《计算机控制系统》课程设计报告Word文档格式.docx

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3.2系统框架2

4系统硬件设计2

4.1单片机部分2

3

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。

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。

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。

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。

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，

（1）:

28-29

[5]王义军.数字电子技术基础.北京：

中国电力出版社，2007

[6]刘连浩等.单片机原理与嵌入式应用系统设计.湖北：

武汉大学出版社，2007