基于单片机的具有AD和DA功能的信号测控装置docWord下载.docx

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主程序框图................................................................................................

键盘控制程序框图....................................................................................

数据转换程序框图....................................................................................错误!

显示子程序框图........................................................................................错误!

基本程序..................................................................................................错误!

6结论...............................................................................................................错误!

参考文献............................................................................................................错误!

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

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

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