设计一个基于单片机的具有AD和DA功能的信号测控装置

1、课 程 设 计 报 告学生姓名:学 号：学院:自动化工程学院班 级:题 目:计算机控制系统指导教师： 马乐 刘波 职称: 讲师 教授 2016年6月27日目录一、 题目背景与意义- 1 -二、 设计题目介绍- 1 -2.1设计题目- 1 -2.2 设计要求- 1 -2.2.1 基本要求- 1 -2.2.2 发挥部分- 1 -三、 系统总体框架- 2 -四、 系统硬件设计- 3 -4.1 单片机AT89C52- 3 -4.2 A/D转换器ADC0809- 6 -4.2.1 A/D转换电路原理- 6 -4.2.2 ADC0809芯片介绍- 6 -4.2.3 ADC0809的内部逻辑结构- 6 -4

2、.3 D/A转换电路DAC0832- 9 -4.3.1 DAC0832芯片介绍- 9 -4.3.2 DAC0832的内部逻辑结构- 9 -4.3.3 DAC0832芯片引脚结构及功能- 10 -4.4 LED 显示电路- 11 -4.5 键盘模块- 11 -4.6 稳压电源- 12 -4.7 声光报警- 12 -4.8 调理电路- 13 -4.9 74LS373- 14 -五、系统软件设计- 15 -5.1 主程序框图- 15 -5.2 键盘控制程序框图- 16 -5.3 数据转换框图- 17 -5.4 数据显示子程序框图- 18 -六、 总结- 19 -参考文献- 20 -1、 题目背景与意

3、义本课程设计以计算机控制系统课程理论为基础，以其他电子类、计算机及接口类相关课程内容为辅助，在实践中锻炼学生的系统设计能力、理论应用能力、总结归纳能力以及自我学习能力，提高其实践能力、创新意识与创业精神。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/020mA。2.2 设计要求2.2.1 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Pr

4、otues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。2.2.2 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)。3、 系统总体框架图3.1 总体设计方案此控制系统的硬件设计框图如图3.1所示。被控对象经传感器，变送器输入电压信号或电流信号，经模数转换模块中调理电路送入A/D转换器，通过采样和模数

5、转换，所检测到的电压信号和送入单片机进行比较，以显示模块显示结果，声光报警判断是否正常工作。由键盘模块设定报警上下限值。稳压电源提供稳定电压。数模转换输出模拟量进行控制。4、 系统硬件设计4.1 单片机AT89C52AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，内含4K bytes的可擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大，AT89C52单片机可提供许多高性价比的应用场合

6、，可灵活适用于各种控制领域。图4.1 AT89C52内部逻辑图此芯片有4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口总线，两个16位定时/计数器，一个5向量两中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。同时AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口以及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。图4.2 AT89C52引脚图VCC：主电源输入端。GND：地。P0口：一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线

7、复用口。作为输出口使用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”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。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：一组内部带上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动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（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接受

8、低8位地址。P2口：一组内部带上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动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（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接受低8位地址。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个访问期间不变。Flash编程或校验时，P2接收高位地址和其他控制信号。P3口：一组内部带上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电

9、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（IIL）。P3口除作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表：表4-1 P3端口第二功能表端口引脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD(串行输入口)TXD(串行输出口)INT0(外中断0)INT1(外中断1)T0（定时/计数器0外部输入）T1（定时/计数器1外部输入）WR（外部数据存储器写选通）RD（外部数据存储器读选通）RST口：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

10、电平将使单片机复位。ALE/PROG口：在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，即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟震荡的频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可以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。对Flash存储器编程期间，该引脚还要用于输入编程脉冲（PROG）。PSEN口：程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51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时，这里爱你两次有效的PSEN信号不出现。

11、EA/VPP口：外部访问允许，欲使CPU访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如果EA端位高电平,CPU则执行内部程序存储器中的指令。XTAL1:振荡器反相放大器以及内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。4.2 A/D转换器ADC08094.2.1 A/D转换电路原理A/D转换器是把模拟量转化为与其大小成正比的数字量信号。根据不同的转换原理，A/D转换器的种类很多，最常见的两种转换器是逐次逼近式和双积分式A/D转换。本次设计采用的是ADC0809芯片，是逐次逼近式转换器

12、。4.2.2 ADC0809芯片介绍ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它负责将模拟信号弹转换为数字信号，并采用逐次逼近式转换方式实现它与单片机的连接。4.2.3 ADC0809的内部逻辑结构ADC0809芯片是CMOS型单片双列直插式转换器件，采用逐次式转换方式，可对8路模拟电压分时进行转换。ADC0809的内部结构如下图所示。片内集成有具有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼进寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具

13、有TTL三态锁存缓冲器，楞直接连到微处理器的数据通信总路线上。ADC0809的结构方框图如下图所示：图4.3 ADC0809的内部结构图由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许锁存器用8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 （3） ADC0809芯片引脚结构及功能图4.4 ADC0809的外部引脚图VCC：主电源输入端。GND：地。CLK：时钟输入端。IN0IN7：8路输入法通道的模拟量输入

14、端。D0-D7：8位数字量输出端。A,B,C：模拟信号输入通道地址选择线。在进行A/D转换时，究竟选通哪一路模拟输入通道，由地址线A、B、C的地址编码来决定，其对应关系如下表所示：表4-2 ADC0809地址与模拟通道对应关系被选模拟通道CBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7000011110011001101010101ST：ADC启动控制信号输入端，要求正脉冲信号，脉冲的上升沿使所有内部寄存器清零，其下降没开始进行A/D转换。ALE：地址允许锁存输入信号，当ALE为高电平时，将A、B、C三个信号锁存在地址锁存器中，以选通相应的输入通道。EOC：转换结束信号。在ST（STAR

15、T）信号之后变为低电平，在A/D转换结束后，变为高电平。EOC信号可用来申请中断。OE：输出允许信号，当为高电平时，打开三态输出 缓冲器，把数据送到数据总线上。4.3 D/A转换电路DAC08324.3.1 DAC0832芯片介绍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。4.3.2 DAC0832的内部逻辑结构图4.5 DAC0832内部逻辑结构图该芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓

16、冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，海可以外接。该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接。4.3.3 DAC0832芯片引脚结构及功能图4.6 DAC0832外部引脚图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；WR

17、1：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WR1、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

18、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4.4 LED 显示电路加入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74HC595驱动数码管。图4.7 LED显示电路74HC595 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。74HC595 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 D

19、SB）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。4.5 键盘模块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

20、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。图4.8 键盘电路4.6 稳压电源为了使单片机能更稳定的工作，必须保证有一个稳定的电压输入。所以接入一个+5V稳压电源。7805为典型三端IC稳压集成电路。图4.9 稳压电源电路4.7 声光报警当系统正常运行时，绿灯亮。当传感器所采集的信息经过单片机处理，如果超过设置的上限值或低于设置的下限值，蜂鸣器进行报警，红灯亮起。其电路图如图4.11所示：图4.10 声光报警电路4.8 调理电路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

21、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。参考电路见图4.5所示：图4.11 调理电路经对图4-7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VNVpIi×R4，上式中的VN即可用Ii×R4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0

22、5V的电压信号。4.9 74LS373锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性) 简要说明: 373为三态输出的八路透明锁存器,共有 54S373 和 74LS373 两种线路 结构型式，其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别): 图4.12 74LS373引脚图373 的输出端 O0O7 可直接与总线相连。 当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已

23、建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。 引出端符号： D0D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 O0O7 输出端五、系统软件设计5.1 主程序框图开始启动A/D转换，同时将A中的数据送入D/A启动转换开中断设置报警电路初始值为红灯灭绿灯亮设置上下限初始值设置DPTR初始值踏步等待图5.1 主程序框图5.2 键盘控制程序框图图5.2 键盘控制程序框图5.3 数据转换框图图5.3 数据转换框图5.4 数据显示子程序框图图5.4 数据显示子程序框图6、 总结单片机具有体积小，功耗低，功能强，通用性好，性价比高易组装成机电仪一