东北电力大学计控课设.doc

1.设计背景与意义1.1设计背景在我们的生产生活中，信号的检测与控制广泛存在，并扮演着很重要的角色。在下述的设计报告中，介绍了一个基于单片机的具有A/D和D/A功能的信号测控装置。该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。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。1.2 设计意义通过设计此测控装置，加深对控制系统理解，将所学的知识灵活穿插并运用起来。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。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的传感器、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)。键盘显示被控对象传感器变送器A/D转换器单片机D/A转换执行器存储器图1系统原理图3.系统总体框架AT89C51显示模块模数转换模块键盘模块声光报警数模转换模块模拟量输出模拟量输入上位机通信图2 系统总体框图4.系统硬件设计4.1 单片机单片机是在在芯片内集成了构成一台计算机的主要器件：CPU、运算器、存储器、I/O口及其他功能部件的一块单晶芯片。因此它的功能很强大，广泛的应用于生产中。4.1.1 单片机的选择以此次设计选用AT89C51单片机作为处理核心。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，内含32根双向且分别可寻址的IO线，128字节RAM，2个16位定时计数器，全双工异步串行口，2个中断优先级，5个中断源，片内有时钟振荡器。4.1.2 AT89C51的功能简介AT89C51单片机的外形结构为40条引脚双排列直插式封装，其引脚排列如下图所示图3 单片机引脚图下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。 1）、主电源引脚VCC和VSS VCC（40脚）接+5V电压； VSS（20脚）接地。 2）、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。 3）、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。 VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（50.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。 ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。 PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。 EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 4）、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。 P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。 作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。 值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 P3各口线的第二功能定义： 口线 引脚 第二功能 P3.0 10 RXD（串行输入口） P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12 INT0（外部中断0） P3.3 13 INT1（外部中断1） P3.4 14 T0（定时器0外部输入） P3.5 15 T1（定时器1外部输入） P3.6 16 WR（外部数据存储器写脉冲） P3.7 17 RD（外部数据存储器读脉冲）4.1.3时钟电路时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。内部时钟方式 AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，图4是AT89C51内部时钟方式的电路。图4 内部时钟电路4.1.4复位电路设计单片机的初始化操作，给复位脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就使AT89C51复位。复位时，PC初始化为0000H，程序从0000H单元开始执行。除系统的正常初始化外，当程序出错（如程序跑飞）或操作错误使系统处于死锁状态时，需按复位键使RST脚为高电平，使AT89C51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动程序。外部时钟和复位电路与单片机的连接如下图所示。 图5 内部时钟和复位电路与单片机的连接4.2 A/D转换器模拟量输入通道的任务是把在工业现场中采集到的模拟量转换成计算机可识别的数字量。模拟量输入通道一般由信号预处理、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、接口和控制电路组成。其核心部分是A/D转换器，如8位的ADC0809，12位的ADC574、ADC674、ADC1674，24位的AD7710等。4.2.1 A/D转换器的选择目前转换器的型号有很多，精度和位数的选择范围很大。对于本次设计，因为有4个被测参数，可选用8路的转换器。位数越多，精度越高，现在普遍使用的是ADC0809，它的性价比很高，而且也能满足该次设计，因此该设计报告选用的是ADC0809。4.2.2 ADC0809功能简介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。它是逐次逼近式的A/D转换器，把输入的模拟量转换为数字量之后输出，可以和单片机直接接口。(1) ADC0809的内部逻辑结构图6 ADC0809内部逻辑结构图 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8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存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。(2) ADC0809的引脚结构图7 ADC0809引脚图各引脚的功能如下：IN0IN7：8条模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量要求电压范围是05V，若信号太小，则必须进行放大； D7D0：8条数字量输出线。数字信号通过它传给单片机。START：转换启动信号。当START上升沿时，所有内部寄存器清零；下降沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC：转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE：输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。该设计中用P1.1口来进行控制。ADDAADDC、ALE：地址输入和控制线。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B、C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进行转换。A、B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。 VREF(+)、VREF(-)：参考电压输入端。VREF可工作在-10+10V范围内。 CLK：时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。因为单片机在非访问外部存储器时，ALE仍以1/6振荡频率固定不变的速率输出，因此该设计中，时钟信号由单片机的ALE端提供。Vcc：电压源输入端。一般用+5V电源供电。GND：接地端。（3） ADC0809的工作方式如下图所示，传感器的输出可以接到ADC0809的IN0IN7。ADC0809的通道选择地址A，B，C分别由89C51的P00P02经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。图中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。例如，输出地址7FF8H可选通通道IN0，实现对传感器输出的模拟量进行转换；输出地址7FF9H可选通通道IN1，实现模拟量的转换。图中ADC0809的转换结束状态信号EOC接到80C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。4.2.3 ADC0809 与单片机的连接图8 ADC0809与单片机连接4.2.4触发器由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51单片机提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器74LS74二分频后获得，ALE引脚的频率是AT89C51时钟频率的1/6。. 如果单片机的时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，在二分频后为500KHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。74LS74内含两个独立的D上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（）复位输入（）、时钟输入（CP）和数据输出（Q）。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。引脚图如下：图9 74LS74引脚图4.2.5或非门74LS28在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC0809的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7引脚经或非门后产生的正脉冲作为OE信号，用来打开三态输出锁存器。或非门的逻辑功能是：输入全为0，输出才为1；只要有一个输入为1，输出就为0。图10 或非门逻辑符号4.2.6锁存器受引脚数的限制，P0口兼用数据线和低8位地址线，为了将它们分离出来，需在单片机外部增加地址锁存器。目前，常用的地址锁存器芯片有74LS373、74LS573等。我选用74LS373,其引脚图如下： 图11 74LS373引脚图引脚说明：D7D0：8位数据输入线，Q7Q0：8位数据输出线。G：数据输入锁存选通信号。当加到该引脚的信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。 OE：数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。当该信号为高电平时，输出线为高阻态。4.3 D/A转换器D/A转换器由串并行两种，在测控系统中，常对转换速度有一定要求，主要采用并行D/A转换器。D/A转换器时将离散的数字量转换为连续变化的模拟量电压或电流。4.3.1 D/A转换器的选择由于之前的A/D转换器选用的是8位的，因此D/A转换器也应选择8位的。从性价比、转换精度等各方面比较，该设计选用的转换器是DAC0832。4.3.2 DAC0832功能简介DAC0832是采用先进的CMOS工艺制成的8位D/A转换器，可直接与主机相连接，将主机出来的数字量信号转换成模拟量后输出。(1) DAC0832的内部逻辑结构图12 DAC0832内部逻辑结构图由上图可知，DAC0832是由输入数据寄存器、DAC寄存器、和D/A转换器等组成的。它的主要特点是内部设有两个独立的8位寄存器，因而具有双缓冲器功能，能将转换的数据寄存在DAC寄存器中供D/A转换器进行转换的同时，又可以接受新的转换数据装入输入寄存器。(3) DAC0832的引脚结构图13 DAC0832的引脚图各引脚的功能如下：DI0DI7：数据输入线。需要进行数模转换的量由此输入。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，低电平有效。 WR1：输入寄存器的写选通信号。 XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 WR2：DAC寄存器写选通输入线。 Iout1、Iout2:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。 Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻。一般为20KVcc:电源输入线。一般为+5V Vref:基准电压输入线。一般为-10+10VAGND:模拟接地。DGND:数字接地。4.3.3 DAC0832的工作方式根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。应用系统中，在只有一路模拟量输出或几路模拟量不需要同时输出的场合，应采用单缓冲方式。这种方式下，将两级寄存器的控制信号并接。输入数据在控制信号作用下直接进入8位DAC寄存器中并进入8位DA转换器进行DA转换。ILE接+5V，片选信号连到地址线P2.4。这样输入寄存器和DAC寄存器的地址都是2FFFH。“写”选通线WR1与8051的“写”信号线连接。DAC0832与单片机连接如下图所示 ： 图14 DAC与单片机连接电路4.4 I/O接口的扩展AT89C51有4个I/O口P0P3，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。因此，大多需要外部I/O接口的扩展。常用的外围I/O接口芯片82C55，可编程通用并行接口。由于Proteus里没有82C55所以选用8255A。引脚图如下：图15 8255A 引脚图1主要引脚说明：D7D0：三态双向数据线，与单片机的P0口连接，用来与单片机之间传送数据信息。CS ：片选信号线，低有效，表示本芯片被选中。 RD ：读信号线，低有效，读82C55端口数据的控制信号。WR ：写信号线，低电平有效，用来向82C55写入端口数据的控制信号。VCC：+5V电源。PA7PA0：端口A输入/输出线。PB7PB0：端口B输入/输出线。PC7PC0：端口C输入/输出线。A1、A0：地址线，用来选择82C55内部的4个端口。RESET：复位引脚，高电平有效PA口：一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入锁存器。PB口：一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入缓冲器。PC口：一个8位的输出锁存器；一个8位数据输入缓冲器。4.5 键盘键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。一般单片机系统中采和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统.4.5.1 键盘的选择常用的键盘有独立式和矩阵式。独立式键盘的每个按键单独占有一根I/O接口引线，输入每根I/O接口引线的信号对应某个数据。矩阵式键盘能节省I/O口，但连线更复杂。我采用独立式键盘。4.5.2键盘被按下的判断只有在键盘有键按下时，才执行键盘扫描程序并执行该按键功能程序，如果无键按下，单片机将不予理睬键盘。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P3.0-P3.4口控制。其中，S1是用于进入键盘调节模式和退出键盘调节模式；S2是用于增加上限值；S3用于减小上限值；S4用于增加下限值；S5用于减小下限值4.5.3 键盘与单片机的连接 图16 键盘与单片机连接电路4.6显示装置目前常用的显示器液晶显示器(LCD显示)和数码管显示器(LED显示)，其中LCD接线方便，但是价格贵；LED显示器接线相对复杂，但价格便宜；在本次设计中，综合各方因素，采用的是数码管显示(LED)。由于数码管显示需要译码器驱动，我们此处采用三个74ls48来驱动显示器。4.6.1 74LS48功能简介74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，在本电路中，我使用它驱动七段数码管记性数字显示。而74LS48是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和计数等功能。具体如下：74LS48输出端（YAYG）为高电平有效，可驱动共阴极LED。图17 74LS48引脚图4.6.2数码管简介 数码管一般为7段或8段，该设计会由小数显示，因此采用8段数码管，即ag和dp。LED的接法有两种：共阴极和共阳极。由于显示译码器的位选线段需从共阴极数码管的公共端吸入电流，因此，该设计中选用共阴极接法。其引脚如下图所示：图18 数码管引脚图4.6.3数码管连接部分整体电路图图19 数码管连接电路图4.7报警指示灯电路 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。正常工作时绿灯亮。电路图如下图所示： 图20 报警电路4.8上位机通讯上位机通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且也能实现电脑对单片机的控制。比如你可以把写入单片机的数据码显示在电脑上，如可使用一个按键当按下它时通过单片机的串口将它发送到电脑上显示，起到仿真器的功效。4.8.1上位机通信的实现原理在测控系统中，由于单片机的数据存储容量和数据处理能力都较低，所以一般情况下单片机通过串行口与PC机的串行口相连，把采集到的数据传送到PC机上，再在PC机上进行数据处理。由于单片机的输入输出是TTL电平，而PC机配置的都是RS-232标准串行接口，为9针“D”型连接器（插座）。由于两者的电平不匹配，必须对单片机输出的TTL电平转换为RS-232电平。通过MAX232实现。单片机与PC机的接口方案如图所示。图21 单片机与PC机的接口方案4.8.2上位机通信实现电路 图22 上位机通信实现电路 5.系统总体流程图开始设置初始值为正常工作红灯灭绿灯亮设置上下限初始值值数据采集A/D转换低于设定值下限高于设定值上限送正常信号报警处理报警处理单片机处理是否有键按下？YYD/A转换返回NYNN心得体会经过两周的努力,我终于将计控课程设计做完了。回顾起此次单片机课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在这次作业过程中,我遇到了许多困难,但在老师，同学的帮助和我的努力下，我顺利的完成了设计。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：单片机原理、模拟和数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。以后要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。参考文献1 姜学军. 计算机控制技术. 清华大学出版社, 20062 郝晓松, 彭天好, 刘佳东等. 基于单片机的变转速液压测控系统的研究. 矿山机械, 2010，(6): 22-263 高峰，崔金宝，曲建岭. 基于80C198单片机的压力模糊测控系统. 仪表技术， 2004，(1): 28-294 冯显英, 葛荣雨. 基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度测控系统. 自动化仪表, 2006, 27(1): 59-61目 录1.设计背景与意义11.1设计背景11.2 设计意义12.设计题目介绍13.系统总体框架24.系统硬件设计24.1 单片机24.1.1 单片机的选择24.1.2 AT89C51的功能简介34.1.3时钟电路54.1.4复位电路设计54.2A/D转换器64.2.1 A/D转换器的选择64.2.2 ADC0809功能简介64.2.3 ADC0809 与单片机的连接94.2.4触发器94.2.5或非门74LS28104.2.6锁存器114.3 D/A转换器114.3.1 D/A转换器的选择114.3.2DAC0832功能简介124.4 I/O接口的扩展144.5键盘154.5.1 键盘的选择154.5.2键盘被按下的判断154.5.3 键盘与单片机的连接154.6显示装置164.6.1 74LS48功能简介164.6.2数码管简介164.6.3数码管连接部分整体电路图174.7报警指示灯电路174.8上位机通讯184.8.1上位机通信的实现原理184.8.2上位机通信实现电路185.系统总体流程图19心得体会20参考文献21