计算机控制系统设计报告.doc

1. 引言1.1 设计内容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。1.2 设计报告内容安排2. 设计原理计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成，如图1所示。图1 计算机控制系统的组成2.1 计算机计算机是计算机控制系统的核心，通过接口可以向系统的各个部分发出命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。具体功能是完成程序存储、程序执行、数值计算、逻辑判断和数据处理等工作。2.2 外部设备实现计算机和外界交换信息的设备称为外部设备（简称外设）。外部设备包括人-机通信设备、输入输出设备和外存储器等。输入设备有键盘、光电输入机等。它主要用来输入程序和数据。输出设备有打印机、记录仪、纸带穿孔机、显示器（数码显示器或CRT显示器）等。它主要用来向操作人员提供各种信息和数据，以便及时了解控制过程。外存储器（简称外设）有纸带装置、磁盘装置，它们兼有输入输出功能，主要用来存储系统程序和数据。2.3 操作台操作台是操作人员与计算机控制系统进行“对话”的装置，主要包括以下几部分：显示装置如显示屏幕或荧光数码显示器，以显示操作人员要求显示的内容或报警信号。一组或几组功能键通过功能键，可向主机申请中断服务，包括复位键、启动键、打印键、显示键等。一组或几组数字键用来送入某些数据或修改控制系统的某些参数。2.4 过程通道过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。按信息传递的方向来分，它包括输入通道和输出通道。2.4.1 输入通道输入通道将生产过程中的各种参数送入微机，以了解生产过程的状态。根据参数信号类型，可分为数字量输入通道和模拟量输入通道。模拟量输入通道把计算机输出的数字量变换成模拟量。这个任务主要由数/模转换器来完成。2.4.2 输出通道输出通道则是将微机输出的控制量转换成生产过程中执行机构的动作，以控制生产过程。根据执行机构所需控制信号的类型，也可分为数字量输出通道和模拟量输出通道。 在工业控制现场，被控制的对象往往是多回路的，多路输出通道有独立式和共用式多路模拟量输出通道两类。独立式多路模拟量输出通道这种形式各通道之间是相互独立的，各个通道均有自己的D/A转换器，即每一个通道的结构和单路模拟量输出通道相同。其优点是转换速度快，工作可靠性高，即使某一路D/A转换器出了故障也不会影响其他通道的工作。但电路复杂，成本较高。共用式多路模拟量输出通道这种形式各通道共用一个D/A转换器。计算机输出的控制信息都经同一个D/A转换器转换成相应的模拟量，再经多路开关传送到相应通道的保持器，由保持器保持当前的模拟量。其优点是节省了D/A转换器，但由于各通道是分时工作的，工作速度受到限制，保持器的特性影响到输出控制量的稳定性。综合考虑，系统能接入典型传感器信号，并输出标准电压/电流信号，通用性好，安全性强，性价比高，具有很好的抗干扰能力。故输入通道选择各路独立采样保持、共用A/D转换器形式，输出通道选择共用式多路模拟量输出通道。2.5 检测装置检测装置是把生产过程的温度、流量、压力、位移、速度等非电物理量检测出来，并转换成相应的电信号（电流或电压）的器件。设计中不用选择检测装置，其信号直接用电信号（电流或电压）给出。所以，本设计只要求设计输入通道和输出通道即可。2.6 执行机构为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等等。2.7 软件软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。3. 硬件设计系统的整体结构如图5所示，系统由单片机系统和输入通道，输出通道组成。输入通道包括信号处理和A/D转换，输出通道则由D/A转换器组成。图5 系统的整体结构图3.1 单片机最小系统设计单片机最小系统,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89S51单片机。89S51单片机芯片采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，引脚如图6所示。图6 MCS51引脚图3.1.1 89S51引脚功能说明主电源和时钟振荡电路引脚Vcc（40引脚）：运行和程序校验时接+5V电源。Vss（20引脚）：电源地。XTAL1（19引脚）：接外部晶振的1个引脚。该引脚内部是1个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外部晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18引脚）：接外部晶振的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。输入输出I/O引脚共4个8位的并行I/O口，32根I/O线。P0.0-P0.7（32-39引脚）：统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 P1.0-P1.7（1-8引脚）：统称为P1口。可作为准双向I/O口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。P2.0-P2.7（21-28引脚）：统称为P2口。一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。P3.0-P3.7（10-17引脚）：统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入输出或第三功能。P3口的第二功能如表1所示。表1 P3口第二功能引 脚第二功能P3.0（串行口输入）P3.1（串行口输出端）P3.2（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6 (外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效)P3.7 (外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效)控制信号引脚（9引脚）：RST（RESET）是复位信号的输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在此单片机正常工作时，此引脚应为0.5V低电平。VPD为本引脚的第二功能，即备用电源输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM中信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。（30引脚）：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的1/6。如果想初步判断单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号输出。如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。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。（29引脚）：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生2次PSEN信号。在执行片内程序存储器取指令时，不产生PSEN信号；在访问外部数据存储器时，亦不产生PSEN信号。：EA为内外程序存储器选择控制端。当EA引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，即超出片内程序存储器的4KB地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA引脚为低电平时，单片机则只访问外部程序存储器，不论是否有内部存储器。Vpp为本引脚的第二功能，为片内EPROM编程电压输入端。在对片内EPROM固化编程时，由此引脚提供编程高电压。图7 单片机最小硬件系统电路图 3.1.2 89S51主要特性8位CPU4KB闪烁可编程可擦除只读存储器，并且可以在线编程1000次写/擦循环数据保留时间：10年工作频率：0-22MHz128B内部RAM32根并行I/O口线看门狗定时器6个中断源，两级中断优先级具有双工UART串行通道具有片内振荡器和时钟电路具有布尔处理器功能工作电压：4-5.5V双数据指针具有多种封装方式3.2 89S51外部扩展设计MCS-51单片机片内集成了各种存储器和I/O功能部件，但有时根据应用系统的功能需求，片内的资源还是不能满足需要，还需要外扩存储器和I/O功能部件（也称I/O接口部件），这就是通常所说的MCS-51单片机的系统扩展问题。MCS-51系统扩展的内容主要有外部存储器的扩展（外部存储器又分为外部程序存储器和外部数据存储器）和I/O接口部件的扩展。图8 MCS-51的系统扩展结构3.2.1 89S51扩展EPROM的设计选择2764芯片与89S51单片机的接口电路。 选择2764芯片依据由于2716、2732 EPROM价格贵，容量小，而且难以买到，因此在电路设计中一般不选用这两种芯片。而2764芯片可以外扩8KB的EPROM，在本次设计中编写程序的用量已经足够，因此选择2764芯片。 选择2764芯片说明2764是8K*8位（8192字节单元）紫外线擦除、电可编程只读存储器EPROM，28脚双列直插式封装。其引脚排列如图10所示。各引脚含义如下：A0-A12:13位地址线O0-O7：8位数据线OE：读选通线CE：片选信号PGM：编程脉冲输入端Vpp：编程电源Vcc：+5V工作电压GND:地图10 2764引脚图3.2.2 89S51扩展RAM的设计选择6264芯片与89S51单片机的接口电路。 扩展RAM的依据89S51单片机内部有128B RAM。在实际应用中，仅靠片内RAM往往不够用，必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器RAM器件有两大类：即静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。在单片机应用系统中，外扩的数据存储器都采用静态数据存储器，而且本次设计的输入存储量不大，因此选择6264静态RAM与89S51单片机相连。所扩展的数据存储器空间地址由P0口提供高8位地址，P0口分时提供低8位地址和8位双向数据总线。片外数据存储器RAM的读和写由89S51的RD和WR信号控制，而片外程序存储器EPROM的输出允许端OE由读选通PSEN信号控制。尽管与EPROM共处同一地址空间，但由于控制信号不同，故不会发生总线冲突。 6264芯片说明6264为8K字节的静态随机存储器芯片，CMOS工艺，单一+5V电源供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns，28脚双列直插式封装，如图12所示。各引脚功能如下：A0-A12：13位地址线D0-D7：8位数据线WE：写选用信号，低电平有效OE：读选通信号，低电平有效CE1：片选信号1，低电平有效CE2：片选信号2，高电平有效NC：悬空端Vcc：+5V电源GND：地图12 6264引脚图、和、的共同作用决定了芯片的运行方式，如表2所示。表2 SRAM6264真值表3.2.3 89S51扩展I/O接口的设计选择8255A与89S51单片机的接口电路。 扩展I/O接口依据MCS-51的I/O（输入/输出）接口是MCS-51单片机与外部设备信息交换的桥梁。虽然89S51本身已有4个I/O口，但是P0口和P2口用作16位地址总线和8位数据总线，真正用作I/O口线的只有P1口的8位I/O口线和P3口的某些位线。由于89S51的I/O资源有限，因此，在多数应用系统中，MCS-51单片机都需要外扩I/O接口电路。 选择8255A芯片依据89S51单片机是Intel公司的产品，而Intel公司的配套可编程I/O接口芯片的种类齐全，这就为MCS-51单片机扩展I/O接口提供了很大的方便。Intel公司常用的外围I/O接口芯片有：8255A：可编程的通用并行接口电路（3个8位I/O口）8155H：可编程的IO/RAM扩展接口电路（2个8位I/O口，1个6位I/O口，256个RAM字节单元，1个14位减法定时器/计数器）由于本次设计不用到定时器/计数器，而且89S51单片机本身的定时器/计数器就已经足够，前边又已经设计了扩展静态RAM，数据存储器的容量也已足够，因此，选择较为简单的8255A接口芯片就可以了。 8255A芯片说明8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，3种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用灵活方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路，8255A的引脚及内部结构如图14、15所示。 8255A引脚说明8255A共有40只引脚，采用双列直插式封装，其引脚说明如下：D7-D0：三态双向数据线CS：片选信号线，低电平有效，表示本芯片被选中RD：读出信号线，低电平有效，控制8255A中数据的写入WR：写入信号线，低电平有效，控制向8255A数据的写入Vcc：+5V电源PA0-PA7：A口输入/输出线PB0-PB7：B口输入/输出线PC0-PC7：C口输入/输出线A0-A1：地址线，用来选择8255A内部的4个端口图14 8255A引脚图 8255A内部结构说明8255A内部结构包括3个并行数据输入/输出端口，2个工作方式的控制电路、1个读/写控制逻辑电路和8位数据总线缓冲器。其各部件功能如下：端口A、B、CPA口：1个8位数据输出锁存器和缓冲器，1个8位数据输入锁存器PB口：1个8位数据输出锁存器和缓冲器，1个8位数据输入缓冲器PC口：1个8位输出锁存器，1个8位数据输入缓冲器通常PA口、PB口作为输入/输出口，PC口可作为输入/输出口，也可在软件的控制下，分为2个4位端口，作为端口A、B选通方式操作时的状态控制信号。A组和B组控制电路这是2组根据CPU写入的命令字控制8255A工作方式的控制电路。A组控制PA口和PC口的上半部（PC4-PC7）；B组控制PB口和PC口的下半部（PC0-PC3）,并根据命令字对端口的每一位实现按位置位或复位。数据总线缓冲器数据总线缓冲器是1个三态双向8位缓冲器，作为8255A与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路接受CPU发来的控制信号RD、WR、RESET、地址信号A0-A1等。然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，送往CPU或者将CPU送来的数据写入端口。图15 8255A的内部结构表3 8255A端口工作状态选择表3.3 前向通道设计前向通道中信号调节的任务是要将被测对象输出的信号变换成计算机输入要求的信号，它包括信号放大电路、V/I转换电路和A/D转换电路。3.3.1 信号放大电路和V/I转换电路由于传感器输出的多为小信号（电流或电压），所以输入计算机前需经过小信号放大环节。图16所示电路是将传感器输出的电压信号经过放大后变成05V的标准电压，然后再经过电压/电流转换器转换成020mA标准的电流信号。图中R2/R1为电压的放大倍数，根据需要进行选择。R4为250欧姆。图16 信号放大电路和V/I转换电路3.3.2 A/D转换电路设计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。 ADC0809芯片介绍ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。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。图17 ADC0809内部组成结构框图与引脚图 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 ADC0809工作过程首先用指令选择0809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0809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，0809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0809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。中断控制方式是在启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序。0809转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据。中断控制方式效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。图18 ADC0809与89S51程序查询传送方式硬件接口3.4 后向通道设计后向通道中常用的器件及电路主要有数/模转换（D/A转换）和抗干扰电路。3.4.1 D/A转换电路设计目前的D/A转换器芯片品种很多，按其能否直接与主机相连接而分为两类：一类是本身不带输入数据寄存器的D/A转换器，如DAC0800（8位分辨率）、AD7520（10位分辨率）、AD7521（12位分辨率）等。这类D/A转换器结构简单，价格便宜，但与主机接口必须增加外部数据锁存器，以便使输入的数据能保持一定的时间；另一类则在转换器内部集成有输入数据锁存器、片选信号、写信号等电路，如DAC0832、AD7524等，它们可直接与主机相连接，以这类D/A转换器与MCS-51系列单片机相配置，硬件接口简单，使用方便。所以，本次设计选择DAC0832作为D/A转换器。 DAC0832芯片介绍DAC0832是采用先进的CMOS/Si-Cr工艺的8位D/A转换器。可直接与主机相连接。该芯片以其价格低廉、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转换器是由输入数据寄存器、DAC寄存器和D/A转换器（R-2R T型解码网络）等组成的CMOS集成器件。在电路中采用了CMOS电流开关和控制电路，从而达到较低功耗和较低的输出漏电流误差。由引脚图可见，DAC0832是20芯双列直插式封装，其引脚含义如下：D0-D7：8位转换数据输入端ILE：允许转换数据输入锁存信号端，高电平有效；CS：片选信号输入端，低电平有效WR1：写信号1输入端，低电平有效，用于将转换数字量输入锁存到输入数据寄存器中。由ILE、CS、WR1三信号同时有效控制输入数据寄存器的选通WR2：写信号2输入端，低电平有效XFER：DAC寄存器选通控制信号，低电平有效。由XFER和WR2两信号同时有效时选通DAC寄存器，将锁存在输入数据寄存器的转换数据传送到D/A转换器，亦即将输入转换数据锁存于DAC寄存器，提供给D/A转换器进行D/A转换。如果将CS和XFER直接接地，ILE接+5V,WR1和WR2合并接主机的WR，则能使输入转换数据直通送D/A转换器。IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端Rfb：放大器反馈电阻连接端。用于外接直流放大器接入分路反馈电阻。这是为了保持输出电流的线性度。要保持输出电流的线性度，很重要的一点，是两个电流输入端的电位应尽可能地接近“0V”。VREF：标准电压输入端。通过该端口将外部标准电源和内部R-2R T型网络相连，为R-2R T型网络提供精度高的标准电源。VREF可工作在-10V+10V范围内。Vcc：电源输入端。它可从+2V+15V。最佳工作状态是采用+15V。AGND：模拟量接地端DGND：数字量接地端AGND与DG