设计一个基于单片机的具有AD和DA功能的信号测控装置分析.docx
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设计一个基于单片机的具有AD和DA功能的信号测控装置分析
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:
马乐刘波职称:
讲师教授
2016年6月27日
一、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。
二、设计题目介绍
2.1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/0~20mA。
2.2设计要求
2.2.1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Protues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。
2.2.2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)。
三、系统总体框架
图3.1总体设计方案
此控制系统的硬件设计框图如图3.1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。
四、系统硬件设计
4.1单片机AT89C52
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能的CMOS8位单片机,内含4Kbytes的可擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH存储单元,功能强大,AT89C52单片机可提供许多高性价比的应用场合,可灵活适用于各种控制领域。
图4.1AT89C52内部逻辑图
此芯片有4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口总线,两个16位定时/计数器,一个5向量两中断结构,一个全双工串行通信口,片内震荡器及时钟电路。
同时AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口以及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
图4.2AT89C52引脚图
VCC:
主电源输入端。
GND:
地。
P0口:
一组8位漏极开路型双向I/O口,即地址/数据总线复用口。
作为输出口使用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
一组内部带上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时,会输出一个电流(IIL)。
Flash编程和程序校验期间,P1接受低8位地址。
P2口:
一组内部带上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时,会输出一个电流(IIL)。
Flash编程和程序校验期间,P1接受低8位地址。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口线上的内容在整个访问期间不变。
Flash编程或校验时,P2接收高位地址和其他控制信号。
P3口:
一组内部带上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时,会输出一个电流(IIL)。
P3口除作为一般的I/O口外,更重要的用途是它的第二功能,如下表:
表4-1P3端口第二功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD(串行输入口)
TXD(串行输出口)
INT0(外中断0)
INT1(外中断1)
T0(定时/计数器0外部输入)
T1(定时/计数器1外部输入)
WR(外部数据存储器写选通)
RD(外部数据存储器读选通)
RST口:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG口:
在访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节,即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟震荡的频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可以对外输出时钟或用于定时目的。
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。
对Flash存储器编程期间,该引脚还要用于输入编程脉冲(PROG)。
PSEN口:
程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器时,这里爱你两次有效的PSEN信号不出现。
EA/VPP口:
外部访问允许,欲使CPU访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平。
需要注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如果EA端位高电平,CPU则执行内部程序存储器中的指令。
XTAL1:
振荡器反相放大器以及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
4.2A/D转换器ADC0809
4.2.1A/D转换电路原理
A/D转换器是把模拟量转化为与其大小成正比的数字量信号。
根据不同的转换原理,A/D转换器的种类很多,最常见的两种转换器是逐次逼近式和双积分式A/D转换。
本次设计采用的是ADC0809芯片,是逐次逼近式转换器。
4.2.2ADC0809芯片介绍
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它负责将模拟信号弹转换为数字信号,并采用逐次逼近式转换方式实现它与单片机的连接。
4.2.3ADC0809的内部逻辑结构
ADC0809芯片是CMOS型单片双列直插式转换器件,采用逐次式转换方式,可对8路模拟电压分时进行转换。
ADC0809的内部结构如下图所示。
片内集成有具有锁存功能的8路模拟开关,可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换,片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼进寄存器SAR、控制与时序电路等。
输出具有TTL三态锁存缓冲器,楞直接连到微处理器的数据通信总路线上。
ADC0809的结构方框图如下图所示:
图4.3ADC0809的内部结构图
由上图可知,ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道,允许锁存器用8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。
三态输出于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
(3)ADC0809芯片引脚结构及功能
图4.4ADC0809的外部引脚图
VCC:
主电源输入端。
GND:
地。
CLK:
时钟输入端。
IN0-IN7:
8路输入法通道的模拟量输入端。
D0-D7:
8位数字量输出端。
A,B,C:
模拟信号输入通道地址选择线。
在进行A/D转换时,究竟选通哪一路模拟输入通道,由地址线A、B、C的地址编码来决定,其对应关系如下表所示:
表4-2ADC0809地址与模拟通道对应关系
被选模拟通道
C
B
A
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
ST:
ADC启动控制信号输入端,要求正脉冲信号,脉冲的上升沿使所有内部寄存器清零,其下降没开始进行A/D转换。
ALE:
地址允许锁存输入信号,当ALE为高电平时,将A、B、C三个信号锁存在地址锁存器中,以选通相应的输入通道。
EOC:
转换结束信号。
在ST(START)信号之后变为低电平,在A/D转换结束后,变为高电平。
EOC信号可用来申请中断。
OE:
输出允许信号,当为高电平时,打开三态输出缓冲器,把数据送到数据总线上。
4.3D/A转换电路DAC0832
4.3.1DAC0832芯片介绍
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。
4.3.2DAC0832的内部逻辑结构
图4.5DAC0832内部逻辑结构图
该芯片内有两级输入寄存器,使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式,以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。
D/A转换结果采用电流形式输出。
要是需要相应的模拟信号,可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。
运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻,海可以外接。
该片逻辑输入满足TTL电压电平范围,可直接与TTL电路或微机电路相接。
4.3.3DAC0832芯片引脚结构及功能
图4.6DAC0832外部引脚图
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
4.4LED显示电路
加入LED显示是为了便于人机互动,方便工作人员及时了解此时工况。
采用74HC595驱动数码管。
图4.7LED显示电路
74HC595是高速硅门CMOS器件,与低功耗肖特基型TTL(LSTTL)器件的引脚兼容。
74HC595是8位边沿触发式移位寄存器,串行输入数据,然后并行输出。
数据通过两个输入端(DSA或DSB)之一串行输入;任一输入端可以用作高电平使能端,控制另一输入端的数据输入。
两个输入端或者连接在一起,或者把不用的输入端接高电平,一定不要悬空。
时钟(CP)每次由低变高时,数据右移一位,输入到Q0,Q0是两个数据输入端(DSA和DSB)的逻辑与,它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。
主复位(MR)输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效,同时非同步地清除寄存器,强制所有的输出为低电平。
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,调节系统的允许工作范围。
由P1.0-P1.3口控制。
其中,S2是用于进入键盘调节模式和退出键盘调节模式;S3是用于增加上限值;S4用于减小上限值;S5用于增加下限值;S6用于减小下限值。
图4.8键盘电路
4.6稳压电源
为了使单片机能更稳定的工作,必须保证有一个稳定的电压输入。
所以接入一个+5V稳压电源。
7805为典型三端IC稳压集成电路。
图4.9稳压电源电路
4.7声光报警
当系统正常运行时,绿灯亮。
当传感器所采集的信息经过单片机处理,如果超过设置的上限值或低于设置的下限值,蜂鸣器进行报警,红灯亮起。
其电路图如图4.11所示:
图4.10声光报警电路
4.8调理电路
在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号4~20mA,为此,常要先将其转换成±10V的标准电压信号,以便送给各类设备进行处理。
这种转换电路以4mA为满量程的0%对应-10V;12mA为50%对应0V;20mA为100%对应5V。
参考电路见图4.5所示:
图4.11调理电路
经对图4-7电路分析,可知流过反馈电阻Rf的电流为(Vo-VN)/Rf与VN/R1+(VN-Vf)/R5相等,由此,可推出输出电压Vo的表达式:
Vo=(1+Rf/R1+Rf/R5)×VN-(R4/R5)×Vf,由于VN≈Vp=Ii×R4,上式中的VN即可用Ii×R4替换,若R4=200Ω,R1=18kΩ,Rf=7.14kΩ,R5=43kΩ,并调整Vf≈7.53V,输出电压Vo的表达式可
写成如下的形式:
当输入4-20mA电流信号时,对应输出0-5V的电压信号。
4.974LS373
锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)
简要说明:
373为三态输出的八路透明锁存器,共有54S373和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):
图4.1274LS373引脚图
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
五、系统软件设计
5.1主程序框图
图5.1主程序框图
5.2键盘控制程序框图
图5.2键盘控制程序框图
5.3数据转换框图
图5.3数据转换框图
5.4数据显示子程序框图
图5.4数据显示子程序框图
六、总结
单片机具有体积小,功耗低,功能强,通用性好,性价比高易组装成机电仪一体化的各种智能控制设备和仪器,仪表。
面向在线应用,能针对各类控制任务的简繁灵活配置,因而能获得最佳的费效比。
易于实现规划设计,避免不必要的二次开发过程,减少系统的研发费用,产品升级周期短。
易于多机使用主从分布式的集散控制,提高控制系统的效率。
抗干扰能力强,适应温度范围广,能在各种恶劣环境下可靠地工作。
指令精简,实用,系统设计灵活易于推广运用。
本设计能在广泛的领域运用并取得了良好的效果.实践证明,该系统具有操作方便,通过这次学习对单片机的运用有了更深的了解,对单片机的运用更加熟练。
对论文的书写格式也有了很深的帮助。
复习使用了protues与visio软件,使得对软件的使用更加熟练
尽管这次设计的时间是短暂的,但过程很曲折,对我来说,收获最大的是方法和能力,这项设计需要我们将学过哦的相关只是都系统的联系起来,从中暴露不足,以待改进。
参考文献
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[4]姜学军,计算机控制技术(第二版),清华大学出版社,2008,
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1-16
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- 设计 一个 基于 单片机 具有 AD DA 功能 信号 测控 装置 分析