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AD接口论文杨韬 201107211056 电本11021.1设计目的 目前，信号的检测和控制根据其特性，有很多的检测和控制装置，甚至有成套的控制原理电路。此时我们做的信号检测与控制的装置，应该说是很低端的，但是这个课程设计的目的不只在于要求我们能设计出优秀、高端的产品，而且要求锻炼我们的综合能力。 做一个题目，不仅需要深刻理解该科目的知识，而且需要联系其它科目的知识。比如这次的计算机控制技术设计报告，它不仅运用了计算机方面的知识，而且也设计到了单片机、数电的知识。理论联系实践，从而锻炼了我们综合运用知识的能力。1.2设计背景 在电子控制领域，数据的采集、处理与分析、输出贯穿于控制过程的始终，由于单片机面向测控领域的应用，被测量的温度、压力、流量、速度等非电物理量，需要经传感器先转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），再将连续变化的模拟量转换成离散的数字量，才能送计算机进行数值处理，反之，由计算机数值处理的数字量也必须经转换成模拟量，以实现连续变化的模拟量控制，故数据采集、处理、分析、输出的设计对计算机控制系统有着非常重要的意义。2设计题目介绍2.1题目要求本设计是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Proteus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)。3.系统总体框架3.1系统总体方案本课程设计是将理论应用于实际中，我所设计的是运用各种仪表及传感器检测锅炉汽包中的水位，压力，流量，温度等。然后，将得到的数据通过变送器输出0到5v或0到10mA的标准信号送入A/D转换器中，A/D转换器将标准信转换成机器码送入80c51单片机中。通过软件编程设定每种被测量的上下限值，由外围设备来实现数字量的显示以及报警。最后，将数字信号转换为模拟信号输出，再通过开关量来实现对阀门等的控制。图2 系统总体框图系统硬件设计图3 硬件系统框图CPU的选择由于80C51单片机具有价格便宜，易上手，抗干扰能力强，稳定性好等优点，且满足我所设计系统的条件，所以此次设计选用80C51单片机作为处理核心。单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。目前用的较多是Intel MCS-51 系列单片机，它有三个版本：8031、8051、8751（8位机）。本设计中我采用的是89c51单片机。4、P3口 有两中功能：除了作为I/O口使用外（内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断）P33/INT1（外部中断）P34T0（TIMER0的外部输入脚）P35T1（TIMER1的外部输入脚）P36/WR（外部数据存储器的写入控制信号）P37/RD（外部数据存储器的读取控制信号）端口1、2、3有内部上拉电阻，当作为输入时，其电位被拉高，若输入为低电平可提供电流源；其作为输出时可驱动4个LS TTL。而端口0作为输入时，处在高阻抗的状态，其输出缓冲器可驱动8个LS TTL（需要外部的上拉电阻）。5、EA/VPP（1）接高电平时：a、CPU读取内部程序存储器（ROM），如8051/8052。b、扩充外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）、1FFFH（8052）时，自动读取外部ROM。（2）接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM），如8031/8032。4.3 A/D转换部分4.3.1 A/D芯片的选择 A/D转换接口是数据采集系统前向通道中的一个环节，数据采集和转换系统从一个或几个信号源中采集模拟信号，并将这些模拟信号转换为数字形式，以便输入计算机。因此，对于一个模拟信号转换成为数字信号所要求的基本部件有： 模拟多路转换器与信号调节；采样/保持放大器；模拟/数字（A/D）转换器；通道控制电路。随着集成技术的发展与广泛应用的需要，目前市场上出售的A/D转换器品种较多，其精度、速度与价格方面千差万别。从其组成结构分，有计数比较型（速度慢、价格便宜），逐次逼近型（分辨率、速度、价格适中），双积分型（分辨率高、抗干扰能力强、价格便宜，但速度较慢）和并行转换型（高速）。鉴于综合考虑，选择ADC0809作为A/D转换器。4.3.2 ADC0809芯片介绍ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片，片内有模拟量通道选择开关及相应的通道锁存、译码电路，A/D转换后的数据由三态锁存器输出，由于片内没有时钟需外接时钟信号。通过P2.7来控制A/D是否开始工作。由引脚图可见，ADC0809共有28脚，采用双列直插式封装。其引脚功能如下：D0-D7：8位数字量输出端口IN0-IN7：8位模拟量开关输入端口Vcc：+5V工作电源GND：地Vref+、Vref-：参考电压输入端START：A/D转换启动信号输入端口，高电平有效ALE：地址锁存允许信号输入端口，ALE下降沿将地址打入锁存器EOC：A/D转换结束信号输出端口，开始转换时为低电平，一旦转换结束时输出高电平OE：完成转换后，数字量输出允许控制信号输入端口，高电平有效，用以打开三态数据锁存器的输出CLK：时钟信号输入端A、B、C：地址输入端口。用3位二进制数编码组成3:8译码输出，选通8路模拟电子开关，实现选通8路模拟输入中的一路。4.3.3 ADC0809主要特性分辨率为8位，误差1LSB CMOS低功耗器件，功耗为15mW 转换时间为100 s（当外部时钟输入频率为640 kHz ） 很容易与微处理器连接； 单一电源+5V，采用单一电源+5V供电时量程为05V 无零位或满量程调整，使用5V或采用经调整模拟间距的电压基准工作 带有锁存控制逻辑的8通道多路输入转换开关 带锁存器的三态数据输出转换结果读取方式有延时读数、查询EOC=1、EOC申请中断4.3.4 ADC0809工作过程首先用指令选择0808的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR,A时，单片机WR信号有效，从而产生一个启动信号，给0808的START引脚送入脉冲，开始对选中通道进行转换。当转换结束后，0808发出转换结束EOC（高电平）信号，该信号可供单片机查询，也可反相后作为向单片机发出的中断请求信号；当执行指令：MOVX A,DPTR，单片机发出读控制RD信号，OE端有高电平，且把经过0809转换完毕的数字量读到A累加器中。由上述可见，用单片机控制ADC时，可采用查询和中断控制两种方式。查询方式是在单片机把启动信号送到ADC之后，执行别的程序，同时对0808的EOC引脚的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。4.3.5 ADC0809与80c51的连接图5 ADC0809电路图4.5.调理电路部分4.5.1调理电路原理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10V的标准电压信号，以便送给各类设备进行处理。这种转换电路以4mA为满量程的0%对应-10V；12mA为50%对应0V；20mA为100%对应5V。在与电流输出的传感器接口的时候，为了把传感器(变送器)输出的1-10mA或者4-20mA电流信号转换成为电压信号，往往都会在后级电路的最前端配置一个I/V转换电路。单片机前可配置一个由运算放大器组成的缓冲处理电路，增加这级运算放大器可以起到对零点的处理会变得更加方便，无需耗用单片机的内部资源，尤其单片机是采用AD接口来接受这种零点信号不为零电压的输入时，可以保证A/D转换位数的资源能够全部应用于有用信号上。以420mA 例，图中的RA0是电流取样电阻，其值的大小主要受传感变送器供电电压的制约，当前级采用24V供电时，RA0经常会使用500的阻值，对应20mA 的时候，转换电压为10V，如果仅仅需要最大转换电压为5V，可以取RA0=250，这时候，传感变送器的供电只要12V就够用了。因为即使传送距离达到1000米，RA0最多也就几百而已。同时，线路输入与主电路的隔离作用，尤其是主电路为单片机系统的时候，这个隔离级还可以起到保护单片机系统的作用。图采用的是廉价运放1458，其对零点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，其大小恰好为输入4mA时在RAO上的压降。有了运算放大器，还使得 RAO的取值可以更加小，因为这时信号电压不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来补足。这样，就可以真正把420mA电流转换成为05V电压了。经电路分析，可知流过反馈电阻Rf的电流为(Vo-VN)/Rf与VN/R1(VN-Vf)/R5相等，由此，可推出输出电压Vo的表达式：Vo=(1+Rf/R1+Rf/R5)VN-(R4/R5)Vf。由于VNVpIiR4，上式中的VN即可用IiR4替换，若R4200，R118k，Rf7.14k，R543k，并调整Vf7.53V，输出电压Vo的表达式可写成如下的形式:当输入420mA电流信号时，对应输出05V的电压信号。LED显示部分4.6.1显示电路原理加入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。采用74LS164驱动数码管。74ls164 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。74ls164 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，一定不要悬空。 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。 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，与此同时红灯亮起。原理如图所示。报警电路MAX-220标准介绍为了更好地实现与上位计算机之间的通信和系统功能的扩展，该装置设有MAX-220接口电路。由于单片机的输入、输出电平为TTL电平，与 PC机RS-232标准串行接口的电气规范不一致，因此要实现单片机与PC机之间的数据通讯，必须进行电平转换，就必须使用MAX-220接口电路。为了更好的了解MAX-220接口电路，下面简单介绍MAX-220标准的相关知识。首先，MAX-220标准最初是远程通信连接数据终端设备与数据通信设备DCE而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机接口与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解，我们对MAX-220标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。其次MAX-220标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。 4.8.2 MAX-220与80c51连接图10MAX-220与上位机连接4.9键盘部分4.9.1键盘模块原理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。由P1.0-P1.3口控制。其中，S2是用于进入键盘调节模式和退出键盘调节模式；S3是用于增加上限值；S4用于减小上限值；S5用于增加下限值；S6用于减小下限值。A/D转换部分5.3 D/A转换部分开始初始化P2.6=0P3.6=0?启动D/A转换输出结束图14 D/A转换框图5.4键盘部分框图开始关中断保护现场红灯、绿灯熄灭现场恢复返回查询S3是否按查询S4是否按下查询S5是否按下查询S6是否按下查询S2是否按下增加上限减少上限增加下限减少下限YYYYYNNNNN图15 键盘部分框图5.5显示部分框图开始将A/D转换结果的个、十、百位分别放入51H、52H、53H令R1指向52H，R7计数返回R7是否为0向LED输出一位显示代码YN图16 显示部分框图5.6 数据转换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YYNN图17 数据转换程序框图6 结论通过这将近2周的课程设计，回顾了单片机技术的相关知识，把独立