计算机控制系统课程设计

目 录1.题目背景与意义22 设计题目介绍22.1基本要求22.2发挥部分23 系统总体框架34 系统硬件设计34.1单片机最小系统设计34.1.1 AT89C52的主要工作特性34.1.2管脚说明44.1.3 AT89C51的最小电路54.2 A/D转换器设计64.2.1内部结构6 4.2.2引脚功能64.2.3 ADC0808与单片机连接的电路设计74.3 D/A转换器设计74.3.1 DAC0830的主要工作特性7 4.3.2引脚功能84.3.3DAC0830与单片机连接的电路设计84.4显示装置94.4.1 LM032L的管脚功能94.4.2显示器与8031电路的连接设计104.5 外部键盘114.6声光报警电路114.7上位机通讯114.7.1设计原理124.7.2 上位机通信的的实现124.8基于AT98C51单片机的总系统仿真图135.系统软件设计146.结论14参考文献：141.题目背景与意义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。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/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。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/420mA (020mA2.1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。2.2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1总体框图4 系统硬件设计4.1单片机最小系统设计 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。4.1.1 AT89C52的主要工作特性与MCS-51 兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路4.1.2管脚说明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（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4.1.3 AT89C51的最小电路图2 AT89C51最小电路图4.2 A/D转换器设计ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。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。4.2.1内部结构ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有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。图3 ADC0808内部结构 图4 ADC0808引脚结构图 4.2.2引脚功能ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图4所示。各引脚功能如下：15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6（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）。7（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）。9（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。10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端11（Vcc）：主电源输入端。13（GND）：地。2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。4.2.3 ADC0808与单片机连接的电路设计ADC0808通过中断方式与AT89C51单片机的硬件接口电路如图5所示（为了提高单片机CPU的利用率一般采用中断法）图5 ADC0808中断方式AT89C51单片机的硬件接口电路4.3 D/A转换器设计 DAC0830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。4.3.1 DAC0830的主要工作特性分辨率为8位； 电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V+15V）；低功耗，20mW。 4.3.2引脚功能D10D17：8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。图6 DAC0830引脚4.3.3DAC0830与单片机连接的电路设计DAC0830与单片机连接如图7所示图7DAC0830与单片机连接的电路4.4显示装置由于LCD液晶显示器具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等诸多其他显示器无法比拟的优点，已广泛应用于各种智能型仪表和低功耗电子产品中。4.4.1 LM032L的管脚功能1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样图8 LM032L 管脚图引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端，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）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/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。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）表1 LM03L 管脚表4.4.2显示器与8031电路的连接设计图9 显示器连线图4.5 外部键盘 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。这里我使用独立式键盘电路，独立键盘:编程简单。所用键盘是一种常开型按钮开关，常态时，键盘的两个触点处于断开状态；按下时，两个触点闭合。通过按键在常态与被按下时的通断，操作人员就可以通过键盘向微控制系统输入数据或者控制命令等，从而实现简单的人机通信。图10 连接原理图 图11 实际连接图其中，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。4.6声光报警电路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，红灯亮起。其电路图如图12所示。图12 声光报警电路图4.7上位机通讯MCS-51单片机有一个可编程的串行接口，它是一个全双工的通信端口，可以同时接收和发送数据。串行通信接口的优点在于使用较少的传输线即可完成数据的传输。4.7.1设计原理RS-232C是异步通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终端设备和数据通信设备之间的串行接口标准。目前，PC机都配有标准的RS-232接口，RS-232标准规定了25针连接器，但在实际应用中并不一定用到RS-232的全部信号线，所以，PC机配置的都是9针“D”型连接器。下图为RS-232的“D”型9针插头的引脚定义。图13 “D”型9针插头引脚定义9个引脚的功能见表2引脚号符号方向功能1DCD输入数据载体检测2TXD输出发送数据3RXD输入接收数据4DTR输出数据终端准备好5GND信号地6DSR输入数据通信设备准备好7RTS输出请求发送8CTS输入清除发送9RI输入振铃指示表2 9针MAX-232接口引脚图4.7.2 上位机通信的的实现这里我使用MAX232实现TTL/RS-232之间的电平转换，图13是MAX232与0832和CONN-D9F的连接电路图14 通过MAX232连接0830与CONN-D9F4.8基于AT98C51单片机的总系统仿真图5.系统软件设计详细请见AI图纸6.结论通过这次设计，我加深了对计算机控制系统这门课的了解，在查资料的过程中了解了各种芯片的作用和特点，尤其是对单片机的了解，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。在设计的过程中我们克服了各种困难，了解了科研的艰辛，也培养了我们查阅资料自学的能力，使我们的学习能力和适应能力得到了提高参考文献：1 姜学军. 计算机控制技术. 清华大学出版社, 20062 陈永禄，张莉. 基于单片机的温度控制系统设计与实现.现代电子技术，2015，38（2）：73-763 陈振伟. 基于单片机的温度控制系统的研究与实现.长沙大学学报，2015，29（2）：54-564张玲丽. 基于单片机的LCD 数字电流表的设计与实现.微型机与应用，2015，34（5）:32-345黄于欣，杜远坤.基于AT89S51单片机的瓦斯检测报警装置设计.煤矿机械，2015，36（2）：42-43课 程 设 计 报 告学生姓名:于浩涵学 号：201230701032学 院:自动化工程学院班 级:自动 123 班题 目:计算机控制系统指导教师：王秋平 姜文娟 职称: 副教授 讲师 2015年7月2日