双回路数据监测系统的设计.docx

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双回路数据监测系统的设计

双回路数据监测系统的设计

（微型计算机控制技术课程设计报告书）

课程名称微型计算机控制技术

题目双回路数据监测系统的设计

摘要

关键词：

AD574A，LCD12864，AT89C52单片机，标度转换，A/D转换

本次设计的主要监测对象为温度和压力，要求实现双回路的数据检测。

我们采用AT89C52单片机，输入两路4—20mA标准直流电流，输出为±5VDC的变送器，分别模拟：

0—300

温度和0—100MPa压力。

并通过LCD12864液晶显示器交替显示温度和压力的实际值。

其中标度转换和A/D转换均采用AD574A，AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，其转换时间为25μs，线性误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入。

设计基本实现了能够通过键盘设置温度和压力的上、下限报警值，并能通过发光二极管或蜂鸣器进行声、光超限报警。

Abstract

Keywords:

 AD574A, LCD12864, AT89C52microcontroller, scaleconversion, A/Dconversion

Themainmonitoringobjectsofthedesignforthetemperatureandpressure,requiredtoachievethedoubleloopdatadetection.WeuseAT89C52singlechipmicrocomputer,inputtwo4-20mAstandardDCcurrent,theoutputforthetransmitter,+5VDCaresimulatedrespectively:

0-300temperatureand0100MPapressure.AndthroughtheLCD12864liquidcrystaldisplayalternatedisplayofactualtemperatureandpressurevalue.

ThescaleconversionandA/DconversionareusedAD574A,AD574AisAmericaanalogdigitalcompany（Analog）introducedsingle-chiphigh-speed12bitsuccessivecomparisontypeA/Dconverter,theswitchingtimeis25s,thelinearerrorisabout1/2LSB,theinternalclockpulsesourceandreferencevoltagesource,asinglechannelofunipolarorbipolarvoltageinput.

Thebasicdesigntorealizethealarmvaluesetbykeyboardontemperatureandpressure,lowerlimit,andthroughthelightemittingdiodeorbuzzersoundalarm,lightgauge.

3软件设计15

1课题分析

1.1课程设计题目

双回路数据监测系统的设计（采用单片机教学实验装置）

1.2课程设计要求

（1）已知参数和设计要求

1）设计两路输入4—20mA标准直流电流，输出为±5VDC的变送器，分别模拟：

0—300

温度和0—100MPa压力。

2）设计一个双路数据监测系统，并能通过LED交替显示温度和压力的实际值。

3）设计人机交互接口，包括键盘、显示器和发光二极管。

能够通过键盘设置温度和压力的上、下限报警值，并能通过发光二极管或蜂鸣器进行声、光超限报警。

（2）实现方法

采用单片机教学实验装置实验（限<4人选做）

1.3学生应完成的工作

1）硬件设计：

要求完成控制系统框图；绘制完整的控制系统电路原理图说明各功能模块的具体功能和参数；结合实验室现有的PD-32E实验装置进行系统组成，对整个系统的工作原理进行全面分析，讨论其结构特点、工作原理、有、缺点和使用场合。

分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和特性。

2）软件工作：

要求合理分配系统资源，完成实现4回路数据监测系统的程序设计（如：

系统初始化；主程序；A/D转换；标度变换；显示与键盘管理；输出等）。

3）对设计控制系统进行系统联调。

编写课程设计报告：

按统一论文格式、统一报告纸和报告的各要素【封面、任务书、目录、摘要、序言、主要内容（包括设计总体思路、

4）设计步骤、原理分析和相关知识的引用等）、总结、各组员心得体会、参考书籍记附录】进行编写，字数要求不少于4000字，要求设计报告论理正确，逻辑性强，文理通顺，层次分明，表达确切。

1.4人员及任务分配

姓名

班级

学号

任务

2硬件设计

2.1前言

随着人类社会的发展，人们对于各种数据的监测也同时提高的监测标准，数据监测的精度和准确性也越来越高，同时监测的手段也越来越多样、智能化。

在日常生活中，我们能发现大量的监测系统，例如：

大气环境的监测，输油管道的流量监测，室内温度和湿度的监测以及交通运输方面的车流量的监测等等。

本次设计的主要监测对象为温度和压力，要求实现双回路的数据检测。

本次设计将采用AD574A来是实现具体的设计要求。

2.2总电路图

图1系统总电路图

在单片机实验箱上连线之后的实物图片如下所示：

图2实际电路连线图

系统焊接电路图

系统的焊接电路示意图如下所示：

图3系统焊接电路图

系统逻辑图

系统总体的逻辑流程图如下所示：

图4系统逻辑图

2.3功能模块

2.3.1AD574A

AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。

其转换时间为25μs，线性误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。

其主要功能特性如下：

性能:

分辨率：

12；位非线性误差：

小于±1/2LBS或±1LBS；转换速率：

25us；模拟电压输入范围：

0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种；电源电压：

±15V和5V；数据输出格式：

12位/8位；芯片工作模式：

全速工作模式和单一工作模式。

AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分构成。

⑴12位A/D转换器

可以单极性也可以双极性的。

单极性应用时，BIPOFF接0V，双极性时接10V。

量程可以是10V也可以是20V。

输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10V（IN）;输入信号在20V范围内变化时，将输入信号接至20V（IN）;

所以量化单位相应的就是10V/（2^12）和20V/（2^12）

⑵三态输出锁存缓冲器

用于存放12位转换结果D（D=0～2^12-1）。

D的输出方式有两种，

引脚12/8=1时（8的上面有一横杠），D的D（11）~D（0）并行输出；

引脚12/8=0时（8的上面有一横杠），D的高8位与低4位分时输出。

⑶逻辑控制

任务包括：

启动转换，控制转换过程和控制转换结果D的输出。

CE

CS（即CS上面一横杠）

R/C（C上一横杠）

12/8（8的上面有一横杠）

A（0）

操作功能

1

0

0

X

0

启动12位转换

1

0

0

0

0

启动8位转换

1

0

1

1

X

输出12位数字

1

0

1

0

0

输出高8位数字

1

0

1

0

1

输出低4位数字

0

X

X

X

X

无操作

X

1

X

X

X

无操作

2.3.2LCD12864

1.概述

LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个

16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，

可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

2.基本特性:

（1）、低电源电压（VDD:

+3.0--+5.5V）

（2）、显示分辨率:

128×64点

（3）、内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字（简繁体可选）

（4）、内置128个16×8点阵字符

（5）、2MHZ时钟频率

（6）、显示方式：

STN、半透、正显

（7）、驱动方式：

1/32DUTY，1/5BIAS

（8）、视角方向：

6点

（9）、背光方式：

侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10。

（10）、通讯方式：

串行、并口可选

（11）、内置DC-DC转换电路，无需外加负压

（12）、无需片选信号，简化软件设计

（13）、工作温度:

0℃-+55℃,存储温度:

-20℃-+60℃。

3.模块接口说明：

管脚号

管脚名称

电平

管脚功能描述

1

VSS

0V

电源地

2

VCC

3.0+5V

电源正

3

V0

-

对比度（亮度）调整

4

RS（CS）

H/L

RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据

RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据

5

R/W（SID）

H/L

R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0

R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR

6

E（SCLK）

H/L

使能信号

7

DB0

H/L

三态数据线

8

DB1

H/L

三态数据线

9

DB2

H/L

三态数据线

10

DB3

H/L

三态数据线

11

DB4

H/L

三态数据线

12

DB5

H/L

三态数据线

13

DB6

H/L

三态数据线

14

DB7

H/L

三态数据线

15

PSB

H/L

H：

8位或4位并口方式，L：

串口方式（见注释1）

16

NC

-

空脚

17

/RESET

H/L

复位端，低电平有效（见注释2）

18

VOUT

-

LCD驱动电压输出端

19

A

VDD

背光源正端（+5V）（见注释3）

20

K

VSS

背光源负端（见注释3）

*注释1：

如在实际应用中仅使用串口通讯模式，可将PSB接固定低电平，也可以将模块上的J8和“GND”用焊锡短接。

*注释2：

模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。

*注释3：

如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。

4.控制器接口信号说明：

1、RS，R/W的配合选择决定控制界面的4种模式：

RS

R/W

功能说明

L

L

MPU写指令到指令暂存器（IR）

L

H

读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态

H

L

MPU写入数据到数据暂存器（DR）

H

H

MPU从数据暂存器（DR）中读出数据

2、E信号：

E状态

执行动作

结果

高——>低

I/O缓冲——>DR

配合/W进行写数据或指令

高

DR——>I/O缓冲

配合R进行读数据或指令

低/低——>高

无动作

●忙标志:

BFBF标志提供内部工作情况.BF=1表示模块在进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据.BF=0时,模块为准备状态,随时可接受外部指令和数据.利用STATUSRD指令,可以将BF读到DB7总线,从而检验模块之工作状态.

●字型产生ROM（CGROM）字型产生ROM（CGROM）提供8192个此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。

DFF=1为开显示（DISPLAYON）,DDRAM的内容就显示在屏幕上，DFF=0为关显示（DISPLAYOFF）。

DFF的状态是指令DISPLAYON/OFF和RST信号控制的。

●显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供64×2个位元组的空间，最多可控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英数字型（16*8）、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H—0006H的编码中（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）将选择CGRAM的自定义字型，02H—7FH的编码中将选择半角英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码BIG5（A140—D75F），GB（A1A0-F7FFH）。

●字型产生RAM（CGRAM）字型产生RAM提供图象定义（造字）功能,可以提供四组16×16点的自定义图象空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样地通过DDRAM显示在屏幕中。

●地址计数器AC地址计数器是用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入DDRAM/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动加一，当RS为“0”时而R/W为“1”时，地址计数器的值会被读取到DB6——DB0中。

●光标/闪烁控制电路

此模块提供硬体光标及闪烁控制电路，由地址计数器的值来指定DDRAM中的光标或闪烁位置。

5.应用说明：

1、使用前的准备:

先给模块加上工作电压，再按照下图的连接方法调节LCD的对比度，使其显示出黑色的底影。

此过程亦可以初步检测LCD有无缺段现象。

2、字符显示:

带中文字库的128X64-0402B每屏可显示4行8列共32个16×16点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16×8点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。

带中文字库的128X64-0402B内部提供128×2字节的字符显示RAM缓冲区（DDRAM）。

字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。

根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。

三种不同字符/字型的选择编码范围为：

0000～0006H（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）显示自定义字型，02H～7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0H～F7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。

字符显示RAM在液晶模块中的地址80H～9FH。

字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如下表所示：

80H

81H

82H

83H

84H

85H

86H

87H

90H

91H

92H

93H

94H

95H

96H

97H

88H

89H

8AH

8BH

8CH

8DH

8EH

8FH

98H

99H

9AH

9BH

9CH

9DH

9EH

9FH

表4字符显示地址对应码

3、图形显示

先设垂直地址再设水平地址（连续写入两个字节的资料来完成垂直与水平的坐标地址）

垂直地址范围AC5...AC0

水平地址范围AC3…AC0

绘图RAM的地址计数器（AC）只会对水平地址（X轴）自动加一,当水平地址=0FH时会重新设为00H但并不会对垂直地址做进位自动加一，故当连续写入多笔资料时，程序需自行判断垂直地址是否需重新设定。

2.3.3AT89C52单片机

1．概述

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的

应用。

2.基本特性

1、兼容MCS51指令系统

2、8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM；

3、32个双向I/O口；

4、256x8bit内部RAM；

5、3个16位可编程定时/计数器中断；

6、时钟频率0-24MHz；

7、2个串行中断，可编程UART串行通道；

8、2个外部中断源，共8个中断源；

9、2个读写中断口线，3级加密位；

10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

3.工作原理

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

RST:

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG:

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP:

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

2.3.4键盘

单片机实验箱上键盘实际图片如下所示：

图8键盘实际图

键盘功能

号键

温度上限上调

号键

温度下限上调

号键

温度上限下调

号键

温度下限下调

表5键盘功能表

2.4硬件连线

接线说明：

P0口接LCD12864数据口，P2口接AD574数据口；

p3.3-p3.7接AD574控制口，P1.0-P1.4接LCD12864控制口；

p3.0;p3.1接键盘列信号，P1.5;P1.6接键盘行信号。

3软件设计

此程序基于假设将两路-5V——+5V电压模拟作为温度和压力变送器输出。

温度范围（0-300）,压力范围（0-100Mpa）。

程序功能是通过读取双路变送器信号并通过标度变换显示在LCD12864上，带有报警功能（报警值可手动设置）。

根据所需的功能，软件主要分为主程序、键盘扫描子程序、设置上、下限值子程序、A/D转换、均值滤波子程序、标度变换子程序、超出限值报警子程序、显示过程中拆分子程序、测量值与限值比较子程序、显示设置值子程序、16进制到10进制转换子程序等。

4总线说明

此次设计我们未能熟练掌握总线的概念以至于未能充分利用单片机的硬件接口，导致了设计上的缺陷，也浪费了单片机的资源。

下来我们通过查阅相关资料，对总线有了更全面和深刻的认识。

现将总线的具体功能说明如下：

总线是连接计算机有关部件的一组信号线，是计算机中用来传送信息代码的公共通道。

面向总线的结构主要有以下优点：

1），简化了系统结构，便于系统设计制造；

2），大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性；

3），便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口；

4），便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化；

5），便于设备的软件设计，所有接口的软件就是对不同的口地址进行操作；6），便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。

总线按其信号线上传输的信息性质可分为三组：

1），数据总线，一般情况下是双向总线；

2），地址总线，单向总线，是微处理器或其他主设备发出的地址信号线；

3），控制总线，微处理器与存储器或接口等之间。

5程序流程图

5.1系统总体流程图

图10系统总体流程图

总体流程图说明：

开始时初始LCD12864和中断服务程序，接着扫描键盘，看是否有键按下，若有键按下先判断是否超出限定值，若超出则报警，否则启动AD574进行转换，然后将结果送到LCD12864显示，同时将标志位清零，最后返回程序开始，进行键盘的下一次扫描等待按键。

5.2AD574A/D转换流程图

图11AD574A/D转换流程图

AD574A转换流程图说明：

首先启动AD574，设置CS、Rd、WR、A0的初始值分别为0,1,0,0，然后通过STS是否为高电平判断转换是否结束。

若STS为高电平，则读取高八位的值放在AD-H中，接着进行十进制和标度转换，最后返回结果为浮点型数据；若STS为低电平则等待程序执行结束。

5.3中断服务子程序流程图

图12中断服务子程序流程图

中断服务子程序说明