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计算机控制系统

课程设计报告

学生姓名:

学号：

学院:

自动化工程学院

班级:

题目:

计算机控制系统

指导教师：

职称:

2011年7月13日

1题目背景与意义（黑体小三）

1.1XXX（黑体四号）

1.1.1XXX（黑体小四）

XXXXXXXXXXXXXX（正文部分小四号宋体，正文，图、表题和参考文献中的英文和数字需用“TimesNewRoman”字体）

2设计题目介绍

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：

0～5V/4～20mA（0～20mA）。

3系统总体框架

4系统硬件设计

4.1单片机AT89C51

89C51（如图1）是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，内含32根双向且分别可寻址的IO线，128字节RAM，2个16位定时计数器，全双工异步串行口，2个中断优先级，5个中断源，片内有时钟振荡器。

下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。

1）、主电源引脚VCC和VSS

VCC——（40脚）接+5V电压；

VSS——（20脚）接地。

2）、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。

图一AT89C51引脚图

3）、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。

当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

②ALE/PROG（30脚）：

当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

③PSEN（29脚）：

此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

④EA/VPP（引脚）：

当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

4）、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

①P0口（39脚至32脚）：

是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。

②P1口（1脚至8脚）：

是准双向8位I/O口。

由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。

P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。

对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

③P2口（21脚至28脚）：

是准双向8位I/O口。

在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。

在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。

P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

④P3口（10脚至17脚）：

是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。

P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

P3各口线的第二功能定义：

口线引脚第二功能

P3.010RXD（串行输入口）

P3.111TXD（串行输出口）

P3.212INT0（外部中断0）

P3.313INT1（外部中断1）

P3.414T0（定时器0外部输入）

P3.515T1（定时器1外部输入）

P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）

P3.717RD（外部数据存储器读脉冲） 

4.2A/D转换电路设计

模拟量输入通道的任务是把在工业现场中采集到的模拟量转换成计算机可识别的数字量。

模拟量输入通道一般由信号预处理、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、接口和控制电路组成。

其核心部分是A/D转换器，如8位的ADC0809，12位的ADC574、ADC674、ADC1674，24位的AD7710等。

4.2.1A/D转换器

A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但一般情况下，模拟量是指电压而言的。

4.2.2A/D转换器的工作原理

常用的A/D转换原理可分为逐次逼近式和双积分式两种。

前者转换时间短（几μs到100μs），适用于工业生产过程的控制；后者转换时间长（几ms到100ms），适用于实验室标准测试。

根据A/D转换器的原理，n位A/D转换器输出的二进制数字量B与模拟输入电压VI、正基准电压VREF+、负基准电压VREF-的关系为：

B=（VI-VREF-）*2n/（VREF+-VREF-）

4.2.3A/D转换器的性能指标

A/D转换器（简称ADC）的主要性能指标有分辨率、量化误差、偏移误差、满刻度误差、线性度、绝对精度、相对精度、转换速率。

（1）分辨率（Resolution）：

定义为满刻度电压与2n之比值，其中，n为ADC的位数。

通常小于8位的称为低分辨率，10～12位的称为中分辨率，14～16位的称为高分辨率。

（2）量化误差（QuantizingError）:

定义为在不计其它误差的情况下，一个分辨率有限的ADC的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的ADC转移特性曲线（直线）之间的最大误差。

分辨率高的具有较小的量化误差。

（3）偏移误差（OffsetError）：

也成零值误差，定义为输入信号为零时，输出信号不为零的值。

（4）满刻度误差（FullScaleError）:

又称为增益误差，定义为满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。

一般满刻度误差的调节在偏移误差调整后进行。

（5）线性度（Linearity）：

有时也称非线性度，定义为转换器实际的转移函数与理想直线的最大偏移。

需要注意的是，线性度不包括量化误差、偏移误差与满刻度误差。

（6）绝对精度（AbsoluteAccuracy）：

定义为满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值。

它包括所有的误差，也包括量化误差。

（7）相对精度（RelativeAccuracy）：

定义为在满量程已校准的情况下，整个转换范围内任意一个数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差值。

（8）转换速率（ConversionRate）定义为能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。

4.2.4A/D转换器芯片

A/D采样电路我采用模数转换器ADC0809来实现。

ADC0809是8位逐次逼近式AD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通道多路转换器能根据地址锁存译码后的信号，选通8路模拟输入信号中的一个进行AD转换。

①主要特性

1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs

4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

②内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图二所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近。

③引脚功能

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3所示。

下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

2-1～2-8：

8位数字量输出端

图二ADC0809内部结构及引脚

2-1～2-8：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

EOC：

A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一＋5V。

GND：

地。

④ADC0809工作方式

传感器的输出可以接到AT89S52的IN0~IN7。

AT89S52的通道选择地址A，B，C分别由8051的P0．0～P0．2提供。

当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。

图中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。

例如，输出地址7FF8H可选通通道IN0，实现对传感器输出的模拟量进行转换；输出地址7FF9H可选通通道IN1，实现模拟量的转换。

图中ADC0809的转换结束状态信号EOC接到80C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。

在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。

4.3D/A转换电路设计

4.3.1D/A转换器

D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它输出的模拟量与参考电压和二进制数成比例。

4.3.2D/A转换器的工作原理

D/A转换器用来将数字量转换成模拟量。

它的基本要求是输出电压VO应该和输入数字量D成正比，即：

VO=D*VR

其中VR为参考电压。

D/A转换器的输出电压VO与输入二进制数D0～Dn-1的关系式为：

VO＝-VREF*（D020+D121+…Dn-12n-1）/2n

其中，Di=0或1（i=0,1,…n-1），n表示D/A转换器的位数。

每一个数字量都是数字代码的按位组合，每一位数字代码都有一定的“权”，对应一定大小的模拟量。

为了将数字量转换成模拟量。

一般的数模转换器都是按这一原理设计的。

4.3.3D/A转换器的性能指标

D/A转换器的主要性能指标有分辨率、稳定时间、转换精度和线性度等。

（1）分辨率：

D/A转换器的分辨率定义为基准电压VREF与2n之比，其中

n为D/A转换器的位数。

（2）线性度：

通常用非线性误差的大小来表示D/A转化器的线性度。

并且，把理想的输入/输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数，定义为线性度。

（3）转换精度：

以最大的静态转换误差的形式给出。

这个转换误差应该是包含非线性误差、比例误差、以及漂移误差等综合误差。

转换精度用最低有效位LSB的分数来表示。

（4）建立时间：

指数模转换器中的输入代码又满刻度的变化时，其输出模拟信号电压（或模拟信号电流）达到满刻度值±1/2LSB时所需要的时间。

对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间约几μs。

而输出的电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。

（5）电源抑制比：

通常把满量程电压变化的百分数与电流变化的百分数之比成为电源抑制比。

对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出的电压影响极小。

（6）工作温度范围：

由于工作温度会对运算放大器和加权电阻网络等产生影响，所以只有在一定的温度范围，才能保证额定精度指标。

较好的转换器工作温度范围在-40℃至85℃，而较差的转换器工作温度范围在0℃至70℃。

4.3.4D/A转换器芯片

DA转换电路我采用DAC0832还实现。

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

①主要特性参数

1）分辨率为8位；

2）电流稳定时间1us；

3）可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

4）只需在满量程下调整其线性度；

5）单一电源供电（+5V～+15V）；

6）低功耗，200mW。

②内部结构

 图三DAC0832内部结构及引脚

③引脚功能

D0～D7：

8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；

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（选通数据锁存器），低电平有效；

WR1：

数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

XFER：

数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

WR2：

DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

IOUT1：

电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

IOUT2：

电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

Rfb：

反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；

Vcc：

电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

VREF：

基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；

AGND：

模拟信号地

DGND：

数字信号地

④DAC0832工作方式

根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：

直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

应用系统中，在只有一路模拟量输出或几路模拟量不需要同时输出的场合，应采用单缓冲方式。

这种方式下，将两级寄存器的控制信号并接。

输入数据在控制信号作用下直接进入8位DAC寄存器中并进入8位DA转换器进行DA转换。

ILE接+5V，片选信号和转移控制信号都连到地址线P2.7。

这样输入寄存器和DAC寄存器的地址都是2FFFH。

“写”选通线WR1和WR2都与8051的“写”信号线连接。

4.4显示设计

Led显示原理：

LED数码管以发光二极管作为发光单元。

7段led数码管是利用7个led（发光二极管）外加一个小数点的led组合而成的显示设备，可以显示0-9等10个数字和小数点，使用广泛。

这类数码管可以分为共阴极与共阳极两种，如图四。

图四数码管原理图

7段数码管的字型显示数码，见表一。

表一字型显示数码

字型

共阴极字形代码

字型

共阴极字形代码

字型

共阴极字形代码

0

3FH

6

7DH

C

39H

1

06H

7

07H

d

5EH

2

5BH

8

7FH

E

79H

3

4FH

9

6FH

F

71H

4

66H

A

77H

灭

00H

5

6DH

b

7CH

表一7段数码管的字型显示数码

本设计采用的是四位数码管，内部结构如图五，电路连线图如图六。

图五四位数码管内部结构图

图六四位数码管电路连线图

4.5键盘设计

键盘接口是最常用的人机接口。

键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。

单片机应用系统中的键盘一般采用非编码键盘便可满足需要。

所谓非编码键盘实际上就是一组开关，键按下，开关接通。

是否有键按下，按下的是哪个键由单片机对I／O端口的扫描完成（而编码键盘会自动提供所按键的编码），这时，键盘的排布方式不同形成了不同的键盘接口方式。

它包括独立式键盘和行列式键盘。

由于行列式键盘的优点是比较节省I／O口线，并且接口简单，所以本设计采用行列式键盘。

行列式键盘与单片机连接如图七。

图七4×4按键键盘接口

通常按键存在机械抖动，如图八。

图八按键抖动图

消除抖动的方法有硬件消抖和软件消抖两种方法。

本设计采用软件消抖，即当检测到按键释放后，调用一个5ms—10ms的延时子程序。

4.6上位机通讯

单片机与PC进行串行通行是通过RS-232接口标准实现的，符合RS-232标准的典型芯片是MAX232。

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

其引脚图如图九。

图九MAX232引脚图

引脚介绍：

　　第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

　　第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

　　其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

　　8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

　　TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

主要特点：

　　1、符合所有的RS-232C技术标准

　　2、只需要单一+5V电源供电

　　3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-

　　4、功耗低，典型供电电流5mA

　　5、内部集成2个RS-232C驱动器

6、内部集成两个RS-232C接收器

MAX232与终端连接示意图如图十。

图十MAX232与终端连接图

4.774LS373

　　373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路

　　结构型式，其主要电器特性的典型值如下（不同厂家具体值有差别）:

　　型号tPdPD

　　54S373/74S3737ns525mW

54LS373/74LS37317ns120mW

图574LS373引脚和结构图

　　373的输出端O0~O7可直接与总线相连。

　　当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总

　　线。

当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但

　　锁存器内部的逻辑操作不受影响。

　　当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。

当LE为低电平时，O被锁存在

　　已建立的数据电平。

　　当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。

　　引出端符号：

　　D0～D7数据输入端

　　OE三态允许控制端（低电平有效）

　　LE锁存允许端

O0~O7输出端

表二74LS373真值表

Dn

LE

OE

On

H

H

L

H

L

H

L

L

X

L

L

Q0

X

X

H

高阻态

5系统软件设计

3.1软件结构流程图

软件结构流程图见图纸。

3.2键盘程序

键盘程序见附件1。

3.3A/D转换及显示程序

A/D转换及显示程序见附件2。

3.4D/A转换程序

D/A转换程序见附件3。

3.5上位机通讯程序

上位机通讯程序见附件4。

6结论

参考文献

[1]J.Basak,B.Chanda,D.D.Manjumder,Onedgeandlinelinkingwithconnectionistmodels,IEEETrans.Systems,ManCybernet.24（3）413–428,1994.

[2]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

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