东北电力大学自动化计算机控制系统课程设计.doc

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1 题目背景与意义 3
2 设计题目介绍 3
2.1设计目的 3
2.2设计意义 3
3 系统总体框架 4
4 系统硬件设计 4
4。1单片机选型 4
4。1.1 80C51功能介绍： 5
4。1。2晶振电路 5
4。1。3复位电路 5
4。2 A/D转换电路 6
4。2。1 ADC0809功能介绍： 7
4。2。2 A/D转换电路图 7
4。3 D/A转换电路 8
4。3。1 DAC0832功能 8
4.3.2 D/A转换电路图 9
4.4 稳压电源 9
4.5调理电路 10
4.6 报警指示灯电路 10
4。7 键盘、显示控制电路 11
4。7。1键盘电路 11
4。7。2 74LS138 11
4.7。3 74LS47 12
4。7.4显示电路 13
5 系统软件设计 14
5。1 主程序框图 14
5。2数据程序框图 15
5。3 键盘程序框图 16
5。4显示程序框图 17
6 总结 18
参考资料 18
附录 总体设计电路原理图 19
1 题目背景与意义
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/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设计目的
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/电流信号定为：0～5V/4~20mA (0～20mA)
2.2设计意义
通过设计此信号测控装置，加深对控制系统的理解，全面掌握所学的知识并灵活运用起来。
3 系统总体框架

8051
稳压电源
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

图1 系统总体框架图
4 系统硬件设计
4。1单片机选型
由于80C51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80C51单片机作为处理核心。其结构如图2所示：
图2 80C51结构
4.1。1 80C51功能介绍：
Vss(20脚)：接地
VCC(40脚）： 主电源+5V
XTAL1（19脚）：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。对于CHMOS单片机,此引脚作为驱动端。
XTAL2(18脚): 接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。对于CHMOS单片机,此引脚应悬浮.
RST（9脚）: 单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态,在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）
PSEN(29脚): 外ROM读选通信号
ALE/PROG（30脚）: 地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
EA/VPP（31脚）： 当EA端输入高电平时,CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序.当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。
输入/输出引脚:
（1）P0。0-P0.7    (39脚—32脚） 作为数据总线
（2）P1。0—P1。7   （1脚—8脚)
（3）P2。0—P2。7   (26脚—21脚)
(4)P3。0—P3.7   (10脚-17脚）具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号，属控制总线。
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3所示:
图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,80C51是高电平复位有效.最简单的复位电路由一个电阻、一个电解电容、一个按钮形成，电路如图4所示：
图4 复位电路
图 5 8051单片机最小系统
4。2 A/D转换电路
为了完成A/D转换功能，我选择的是A/D0809转换器,它具有易于和微处理器接口或独立使用，可满量程工作，可用地址逻辑多路器选通各输入通道,单5V供电,输入范围为0～5V，输入和输出与TTL、CMOS电平兼容等优点。
ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片，可以和单片机直接接口，由一个8路模拟量通道选择开关、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。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。
4。2.1 ADC0809功能介绍:
图6 ADC0809芯片图
D7—D0:8 位数字量输出引脚.
IN0-IN7：8 位模拟量输入引脚。
VCC：+5V 工作电压。
GND:地.
REF（+）:参考电压正端。
REF（—）:参考电压负端。
START：A/D 转换启动信号输入端。
ALE:地址锁存允许信号输入端。
（以上两种信号用于启动A/D 转换）。
EOC:转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平.
OE:输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK:时钟信号输入端(一般为500KHz）。
4.2.2 A/D转换电路图
图7 A/D转换电路
4.3 D/A转换电路
D/A转换电路我选择的是DAC0832，它具有与微处理器完全兼容，价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点。DAC0832是8位D/A转换器，它采用CMOS工艺制作，内部有两个寄存器，而这两个寄存器的控制信号有五个，输入寄存器由ILE、CS、WR1控制，DAC寄存器由WR2、Xref控制，用软件指令控制这五个控制端可实现三种工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式.
直通方式是将两个寄存器的五个控制端预先置为有效,两个寄存器都开通只要有数字信号输入就立即进入D/A转换。
单缓冲方式使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式,另一个处于受控方式，可以将WR2和Xfer相连在接到地上，并把WR1接到89C51的WR上，ILE接高电平，CS接高位地址或地址译码的输出端上.
双缓冲方式把DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器都接成受控方式，这种方式可用于多路模拟量要求同时输出的情况下.
三种工作方式区别是：直通方式不需要选通，直接D/A转换;单缓冲方式一次选通；双缓冲方式二次选通.
4.3。1 DAC0832功能
图8 DAC0832芯片图
D0~D7：8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
4。3.2 D/A转换电路图
图9 D/A转换电路
4。4 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.
图10 稳压电源电路
4。5调理电路
在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号4~20mA，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。电路见图11所示。
图11 调理电路
4.6 报警指示灯电路
当系统正常运行时，绿灯亮。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 报警电路
4。7 键盘、显示控制电路
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。以80C51为核心，配合REPACK—8、74LS138、74LS47的协同工作来完成键盘控制电路的设计,目的是当按下一个键时，数码管上要显示相应的数字.4x4按键接口电路的设计是要读取每一个按键的值，通过按键控制外围电路的工作,设定初始值和设定值。
4。7.1键盘电路
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13 键盘控制电路
4。7。2 74LS138
图14 74LS138结构
（1)功能介绍
74LS138是用TTL与非门组成的3线—8线译码器，其工作原理如下:当一个选通端(G1）为高电平，另两个选通端(/（G2A）和/(G2B））为低电平时，可将地址端（A、B、C)的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。
4.7.3 74LS47
图15 74LS47结构
（1） 功能介绍
74LS47即为一译码器，译码为编码的逆过程.它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来.实现译码的逻辑电路成为译码器.译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用.
表1 真值表
LT：试灯输入,是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的.当LT=0时，无论输入A3 ,A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。
BI：灭灯输入,是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI=0时.不论LT和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭.
RBI:灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的.当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0,但是在RBI=0作用下，使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样,将0熄灭。
RBO：灭零输出，它和灭灯输入BI共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。
4.7。4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.为了简化电路、降低成本,采用八位数码管，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位的I/O口控制.结构如图16所示：
图16 数码管结构
（1)数码管功能介绍:
由于所有8位段选线皆由一个I/O口控制，因此,在每一瞬间，8位数码管会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED,即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码，而每位选择控制I/O口在该显示位送入选通电平,以保证该位显示相的字符。如此轮流，是每位分时显示该位该显示字符。
图17 LED显示电路
5 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18 主程序框图
5。2数据程序框图
开始

关中断保护现场
读取A/D转换的结果
现场恢复返回
结果是否大于上限
结果是否小于下限
调用显示子程序
报警
调用显示子程序
启动下一次转换
Y
Y
N
N

图19 数据转换框图
5.3 键盘程序框图
图20 键盘程序框图
5.4显示程序框图
图21 显示程序框图
6 总结
面对课程设计，觉得自己的专业知识掌握的不够全面，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，不仅学习了更多的知识，也提高了自己的实践能力。通过本次课程设计,我总结了以下几点：
（1）在开始课程设计之前，要对所选择的芯片内部结构有一个系统的了解，知道芯片内有哪些资源，各个引脚的功能是什么。
（2）在进行课程设计时,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.
（3)在课程设计过程中遇到问题是正常的,我们应该积极寻找解决问题的办法，并分析清楚产生问题的原因，以免下次再碰到同样的问题.
(4）认真审题，不能盲目设计，要理解课程设计的方向，做到能把课题完成又能锻炼自己的能力.
（5）课程设计可以分块进行设计，之后再组合到一起完成整个的设计.
(6）自己完成了整个课程设计之后，不仅熟悉了课程设计的过程，更系统的锻炼了自己。
附录 总体设计电路原理图
图22 总电路图