极二极管，使用时，共阳极数码管公共端接地，共阴极数码管公共端接电源。图7 共阴极LED引脚图4.4.2数码管工作方式LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。本设计选用静态显示方式。LED接口方式如下图所示：图8 LED接口电路4.5键盘模块键盘接口是最常用的人机接口。键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。键盘可分为编码键盘和非编码键盘，单片机应用系统中的键盘一般采用非编码键盘便可满足需要。非编码键盘根据排布方式不同形成了不同的键盘接口方式，它包括独立式键盘和行列式键盘。由于本设计中需要的按键很少，所以采用独立式键盘接口。4.5.1 键盘的工作方式独立式键盘的特点是一键一线，各键相互独立，每个按键各接一条I/O口线，通过检测I/O口输入线的电平状态，可判断哪个按键被按下。具体为上拉电阻保证按键释放时，输入检测线上有稳定的高电平，当某一按键按下时，对应的检测线就变成了低电平，与其他按键相连的检测线仍为高电平，只需读入I/O输入线的状态，判别哪一条I/O输入线为低电平，就可识别哪个键被按下。键盘接口电路如下图所示：图9 键盘与单片机接口电路4.6 报警模块当显示的电压超过设置的上下限时，报警模块开始报警。采用声光报警电路，更加直观的反应系统工作的情况。正常工作时，黄灯亮。当转换后的数字量超过设定值时，红灯亮起，蜂鸣器响起，操作人员采取适当的措施使系统工作在规定范围内，或根据实际情况来决定是否改变初值。具体接口电路如下图所示：图10 报警电路5 系统软件设计将系统的整个工作流程以框图形式给出，从另一个方面检验了设计想法，进行弥补和修正，使设计更加严谨。从控制信号和反馈信号的AD转换开始，到单片机数据采集，按确定算法计算后以数字量形式输出，数字量经DA转换变成模拟量输入。系统软件框图详见图纸。6 结论通过这次计算机控制课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，尤其是单片机的知识的了解，在查资料的过程中了解了各种芯片的作用和特点,懂得了如何将已学到的知识运用到实际中去，加深了对课本知识的理解，也学到了一些在课本中学不到的知识。由于平常都是对于理论知识的学习，在此次课程设计中，我更进一步地熟悉了单片机与计算机控制系统知识。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我找出了错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的学习有了更大的信心。回顾起此次计算机控制课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选择到确定，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。我觉得做课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最