计算机控制系统课程设计报告.doc
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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
目录
1题目背景与意义 1
2设计题目介绍 1
2.1设计要求 1
2.2设计意义 1
3系统总体框架 2
3.1系统设计思路 2
3.2系统框架 2
4系统硬件设计 2
4.1单片机部分 2
4.1.1单片机引脚介绍 3
4.1.2单片机的最小实现 4
4.2A/D转换电路 5
4.2.1芯片选择 5
4.2.2电路连接 5
4.3D/A转换电路 6
4.4模拟信号输入通道 8
4.5键盘模块 9
4.6数码管显示电路 10
4.6报警电路 10
5系统软件设计 12
5.1主程序框图 12
5.2键盘控制程序框图 13
5.3数据转换程序框图 13
5.4显示程序框图 15
5结论 16
参考文献 17
1题目背景与意义
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多种资源应用并具有综合功能的小系统的设计与编程应用，使我们不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，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。
标准电压/电流信号定为：
0～5V/4～20mA（0～20mA）。
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1
4系统硬件设计
4.1单片机部分
本次课设选取AT89C51为主控制器，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8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，与工业标准的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-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。
P3.0……RXD（串行输入口）
P3.1……TXD（串行输出口）
P3.2……/INT0（外部中断）
P3.3……/INT1（外部中断）
P3.4……T0（TIMER0的外部输入脚）
P3.5……T1（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10~30uF，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单片机最小系统起振电容C1、C3一般采用15~33pF，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2
4.2A/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3
4.2.2电路连接
图4
4.3D/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5
1）0832引脚功能
DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。
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。
DI7~DI0——8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与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：
①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。
②双缓冲方式。
双缓冲方式是先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。
③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接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。
D/A转换电路如图6所示。
图6
4.4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4~20mA，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7
4.5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8
4.6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9
4.6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10
5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
DAC0832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
Y
Y
N
N
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
Y
N
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，发现数码管显示的数字与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与能力。
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，有些东西很可能与实际脱节。
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）:
59-61
[2]姜学军.计算机控制技术.清华大学出版社,2006
[3]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.1993
[4]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
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