基于单片机的具有AD和DA功能的信号测控装置doc.docx
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基于单片机的具有AD和DA功能的信号测控装置doc
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设计题目介绍................................................................................................
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设计题目..................................................................................................
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系统总体框架................................................................................................
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系统硬件设计................................................................................................
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主控制芯片8051.....................................................................................
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8051引脚说明.................................................................................
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单片机最小系统..............................................................................
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A/D转换电路..........................................................................................
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AD574...............................................................................................
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D/A转换电路..........................................................................................
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数模转换器DAC0832......................................................................
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外接运放5G24................................................................................
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调理电路..................................................................................................
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键盘模块..................................................................................................
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LED显示电路..........................................................................................
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整体硬件设计图......................................................................................
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系统软件设计................................................................................................
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主程序框图................................................................................................
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键盘控制程序框图....................................................................................
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数据转换程序框图....................................................................................错误!
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显示子程序框图........................................................................................错误!
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基本程序..................................................................................................错误!
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6结论...............................................................................................................错误!
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1题目背景与意义
本课程设计以《计算机控制系统》课程理论为基础，以其他电子类、计算机
及接口类相关课程内容为辅助，在实践中锻炼学生的系统设计能力、理论应用能
力、总结归纳能力以及自我学习能力，提高其实践能力、创新意识与创业精神。
2设计题目介绍
设计题目
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）
题目要求
1.基本要求：
1）充分理解题目要求，确定方案。
2）合理选择器件型号。
3）用1号图纸1张或者采用Protel软件画出电原理图。
4）用1号图纸1张画出软件结构框图。
5）写出设计报告，对课程设计成品的功能进行介绍及主要部分进行分析与
说明。
6）每天写出工作日记。
2.发挥部分：
1）可将系统扩展为多路。
可在此系统中扩展键盘、显示（LCD/LED）、与上
位机通讯功能。
2）完成以上基本设计部分之后，可以运用Protues仿真软件对设计结果进行相应的编程和仿真，调试测控系统并观察其运行结果（可以分部分完成）。
3系统总体框架
模拟量输入
模数转换
键盘模块
模块
模拟量输出
数模转换
8051
声光报警
模块
稳压电源
显示模块
图1总体设计方案
此控制系统的硬件设计框图如图1所示。
被控对象经传感器，变送器输入电
压信号或电流信号，经模数转换模块中调理电路送入A/D转换器，通过采样和模
数转换，所检测到的电压信号和送入单片机进行比较，以显示模块显示结果，声
光报警判断是否正常工作。
由键盘模块设定报警上下限值。
稳压电源提供稳定电
压。
数模转换输出模拟量进行控制。
4系统硬件设计
主控制芯片8051
本设计的主控制芯片我们选择性价比高的8051单片机，8051单片机是一款
8位的CPU，与通用的微处理器基本相同。
片内有128个字节RAM，片外最多可以外扩到64k。
8051有4k字节的ROM；具有5个中断源，2个优先权；3个8
位的并行I/O口、一个全双工的串行口，2个16为的定时器/计数器，基于从经济出发，本设计我们选择8051单片机完全能实现控制的要求。
原理图如图2。
图2单片机最小系统
4.1.18051引脚说明
图38051引脚图
8051共有4个I/O端口，为P0、P1、P2、P3，四个I/O口都是双向的，且
每个口都具有锁存器。
每个口有8条线，共计32条I/O线。
各端口的功能叙述
如下：
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口有两中功能
除了作为I/O口使用外（内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。
P30RXD（串行输入口）
P31TXD（串行输出口）
P32/INT0（外部中断）
P33/INT1（外部中断）
P34T0（TIMER0的外部输入脚）
P35T1（TIMER1的外部输入脚）
P36/WR（外部数据存储器的写入控制信号）
P37/RD（外部数据存储器的读取控制信号）
端口1、2、3有内部上拉电阻，当作为输入时，其电位被拉高，若输入为低
电平可提供电流源；其作为输出时可驱动在高阻抗的状态，其输出缓冲器可驱动
4个LSTTL。
而端口0作为输入时，处
8个LSTTL（需要外部的上拉电阻）。
5、EA/VPP
（1）接高电平时：
a、CPU读取内部程序存储器（ROM），如8051/8052。
b、扩充外部ROM：
当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）、1FFFH（8052）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），如8031/8032。
4.1.2单片机最小系统
1）单片机最小系统复位电路的极性电容C1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C2、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。
4）在单片机启动后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。
当按键按下的时候，
开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。
随着时间的推移，电容的电压在内，
从5V释放到变为了，甚至更小。
根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。
单片机系统自动复位。
5）设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。
计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。
设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。
在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。
当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。
由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，
因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。
当晶振频率为
12MHz
时，最
高计数频率不超过
1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于
2ms。
4.2A/D转换电路
本系统的设计对AD的要求比较高，因此，我采用的是12位的高精度的AD转换器。
转换时间25us，转换精度为%，完全满足本设计。
我们采用的AD转换电路是双极性输入的，可以实现输入信号-5v~+5v、-10v~+10v转换。
由于AD574
片内含有高精度的基准电压源和时钟电路，从而使AD574不需要任何的外加电
路和时钟信号完成A/D转换。
图4A/D转换模块电路图
4.2.1AD574
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，其主要功能特性如下：
·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
1）AD574引脚功能
[1].
Pin1（+V）——+5V电源输入端。
[2].
Pin2（）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是
12位或8位
输出。
[3].Pin3（）——片选端。
[4].Pin4（A0）——字节地址短周期控制端。
与端用来控制启动转换的方式和
数据输出格式。
须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。
[5].Pin5（）——读转换数据控制端。
[6].Pin6（CE）——使能端。
[7].Pin7（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。
[8].Pin8（REFOUT）——10V基准电源电压输出端。
[9].Pin9（AGND）——模拟地端。
[10].Pin10（REFIN）——基准电源电压输入端。
[11].Pin（V-）——负电源输入端，输入-15V电源。
[12].Pin1（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。
[13].Pin13（10VIN）——10V量程模拟电压输入端。
[14].Pin14（20VIN）——20V量程模拟电压输入端。
[15].Pin15（DGND）——数字地端。
[16].Pin16—Pin27（DB0—DB11）——12条数据总线。
通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。
[17].Pin28（STS）——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。
图5AD574A引脚图
2）工作方式
AD574A的CE、、、和A0对其工作状态的控制过程：
在CE=1、=0
同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当=0时A/D
转换，当=1是进行数据读出。
和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格
式。
A0-0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。
当A0=1时，按8位A/D
转换方式进行。
当=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和控制数据输出
状态的格式。
当=1时，数据以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输
出。
而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4
位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。
AD574A的工作模式：
以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A
工作于单一模式，只需将CE、端接至+5V电源端，和A0接至0V，仅用端来控制A/D转换的启动和数据输出。
当=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将置1，即可从数据端读取数据。
8051单片机与AD574A的接口电路：
其中还使用了三态锁存器
74LS373和
74LS00与非门电路，逻辑控制信号由（、和A0）有8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。
AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051，所以接地。
当8051的查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低4位读进8051。
这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与
AD574A的使能端CE相连。
D/A转换电路
D/A转换电路采用DAC0832进行数模转换。
由于DAC0832是单路转换，为
了使系统能有更好的控制性，我加了个多路开关CD4051，从而实现系统的多路
控制。
图6D/A转换电路
4.3.1数模转换器DAC0832
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。
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。
图7DAC0832引脚图
2）0832工作方式
DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。
第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状
态。
具体地说，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电
平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、处于低电平，这
样，当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。
第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状
态。
就是使和为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。
根据上述对DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，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。
4.3.2外接运放5G24
由于D/A转换结果采用电流形式输出。
若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算
升级会员 