计算机控制系统课程设计(东北电力大学)

1、目录1 题目背景与意义11.1设计目的12 设计题目介绍22.1设计内容和要求22.1.1基本要求22.1.2发挥部分23 系统总体框架34 系统硬件设计44.1单片机选型44.1.1 AT89C51功能介绍：54.1.2晶振电路64.1.3复位电路64.2 A/D转换电路74.2.1 ADC0832功能介绍：74.3 D/A转换电路74.3.1 DAC0808功能84.4显示器84.4.1LM016L引脚说明84.5 总电路95 系统软件设计105.1 主程序框图105.2数据程序框图105.3显示程序框图116 总结127 参考资料131 题目背景与意义1.1设计目的本课程设计以计算机控制

2、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。在自动控制系统的实际工程中，经常需要检测被测对象的一些物理参数，如温度、流量、压力、速度等，这些参数都是模拟信号的形式。它们要由传感器转换成电压信号，再经A/D转换器变换成计算机能够处理的信号。同样，计算机控制外设，如电动调节阀、模拟调速系统时，就需要将计算机输出的数字信号经过D/A转换器变换成外设能接受的模拟信号。 本次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MCS-51单片机A

3、/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，使我们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。帮助同学们增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解，从而更好的掌握单片机的内部功能模块的应用以及A/D和D/A功能的实现。使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。2 设计题目介绍2.1设计内容和要求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

4、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。2.1.1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Protel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) 每天写出工作进程日记。2.1.2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

5、，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D/A转换器AT89C51A/D转换器电源模拟量输入 模拟量输出显示器图3.1系统总框图4 系统硬件设计4.1单片机选型 由于AT89C51单片机采用的是CHMOS工艺，高速度、高密度、低功耗，具有价格便宜、易上手、抗干扰能力强、稳定性好等优点，且满足我所设计的系统要求的条件，所以此次设计选用AT89C51单片机作为处理核心。AT89C51单片机是一款8位的CPU，属于MCS-51单芯片的一种。AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节

6、内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51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的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。其结构和引脚排列如图4-1、图4-2所示：图4-1AT89C51图4-2 AT89C51的引脚排列4.1.1 AT89C51功能介绍：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收

7、8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被

8、写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的

9、缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（计时器0外部输入）P3.5 T1（计时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输

10、入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（

11、0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.1.2晶振电路单片机是一种时序电路，必须供给脉冲信号才能正常工作，所以在XTAL1 XTAL2引脚接入一个振荡电路，电路如图4-3所示：图4-3 晶振电路4.1.3复位电路单片机系统中需要一个硬件复位电路，用于用户的手动复位，AT89C51是高电平复位有效。最简单的复位电路由一个电阻、一个电解电

12、容、一个按钮形成，电路如图4-4所示：图4-4 复位电路 复位电路的作用：在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态；住段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU兼容性能。4.2 A/D转换电路为了完成A/D转换功能，我选择的是ADC0832转换器,ADC0832 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。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。学习并使用ADC0832 可使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。4.2.1 ADC0832功能介绍：芯片接口说明：CS_片选使能，

13、低电平芯片使能。CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND 芯片参考0 电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。DO 数据信号输出，转换数据输出。CLK 芯片时钟输入。Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通

14、过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。ADC0832如下图所示：图4-5 ADC08324.3 D/A转换电路D/A转换电路我选择的是DAC0808， DAC0808是8位数模转换集成芯片，电流输出，稳定时间为150ns,驱动电压5V,33mW。DAC0808可以直接和TTL,DTL和CMOS逻辑电平相兼容。图4-6 DAC0808芯片图4.3.1 DAC0808功能A1A8:8位并行数据输入端（A1为最高位，A8为最低位）VREF():正向参考电压（需要加电阻）VREF()：负向参考电压，接地IOUT:电流输出端VEE:负电压输入端COMP：compensation（补偿），补偿

15、端，与VEE之间接电容（R14=5k时，（R14为14引脚的外接电阻)，一般为0.1uF，电容必须随着R14的增加而适当增加）GND：接地端，VCC：电源端，在proteus中都已隐藏4.4显示器显示器我选择LM016L，这是字符型液晶显示器，它显示质量高，用数字式接口，体积小，重量轻，功耗低，重点是它编程容易。图4-7 LCD显示器4.4.1LM016L引脚说明VSS:一般接地。VDD:接电源（+5V）。V0：液晶显示器对比调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。RS: RS为寄存器选择，高电平1时选择数据

16、寄存器、低电平0时选择指令寄存器。R/W: R/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作E :E(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。DB0:底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）DB2: 底4位三态、 双向数据总线 2位DB3: 底4位三态、 双向数据总线 3位DB4: 底4位三态、 双向数据总线 4位DB5: 底4位三态、 双向数据总线 5位DB6: 底4位三态、 双向数据总线 6位DB7: 高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flang）BLA: 背光电源正极BLK: 背光 电源负极4.5 总电路图4-8 电路原理仿真5 系

17、统软件设计开5.1 主程序框图初始化LCD初始化A/D转换器A/D转换器传入数据D/A转换器传出数据LCD展示传入数据结束图5-1 主程序框图5.2数据程序框图开接受A/D传入数据数据是否有效 否 是输出到D/ALCD显示结束图5-2数据转换框图开5.3显示程序框图接受A/D数据计算个位数值，送入显示器计算小数点后一位数值，送入显示器计算小数点后两位数，送入显示器结束图5-3 显示程序框图6 总结通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，对于各个芯片的了解不够充分，经过这次课程设计之后，使得自己对于所学的知识进行了一次综合性的整理，通过查阅相关资料，不仅学习了更多

18、的知识，也提高了自己的实践能力。明白了单片机的各种原理及芯片的选择技巧。为未来的学习生活做了铺垫。在做课设过程中，我总结了一下几点：（1）课程设计过程中遇到问题是正常的,我们应积极寻找解决问题的办法，并分析清楚产生问题的原因,以防下次再遇到同样的问题.（2）认真审题，不盲目设计，理解课程设计的方向，做到完成课题又能锻炼自己的能力。 （3）课程设计可分块进行设计，而后再组合到一起完成整个的设计。 （4）自己完成了整个课程设计之后，熟悉了课程设计的过程。课程设计是一个重要的教学环节，通过课程设计使我们了解到一些实际与理论之间的差异。通过课程设计不仅可以巩固专业知识，为以后的工作打下了坚实的基础，而其还可以培养和熟练使用资料，运用工具书的能力，把我们所学的课本知识与实践结