計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告

1、課 程 設(shè) 計 報 告學(xué)生姓名:邱博學(xué) 號：2013307010326學(xué) 院:自動化工程學(xué)院班 級:自動133題 目:計算機控制系統(tǒng)指導(dǎo)教師：趙波，姜文娟 職稱: 副教授 2016年6月27日18目錄1 題目背景與意義12 設(shè)計題目介紹12.1 設(shè)計要求12.2設(shè)計意義13 系統(tǒng)總體框架23.1 系統(tǒng)設(shè)計思路23.2 系統(tǒng)框架24 系統(tǒng)硬件設(shè)計24.1單片機部分24.1.1單片機引腳介紹34.1.2單片機的最小實現(xiàn)44.2 a/d轉(zhuǎn)換電路54.2.1 芯片選擇54.2.2 電路連接54.3 d/a轉(zhuǎn)換電路64.4 模擬信號輸入通道84.5 鍵盤模塊94.6 數(shù)碼管顯示電路104.6 報警電路1

2、05 系統(tǒng)軟件設(shè)計125.1主程序框圖125.2鍵盤控制程序框圖135.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序框圖135.4 顯示程序框圖155 結(jié)論16參考文獻171 題目背景與意義在自動控制系統(tǒng)的實際工程中，經(jīng)常需要檢測被測對象的一些物理參數(shù)，如溫度、流量、壓力、速度等，這些參數(shù)都是模擬信號的形式。它們要由傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器變換成計算機能夠處理的信號。同樣，計算機控制外設(shè)，如電動調(diào)節(jié)閥、模擬調(diào)速系統(tǒng)時，就需要將計算機輸出的數(shù)字信號經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換器變換成外設(shè)能接受的模擬信號。 本次計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計的目的就是讓同學(xué)們在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過完成一個基于51單片機，a/d和d/a多種資源應(yīng)用并

3、具有綜合功能的小系統(tǒng)的設(shè)計與編程應(yīng)用，使我們不但能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合起來，而且能夠?qū)﹄娮与娐贰㈦娮釉骷?、等方面的知識進一步加深認(rèn)識，同時在系統(tǒng)設(shè)計、軟件編程、相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。幫助同學(xué)們增進對單片機的感性認(rèn)識，加深對單片機理論方面的理解，從而更好的掌握單片機的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用以及a/d和d/a功能的實現(xiàn)。2 設(shè)計題目介紹2.1 設(shè)計要求 設(shè)計一個基于單片機的具有a/d和d/a功能的信號測控裝置。要求該信號測控裝置能夠接入典型傳感器、變送器信號，同時可輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號，并滿足抗干擾、通用性、安全性、性價比等原則性要求。標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流

4、信號定為：05v/420ma (020ma)。2.2設(shè)計意義了解和掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程、方法及實現(xiàn)，為以后設(shè)計和實現(xiàn)單片機應(yīng)用系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。3 系統(tǒng)總體框架3.1 系統(tǒng)設(shè)計思路根據(jù)題目要求尋找滿足設(shè)計要求的芯片，定下具體框架，從題目可知其主要由三部分構(gòu)成。首先是輸入通道由a/d轉(zhuǎn)換裝置，其次為單片機部分，第三部分是輸出通道即d/a轉(zhuǎn)換裝置。除主要部分外為了讓裝置具有更完善的功能，選用鍵盤顯示報警等。3.2 系統(tǒng)框架 系統(tǒng)框架如圖1所示。at89c51報警模塊顯示模塊a/d轉(zhuǎn)換模塊鍵盤模塊d/a轉(zhuǎn)換模塊模擬量輸出模擬量輸入圖14 系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1單片機部分本次課設(shè)選取at89

5、c51為主控制器，at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。at89c51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高并且價廉的方案。4.1.1單片機引腳介紹1、p0口 有三個功能：（1）外部擴充存儲器時，當(dāng)作數(shù)據(jù)總線（d0-d7）。（2）外部擴充存儲器時，當(dāng)作地址總線（a1-a7）

6、。（3）不擴充時，可做一般i/o口使用，但內(nèi)部沒有上拉電阻，作為輸入或輸出 時應(yīng)在外部接上拉電阻。2、p1口 只做i/o口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。3、p2口 有兩個功能：（1）擴充外部存儲器時，當(dāng)作地址總線（a8-a15）使用。（2）做一般i/o口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。4、 p3.0-p3.7統(tǒng)稱為p3口。除作為準(zhǔn)雙向i/o口使用外，還可以將每一位用于第二功能，而且p3口的每一條引腳均可以獨立定義為第一功能的輸入輸出或第三功能。p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2/int0（外部中斷）p3.3/int1（外部中斷）p3.4t0（timer0的外部輸入腳）p3.5t

7、1（timer1的外部輸入腳）p3.6/wr（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入控制信號）p3.7/rd（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取控制信號）5、ea/vpp（1）接高電平時：a、cpu讀取內(nèi)部程序存儲器（rom）。b、擴充外部rom：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲器超過某一值時，自動讀取外部rom。（2）接低電平時：cpu讀取外部程序存儲器（rom）。4.1.2單片機的最小實現(xiàn)1）單片機最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容c2的大小直接影響單片機的復(fù)位時間，一般采用1030uf，51單片機最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時間越短。2）51單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。3）51單片機最小系統(tǒng)起振

8、電容c1、c3一般采用1533pf，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好。具體電路圖如圖2所示。圖24.2 a/d轉(zhuǎn)換電路4.2.1 芯片選擇為了簡化電路，這里我們選用adc0831芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。adc8031為8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，只有6支接腳，具有一組電壓輸入，透過ad轉(zhuǎn)換成8位元數(shù)位值，微控制器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，操作非常方便。圖34.2.2 電路連接圖44.3 d/a轉(zhuǎn)換電路d/a轉(zhuǎn)換電路采用dac0832進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。dac0832是8位d/a轉(zhuǎn)換器，它采用cmos工藝制作，具有雙緩沖器輸入結(jié)構(gòu)。其引腳圖如圖5所示。圖51）0832引腳功能dac0832是20引腳的雙列直插式芯片

9、。各引腳的特性如下： cs片選信號，和允許鎖存信號ile組合來決定 是否起作用。 ile允許鎖存信號。 wr1寫信號1，作為第一級鎖存信號，將輸入資料鎖存到輸入寄存器（此時， 必須和 、ile同時有效）。 wr2寫信號2，將鎖存在輸入寄存器中的資料送到dac寄存器中進行鎖存（此時，傳輸控制信號 必須有效）。 xfer傳輸控制信號，用來控制 。 di7di08位數(shù)據(jù)輸入端。 iout1模擬電流輸出端1。當(dāng)dac寄存器中全為1時，輸出電流最大，當(dāng)dac寄存器中全為0時，輸出電流為0。 iout2模擬電流輸出端2。iout1+iout2=常數(shù)。 rfb反饋電阻引出端。dac0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻

10、，所以，rfb端可以直接接到外部運算放大器的輸出端。相當(dāng)于將反饋電阻接在運算放大器的輸入端和輸出端之間。 vref參考電壓輸入端。可接電壓范圍為10v。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過vref與t型電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 vcc芯片供電電壓端。范圍為+5v+15v，最佳工作狀態(tài)是+15v。 agnd模擬地，即模擬電路接地端。 dgnd數(shù)字地，即數(shù)字電路接地端。2）0832工作方式dac0832有如下3種工作方式： 單緩沖方式。單緩沖方式是控制輸入寄存器和dac寄存器同時接收資料，或者只用輸入寄存器而把dac寄存器接成直通方式。此方式適用只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。 雙緩沖方式。雙緩沖方式是先使輸入寄

11、存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到dac寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個d/a轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。 直通方式。直通方式是資料不經(jīng)兩級鎖存器鎖存，即 /cs，/xfer ，/wr1 ，/wr2 均接地，ile接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路和不帶微機的控制系統(tǒng)，不過在使用時，必須通過另加i/o接口與cpu連接，以匹配cpu與d/a轉(zhuǎn)換。d/a轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。圖64.4 模擬信號輸入通道在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號420ma，這里我選取溫度測量元件作為傳感器，其輸出電壓經(jīng)過一系列電路的變化送到adc0831的輸入端，參考電路見圖7所示。圖74.5 鍵盤模

12、塊加入鍵盤是為了便于人機互動，方便工作人員即時調(diào)整工況。 其電路圖如圖8所示，其中，s1用于增加上限值；s2是用于減小上限值。圖84.6 數(shù)碼管顯示電路led數(shù)碼顯示器是一種由led發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個led發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點，故稱之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。這里為了簡化電路，用單片機對數(shù)碼管直接進行控制，其電路圖如圖9所示。圖94.6 報警電路在測量值達到上限值時，報警電路啟動，電路圖如圖10。圖105 系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1主程序框圖整體程序框圖如圖11所示。開始鍵盤掃描開中斷設(shè)置上限值設(shè)置初始值結(jié)束adc0831采集信號dac08

13、32輸出信號led顯示圖11 主程序框圖5.2鍵盤控制程序框圖鍵盤掃描控制程序框圖如圖12所示。開始關(guān)中斷保護現(xiàn)場現(xiàn)場恢復(fù)返回查詢s1是否按下查詢s2是否按下增加上限yynn減少上限圖12 鍵盤控制程序框圖5.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序框圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序框圖如圖13所示。開始關(guān)中斷保護現(xiàn)場讀取ad轉(zhuǎn)換結(jié)果現(xiàn)場恢復(fù)返回啟動下一次轉(zhuǎn)換大于上限值報警yn圖13 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序框圖5.4 顯示程序框圖顯示程序框圖如圖14所示。開始熄滅所有數(shù)碼管將百位數(shù)送到p0結(jié)束開第一位數(shù)碼管，延時將十位數(shù)送到p0開第二位數(shù)碼管，延時將個位數(shù)送到p0開第三位數(shù)碼管，延時圖14 顯示程序框圖.5 結(jié)論 經(jīng)過仿真實驗，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的數(shù)字與溫度傳感器上顯示的溫度一致，并且在溫度傳感器示數(shù)變化的同時，數(shù)碼管顯示的數(shù)字也同時變化。按鍵的作用也基本實現(xiàn)，故可認(rèn)為本次課設(shè)基本完成。仿真結(jié)果如下圖所示。盡管這次設(shè)計的時間是短暫的,但過程是曲折的，對我來說，收獲最大的是方法和能力.那些分析和解決問題的方法與能力。在整個過程中，我發(fā)現(xiàn)像我們這些學(xué)生最最缺少的是經(jīng)驗,沒有感性的認(rèn)識，空有理論知識，有些東西很可能與實際脫節(jié)。總體來說，我覺得做這種類型的作業(yè)對我們的幫助還是很大的，它需要我們將學(xué)過的相關(guān)知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來，從中暴露出自身的不足，以待改進。參考文獻1 馮顯英, 葛榮雨. 基于數(shù)字溫濕度傳感器sht11的溫濕度測控系統(tǒng). 自動