《计算机控制技术》课程设计基于单片机的AD和DA功能的信号测控装置.doc

目录1.设计目的12.设计要求13.设计思路14.具体设计14.1单片机最小系统设计14.2 A/D转换器设计34.2.1 ADC0809内部结构34.2.2 ADC0809引脚结构34.2.3 ADC0809与单片机连接的电路设计44.2.4 AD转换程序设计54.3 D/A转换器设计54.3.1 DAC0832内部结构54.3.2 DAC0832引脚结构64.3.3 DAC0832与单片机连接的电路设计74.3.4 DA转换程序设计74.4外部键盘84.4.1设计思路84.4.2 矩阵式键盘的按键识别方法84.4.3 键盘的工作方式94.4.4 键盘与8031电路的连接设计94.4.5 键盘子程序流程图104.5显示装置114.5.1设计原理114.5.2显示器与8031电路的连接设计114.6上位机通讯114.6.1设计原理124.6.2上位机通信的的实现124.6.3 0831与PC机串行通信程序流程134.7 基于0831单片机的总系统仿真图145参考文献146设计心得147工作日记151.设计目的本课程的课程设计实际是自动化专业学生学习完计算机控制技术课程后进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对计算机控制技术理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的，并培养学生应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。2.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（标准电压/电流信号此处定为：05V/420mA或020mA）。3.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，选用抗干扰电路键盘显示等。4.具体设计系统的整体结构如图1所示，系统由单片机系统和输入通道、输出通道组成。输入通道包括信号处理和A/D转换，输出通道则由D/A转换器组成。信号处理A/D转换单片机D/A转换输入输出图1 系统整体结构4.1单片机最小系统设计单片机芯片，配以必要的外部配件就构成了单片机最小系统。目前用的较多的是Intel公司的MCS-51系列单片机， MCS-51系列单片机包括三个基本型8031、8051、8751。为了熟悉单片的扩展，本次设计采用8031单片机。8031内部包括一个8位CPU、128B RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、一个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。8031采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，引脚如图2所示。按引脚的功能可分为三部分。（1）电源及时钟引脚Vcc（40引脚）：接+5V电源Vss（20引脚）：接地XTAL1(19引脚)：接外部晶体的1个引脚，用作晶体振荡电路的反相器输入端XTAL2(18引脚)：接外部晶体的另外一端，用作晶体振荡电路的反相器输出端（2）控制引脚RST/Vpd（9引脚）：RET(RESET)是复位信号输入端，高电平有效；Vpd为本引脚的第二功能，即备用电源ALE/PROG(30引脚)：ALE引脚输出为地址锁存允许信号；PROG为本引脚的第二功能，在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端PSEN(29引脚)：程序存储器允许输出控制端。EA/Vpp（31引脚）：EA功能为内外程序存储器选择控制端；Vpp为本引脚的第二功能，在对EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压（例如+21V或+12V）。（3）I/O口引脚P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载P2口：8位准双向I/O口，可与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载，P3口的第二功能如表1所示表1 P3口的第二功能表引脚第二功能P3.0RXD(串行口输入端)P3,1TXD(串行口输出端)P3.2INT0(外部中断0请求输入端，低电平有效)P3.3INT1(外部中断1请求输入端，低电平有效)P3.4T0(定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1(定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6WR(外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效）P3.7RD(外部数据存储器杜选通信号输入端，低电平有效)8031内部无程序存储器,因此，其最小应用系统必须在片外扩展EPROM，必须有复位电路及时钟电路。这里我使用2764作为程序存储器， 图2为8031外扩程序存储器的最小应用系统。该系统仅能完成数字量的输入和输出。图2 8031最小应用系统4.2 A/D转换器设计ADC0809是美国国家半导体公司推出的8位逐次逼近式A/D转换器，包括8位模/数转换器、8通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中的一个。ADC0809与C51单片机有三种接口方式：查询方式、中断方式和等待延时方式。每采集一次一般需要100US。4.2.1 ADC0809内部结构ADC0809内部结构如图3所示图3 ADC0809内部结构由上图可知，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。4.2.2 ADC0809引脚结构其引脚结构如图4所示图4 ADC0809引脚结构图ADC0809各脚功能如下：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）。A、B、C：地址输入线。4.2.3 ADC0809与单片机连接的电路设计ADC0809通过中断方式与8031单片机的硬件接口电路如图5所示（为了提高单片机CPU的利用率一般采用中断法）图5 ADC0809中断方式与8031单片机的硬件接口电路4.2.4 AD转换程序设计进行初始化启动/转换数据输出数据的存储与显示并且地址和数据地址指针均加一转化完8路转换完NYNY开始结束4.3 D/A转换器设计DAC0832是美国国家半导体公司生产的8位D/A转换器。由于DAC0832接口简单、转换控制容易，因此在单片机应用系统中得到了广泛应用。DAC0832转换器由8位输入锁存器、8位输出锁存器、8位DAC存储器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。4.3.1 DAC0832内部结构DAC0832的内部结构如图6所示图6 DAC0832的内部结构由上图可知量是通过两级寄存器送至D/A转换器的输入端。两级锁存器可做到当后一级锁存器正输出给D/A转换时，前一级又可接收新的数据，从而提高了转换速度，WR1和WR2是用来分别控制两级锁存器的。4.3.2DAC0832引脚结构DAC0832引脚如图7所示图7 DAC0832引脚DI0DI7：数据输入线，TLL电平。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：为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：为DAC寄存器写选通输入线。Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。Iout2:电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.Vcc:电源输入线  (+5v+15v)。Vref:基准电压输入线  (-10v+10v)。AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好. 4.3.3DAC0832与单片机的电路设计。4.3.3DAC0832与单片机连接的电路设计DAC0832与单片机连接如图8所示图8 DAC0832与单片机连接的电路4.3.4 DA转换程序设计Y初始化读入波形数据改变计数器及表的指针转换完？启动D/AN开始结束4.4外部键盘键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。这里我使用行列式键盘电路，它适用于按键数目较多的场合，与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。4.4.1设计思路在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图5所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。图9 矩阵式键盘与单片机的连接原理图矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图9中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。4.4.2矩阵式键盘的按键识别方法行列式键盘的键盘识别方法有两种：1扫描法、2线反转法。扫描法要逐列扫描查询，当被按下的按键处于最后1列时，则要经过多次扫描才能最后获得此按键所处的行列值。而线反转法则显得很简练，无论被按键式处于第1列或最后1列，均只需经过2步便能获得此按键所在的行列式。具体操作步骤如下：第一步，让行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输出为全低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在行。第二步，再把行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出全为低电平，则列线中电平由高变低所在列为按键所在列。综合上诉2步的结果，可确定按键所在行和列，从而识别出所按的键。4.4.3 键盘的工作方式单片机应用系统中能够，键盘扫描只是单片机的工作内容之一。单片机在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘工作方式的选取应根据实际应用系统中CPU工作的闲、忙情况而定。其原则是既要保证能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有3种，即编程扫描、定式扫描和中断扫描。这里由于采用的8位8031单片机，考虑其效率，选择使用编程扫描方式。4.4.4键盘与8031电路的连接设计键盘与8031连接入如图10所示图10 phone-key与8031的连接电路4.4.5 键盘子程序流程图开 始有键闭合否？调用显示子程序延迟6ms2次调用显示子程序延迟12ms有键闭合否？判断闭合键键号 堆栈闭合键释放否？输入键号 A返回 4.5显示装置4.5.1设计原理数码显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。本课设要输出05V标准电压，而且在前面我用的是8位D/A转换器，由计算可知其精度为 所以这里我们需要四段发光二极管，在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的段码线相应段并联在一起，有1个8位I/O口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阴极或共阳极分别由相应的I/O口线控制，形成各位的分时选通。4.5.2显示器与8031电路的连接设计这里我们选用7SEG-MPX4-CC-BLUE显示器，再采用8155实现控制动态LED显示模块接口的硬件设计，其与8031电路连接如图11所示图11显示器与8031电路的连接4.6上位机通讯MCS-51单片机有一个可编程的串行接口，它是一个全双工的通信端口，可以同时接收和发送数据。串行通信接口的优点在于使用较少的传输线即可完成数据的传输。4.6.1设计原理RS-232C是异步通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终端设备和数据通信设备之间的串行接口标准。目前，PC机都配有标准的RS-232接口，RS-232标准规定了25针连接器，但在实际应用中并不一定用到RS-232的全部信号线，所以，PC机配置的都是9针“D”型连接器。下图为RS-232的“D”型9针插头的引脚定义。图12 “D”型9针插头引脚定义9个引脚的功能见表2表2 9针RS-232接口引脚图引脚号符号方向功能1DCD输入数据载体检测2TXD输出发送数据3RXD输入接收数据4DTR输出数据终端准备好5GND信号地6DSR输入数据通信设备准备好7RTS输出请求发送8CTS输入清除发送9RI输入振铃指示4.6.2 上位机通信的的实现这里我使用MAX232实现TTL/RS-232之间的电平转换，图13是MAX232与0832和CONN-D9F的连接电路图13 通过MAX232连接0831与CONN-D9F4.6.3 0831与PC机串行通信程序流程设置串行口工作方式设置波特率接收完？数据送缓存发送数据发送完清除发送标志是是否否开始4.7 基于0831单片机的总系统仿真图图14 总系统图5参考文献1周润景.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例M.电子工业出版社,2006.102白延敏.51单片机典型系统开发M.电子工业出版社,2009.13边春元.C51单片机典型模块设计与应用M.机械工业出版，2008.44杜树春.单片机与外围器件接口M.中国电力出版社，2009.15张毅刚.单片机原理及应用M.高等教育出版社，2003.126 7 8 6设计心得经过这一个多星期的课程设计，从翻阅资料到画出原理图到设计出完整的方案，我也经历了从略知单片机的一二到深入的了解单片机原理的过程，虽然有些东西比较难以理解和掌握，但是我觉得通过这次课程设计自己学到了不少的东西，不仅仅是单片机本身的知识，还有计算机控制理论的结合，让自己受益匪浅。当然，这次课设我找到了自己很多不足之处，比如说画图的时候不够仔细，而且急于求成，思路不够清晰等等，这些都是自己需要在以后长期的工作过程中需要克服的毛病和缺点。我相信这次课程设计将成为自己工作和学习中的宝贵的财富，也再次感谢这一个星期以来帮助我的老师和同学7工作日记2010.7.5上午 东阶四合开动员大会，作动员准备下午 图书馆借书：Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例、51单片机典型系统开发、C51单片机典型模块设计与应用、单片机与外围器件接口2010.7.62010.7.7复习高教版单片机原理及应用2010.7.8上午 查阅所借资料，确定输入输出通道形式下午 学习Proteus软件，初步绘制A/D、D/A分别与单片机连接的电路图2010.7.9找老师答疑，确定之前所选A/D、D/A转换器的合理性2010.7.10上午 确定键盘模式下午 确定显示器模式2010.7.11上午 绘制键盘、显示器与单片机的连接电路图下午 绘制软件流程图2010.7.12撰写设计说明书，绘制检测系统总图2010.7.13继续完善课程设计报告，回顾电路工作过程，准备答辩