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1、课 程 设 计 报 告学生姓名:邱博学 号：2013307010326学 院:自动化工程学院班 级:自动133题 目:计算机控制系统指导教师：赵波，姜文娟 职称: 副教授 2016年6月27日第 16 页目录1 题目背景与意义12 设计题目介绍12.1 设计要求12.2设计意义13 系统总体框架23.1 系统设计思路23.2 系统框架24 系统硬件设计24.1单片机部分24.1.1单片机引脚介绍34.1.2单片机的最小实现44.2 A/D转换电路54.2.1 芯片选择54.2.2 电路连接54.3 D/A转换电路64.4 模拟信号输入通道84.5 键盘模块94.6 数码管显示电路104.6 报
2、警电路105 系统软件设计125.1主程序框图125.2键盘控制程序框图135.3数据转换程序框图135.4 显示程序框图155 结论16参考文献171 题目背景及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，通过完成一个基于51单片机，A/D和D/A多种资
3、源应用并具有综合功能的小系统的设计及编程应用，使我们不但能够将课堂上学到的理论知识及实际应用结合起来，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。2 设计题目介绍2.1 设计要求 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
4、压/电流信号定为：05V/420mA (020mA)。2.2设计意义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。3 系统总体框架3.1 系统设计思路根据题目要求寻找满足设计要求的芯片，定下具体框架，从题目可知其主要由三部分构成。首先是输入通道由A/D转换装置，其次为单片机部分，第三部分是输出通道即D/A转换装置。除主要部分外为了让装置具有更完善的功能，选用键盘显示报警等。3.2 系统框架 系统框架如图1所示。AT89C51报警模块显示模块A/D转换模块键盘模块D/A转换模块模拟量输出模拟量输入图14 系统硬件设计4.1单片机部分本次课设选取
5、AT89C51为主控制器，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，及工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高并且价廉的方案。4.1.1单片机引脚介绍1、P0口 有三个功能：（1）外部扩充存储器时，当作数据总线（D0-D7）。（2）外部扩充存储器时，当作地址总线（A1
6、-A7）。（3）不扩充时，可做一般I/O口使用，但内部没有上拉电阻，作为输入或输出 时应在外部接上拉电阻。2、P1口 只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。3、P2口 有两个功能：（1）扩充外部存储器时，当作地址总线（A8-A15）使用。（2）做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。4、 P3.0-P3.7统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入输出或第三功能。P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断）P3.3/INT1（外部中断）P3.4T0（TIMER0的外部输入脚）P
7、3.5T1（TIMER1的外部输入脚）P3.6/WR（外部数据存储器的写入控制信号）P3.7/RD（外部数据存储器的读取控制信号）5、EA/VPP（1）接高电平时：a、CPU读取内部程序存储器（ROM）。b、扩充外部ROM：当读取内部程序存储器超过某一值时，自动读取外部ROM。（2）接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。4.1.2单片机的最小实现1）单片机最小系统复位电路的极性电容C2的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。2）51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。3）51单片机最小
8、系统起振电容C1、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。具体电路图如图2所示。图24.2 A/D转换电路4.2.1 芯片选择为了简化电路，这里我们选用ADC0831芯片进行模数转换处理。ADC8031为8位模数转换器，只有6支接脚，具有一组电压输入，透过AD转换成8位元数位值，微控制器读取转换结果，操作非常方便。图34.2.2 电路连接图44.3 D/A转换电路D/A转换电路采用DAC0832进行数模转换。DAC0832是8位D/A转换器，它采用CMOS工艺制作，具有双缓冲器输入结构。其引脚图如图5所示。图51）0832引脚功能DAC0832是20引脚的双列直
9、插式芯片。各引脚的特性如下： CS片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定 是否起作用。 ILE允许锁存信号。 WR1写信号1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时， 必须和 、ILE同时有效）。 WR2写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号 必须有效）。 XFER传输控制信号，用来控制 。 DI7DI08位数据输入端。 IOUT1模拟电流输出端1。当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。 IOUT2模拟电流输出端2。IOUT1+IOUT2=常数。 RFB反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有
10、反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。 VREF参考电压输入端。可接电压范围为10V。外部标准电压通过VREF及T型电阻网络相连。 VCC芯片供电电压端。范围为+5V+15V，最佳工作状态是+15V。 AGND模拟地，即模拟电路接地端。 DGND数字地，即数字电路接地端。2）0832工作方式DAC0832有如下3种工作方式： 单缓冲方式。单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。 双缓冲方式。双缓冲方式是先
11、使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。 直通方式。直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即 /CS，/XFER ，/WR1 ，/WR2 均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口及CPU连接，以匹配CPU及D/A转换。D/A转换电路如图6所示。图64.4 模拟信号输入通道在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号420mA，这里我选取温度测量元件作为传感器，其输出电压经过一系列电路的变化送到ADC0831的输入端，参考电路见图7所示。图74.5
12、 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。 其电路图如图8所示，其中，S1用于增加上限值；S2是用于减小上限值。图84.6 数码管显示电路LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点，故称之为7段发光二极管数码显示器。这里为了简化电路，用单片机对数码管直接进行控制，其电路图如图9所示。图94.6 报警电路在测量值达到上限值时，报警电路启动，电路图如图10。图105 系统软件设计5.1主程序框图整体程序框图如图11所示。开始键盘扫描开中断设置上限值设置初始值结束ADC0831采集信号D
13、AC0832输出信号LED显示图11 主程序框图5.2键盘控制程序框图键盘扫描控制程序框图如图12所示。开始关中断保护现场现场恢复返回查询S1是否按下查询S2是否按下增加上限YYNN减少上限图12 键盘控制程序框图5.3数据转换程序框图数据转换程序框图如图13所示。开始关中断保护现场读取AD转换结果现场恢复返回启动下一次转换大于上限值报警YN图13 数据转换程序框图5.4 显示程序框图显示程序框图如图14所示。开始熄灭所有数码管将百位数送到P0结束开第一位数码管，延时将十位数送到P0开第二位数码管，延时将个位数送到P0开第三位数码管，延时图14 显示程序框图5 结论 经过仿真实验，发现数码管显
14、示的数字及温度传感器上显示的温度一致，并且在温度传感器示数变化的同时，数码管显示的数字也同时变化。按键的作用也基本实现，故可认为本次课设基本完成。仿真结果如下图所示。尽管这次设计的时间是短暂的,但过程是曲折的，对我来说，收获最大的是方法和能力.那些分析和解决问题的方法及能力。在整个过程中，我发现像我们这些学生最最缺少的是经验,没有感性的认识，空有理论知识，有些东西很可能及实际脱节。总体来说，我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进。参考文献1 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): 59-612 姜学军. 计算机控制技术. 清华大学出版社, 20063 李华. MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社.19934 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): 28-295 王义军.数字电子技术基础.北京：中国电力出版社，20076 刘连浩等.单片机原理及嵌入式应用系统设计.湖北：武汉大学出版社，2007