東北電力大學(xué)自動化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、目錄目錄21 題目背景與意義32 設(shè)計(jì)題目介紹32.1設(shè)計(jì)目的32.2設(shè)計(jì)意義33 系統(tǒng)總體框架44 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)44.1單片機(jī)選型44.1.1 80C51功能介紹：5晶振電路5復(fù)位電路54.2 A/D轉(zhuǎn)換電路64.2.1 ADC0809功能介紹：74.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖74.3 D/A轉(zhuǎn)換電路84.3.1 DAC0832功能84.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路圖94.4 穩(wěn)壓電源94.5調(diào)理電路104.6 報警指示燈電路104.7 鍵盤、顯示控制電路11鍵盤電路114.7.2 74LS138114.7.3 74LS4712顯示電路135 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)145.1 主程序框圖145.2數(shù)據(jù)程序框圖

2、155.3 鍵盤程序框圖165.4顯示程序框圖176 總結(jié)18參考資料18附錄總體設(shè)計(jì)電路原理圖191 題目背景與意義在自動控制系統(tǒng)的實(shí)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(jì)算機(jī)能夠處理的信號。同樣，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的目的就是讓同學(xué)們在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過完成一個涉及MCS-51單片機(jī)A/D和D/A多種資源應(yīng)用并具有綜合功能的小系統(tǒng)目標(biāo)板的設(shè)計(jì)與編

3、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(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，而且能夠?qū)﹄娮与娐?、電子元器件、等方面的知識進(jìn)一步加深認(rèn)識，同時在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(jìn)對單片機(jī)的感性認(rèn)識，加深對單片機(jī)理論方面的理解，從而更好的掌握單片機(jī)的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用以及A/D和D/A功能的實(shí)現(xiàn)。使學(xué)生了解和掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過程、方法及實(shí)現(xiàn)，為以后設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。2 設(shè)計(jì)題目介紹2.1設(shè)計(jì)目的 設(shè)計(jì)一個基于單片機(jī)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

4、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/電流信號定為：05V/420mA (020mA)2.2設(shè)計(jì)意義 通過設(shè)計(jì)此信號測控裝置，加深對控制系統(tǒng)的理解，全面掌握所學(xué)的知識并靈活運(yùn)用起來。3 系統(tǒng)總體框架8051穩(wěn)壓電源顯示模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊鍵盤模塊聲光報警數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊模擬量輸出模擬量輸入圖1 系統(tǒng)總體框架圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)選型 由于80C51單片機(jī)采用的是CHMOS工藝，高速度、高密度、低功耗，具有價格便宜、易上手、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且滿足我所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求的條件，所以此次設(shè)計(jì)選用80C51單片機(jī)作為處理核心。其結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖2 80C51結(jié)

5、構(gòu)4.1.1 80C51功能介紹：Vss(20腳):接地VCC（40腳）: 主電源+5VXTAL1（19腳）:接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。對于CHMOS單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動端。XTAL2（18腳）: 接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。對于CHMOS單片機(jī)，此引腳應(yīng)懸浮。RST（9腳）: 單片機(jī)剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨機(jī)狀態(tài)，在該腳輸入24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RESET）PSEN（29腳）: 外ROM讀選通信號ALE/PROG（30腳）: 地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖E

6、A/VPP（31腳）: 當(dāng)EA端輸入高電平時，CPU從片內(nèi)程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦?KB時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當(dāng)EA輸入低電平時，CPU僅訪問片外程序存儲器。輸入/輸出引腳：（1）P0.0P0.7    (39腳32腳) 作為數(shù)據(jù)總線（2）P1.0P1.7   （1腳8腳）（3）P2.0P2.7   （26腳21腳）（4）P3.0P3.7   （10腳17腳）具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號，屬控制總線。晶振電路單片機(jī)是一種時序電路，必須供給脈沖信號才

7、能正常工作，所以在XTAL1 XTAL2引腳接入一個振蕩電路，電路如圖3所示：圖3 晶振電路復(fù)位電路單片機(jī)系統(tǒng)中需要一個硬件復(fù)位電路，用于用戶的手動復(fù)位，80C51是高電平復(fù)位有效。最簡單的復(fù)位電路由一個電阻、一個電解電容、一個按鈕形成，電路如圖4所示：圖4 復(fù)位電路圖 5 8051單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路為了完成A/D轉(zhuǎn)換功能，我選擇的是A/D0809轉(zhuǎn)換器，它具有易于和微處理器接口或獨(dú)立使用，可滿量程工作，可用地址邏輯多路器選通各輸入通道，單5V供電，輸入范圍為05V，輸入和輸出與TTL、CMOS電平兼容等優(yōu)點(diǎn)。ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以和

8、單片機(jī)直接接口，由一個8路模擬量通道選擇開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。4.2.1 ADC0809功能介紹：圖6 ADC0809芯片圖D7-D0：8 位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8 位模擬量輸入引腳。VCC：+5V 工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考

9、電壓負(fù)端。START：A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D 轉(zhuǎn)換）.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路我選擇的是DAC0832，它具有與微處理器完全兼容，價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，它采用CMOS工藝制作，內(nèi)部有兩個寄存器，而這兩個寄存器的控制信號有五個，輸入寄存器由ILE、CS、W

10、R1控制，DAC寄存器由WR2、Xref控制，用軟件指令控制這五個控制端可實(shí)現(xiàn)三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。直通方式是將兩個寄存器的五個控制端預(yù)先置為有效，兩個寄存器都開通只要有數(shù)字信號輸入就立即進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換。單緩沖方式使DAC0832的兩個輸入寄存器中有一個處于直通方式，另一個處于受控方式，可以將WR2和Xfer相連在接到地上，并把WR1接到89C51的WR上，ILE接高電平，CS接高位地址或地址譯碼的輸出端上。雙緩沖方式把DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器都接成受控方式，這種方式可用于多路模擬量要求同時輸出的情況下。三種工作方式區(qū)別是：直通方式不需要選通，直接D/

11、A轉(zhuǎn)換；單緩沖方式一次選通；雙緩沖方式二次選通。 DAC0832功能圖8 DAC0832芯片圖D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器選通輸入線

12、，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。 IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化； IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V； VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V； AGND：模擬信號地 DGND：數(shù)字信號地 D/A轉(zhuǎn)換電路圖圖9 D/A轉(zhuǎn)換電路4.4

13、 穩(wěn)壓電源 為了使單片機(jī)能更穩(wěn)定的工作，必須保證有一個穩(wěn)定的電壓輸入。圖10 穩(wěn)壓電源電路4.5調(diào)理電路在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號420mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成±10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，以便送給各類設(shè)備進(jìn)行處理。這種轉(zhuǎn)換電路以4mA為滿量程的0%對應(yīng)-10V；12mA為50%對應(yīng)0V；20mA為100%對應(yīng)5V。電路見圖11所示。圖11 調(diào)理電路4.6 報警指示燈電路 當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，綠燈亮。當(dāng)傳感器所采集的信息通過單片機(jī)處理，如果超過設(shè)置的上限值或低于下限值時，蜂鳴器進(jìn)行報警，紅燈亮起。其電路圖如圖12所示。圖12 報警電路4.7 鍵盤、顯示控制電路 加入鍵盤是為

14、了便于人機(jī)互動，方便工作人員即時調(diào)整工況，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的允許工作范圍。以80C51為核心，配合REPACK-8、74LS138、74LS47的協(xié)同工作來完成鍵盤控制電路的設(shè)計(jì)，目的是當(dāng)按下一個鍵時，數(shù)碼管上要顯示相應(yīng)的數(shù)字。4x4按鍵接口電路的設(shè)計(jì)是要讀取每一個按鍵的值，通過按鍵控制外圍電路的工作，設(shè)定初始值和設(shè)定值。鍵盤電路所用鍵盤是一種常開型按鈕開關(guān)，常態(tài)時，鍵盤的兩個觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)；按下時，兩個觸點(diǎn)閉合。通過按鍵在常態(tài)與被按下時的通斷，操作人員就可以通過鍵盤向微控制系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或者控制命令等，從而實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。圖13 鍵盤控制電路4.7.2 74LS138圖14 74LS138結(jié)構(gòu)（

15、1）功能介紹74LS138是用TTL與非門組成的3線8線譯碼器，其工作原理如下：當(dāng)一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。4.7.3 74LS47圖15 74LS47結(jié)構(gòu)（1） 功能介紹74LS47即為一譯碼器，譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的含義“翻譯”過來。實(shí)現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應(yīng)關(guān)系。74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用。表1 真值表LT：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設(shè)置的。當(dāng)LT=

16、0時，無論輸入A3 ，A2 ，A1 ，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示8。 BI：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)置的。BI=0時。不論LT和輸入A3 ，A2 ，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極數(shù)碼管熄滅。 RBI：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設(shè)定的。當(dāng)對每一位A3= A2 =A1 =A0=0時，本應(yīng)顯示0，但是在RBI=0作用下，使譯碼器輸出全為高電平。其結(jié)果和加入滅燈信號的結(jié)果一樣，將0熄滅。 RBO：滅零輸出，它和滅燈輸入BI共用一端，兩者配合使用，可以實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。顯示電路加入LED顯示是為了便于人機(jī)互

17、動，方便工作人員及時了解此時工況。為了簡化電路、降低成本，采用八位數(shù)碼管，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位的I/O口控制。結(jié)構(gòu)如圖16所示：圖16 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)（1）數(shù)碼管功能介紹：由于所有8位段選線皆由一個I/O口控制，因此，在每一瞬間，8位數(shù)碼管會顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，就必須采用掃描方法輪流點(diǎn)亮各位LED，即在每一瞬間只使某一位顯示字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應(yīng)字符段選碼，而每位選擇控制I/O口在該顯示位送入選通電平，以保證該位顯示相的字符。如此輪流，是每位分時顯示該位該顯示字符。圖17 LED顯示電路5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 主程序框圖開始啟動A/D轉(zhuǎn)換，同

18、時將A中的數(shù)據(jù)送入D/A啟動轉(zhuǎn)換開中斷設(shè)置報警電路初始值為紅燈滅綠燈亮設(shè)置上下限初始值設(shè)置DPTR初始值踏步等待圖18 主程序框圖5.2數(shù)據(jù)程序框圖開始關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn)場讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果現(xiàn)場恢復(fù)返回結(jié)果是否大于上限結(jié)果是否小于下限調(diào)用顯示子程序報警調(diào)用顯示子程序啟動下一次轉(zhuǎn)換YYNN圖19 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框圖5.3 鍵盤程序框圖圖20 鍵盤程序框圖5.4顯示程序框圖圖21 顯示程序框圖6 總結(jié)面對課程設(shè)計(jì)，覺得自己的專業(yè)知識掌握的不夠全面，對于各個芯片的了解不夠充分，經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)之后，使得自己對于所學(xué)的知識進(jìn)行了一次綜合性的整理，通過查閱相關(guān)資料，不僅學(xué)習(xí)了更多的知識，也提高了自己的實(shí)踐能力。通過本次課程設(shè)計(jì)，我總結(jié)了以下幾點(diǎn)：（1）在開始課程設(shè)計(jì)之前,要對所選擇的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)