《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的具有AD和DA功能的信號(hào)測(cè)控裝置

《《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的具有AD和DA功能的信號(hào)測(cè)控裝置》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的具有AD和DA功能的信號(hào)測(cè)控裝置（24頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 目錄 1 題目背景與意義 1 2 設(shè)計(jì)題目介紹 2 2.1 設(shè)計(jì)題目 2 2.2 題目要求 2 3 系統(tǒng)總體框架 3 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3 4.1 主控制芯片8051 3 4.1.1 8051引腳說明 4 4.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 5 4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 6 4.2.1 AD574 7 4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路 9 4.3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832 9 4.3.2 外接運(yùn)放5G24 11 4.4 調(diào)理電路 12 4.5 穩(wěn)壓電源 13 4.6 鍵盤模塊 14 4.7 LED顯示電路 14 4.8 聲光報(bào)警電路 15 4.9 整

2、體硬件設(shè)計(jì)圖 16 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 17 5.1主程序框圖 17 5.2鍵盤控制程序框圖 18 5.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序框圖 19 5.4顯示子程序框圖 20 5.5 基本程序 21 6 結(jié)論 23 參考文獻(xiàn) 24 1 題目背景與意義 本課程設(shè)計(jì)以《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程理論為基礎(chǔ)，以其他電子類、計(jì)算機(jī)及接口類相關(guān)課程內(nèi)容為輔助，在實(shí)踐中鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、理論應(yīng)用能力、總結(jié)歸納能力以及自我學(xué)習(xí)能力，提高其實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)業(yè)精神。 2 設(shè)計(jì)題目介紹 2.1 設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的具有A/D和D/A功能的信號(hào)測(cè)控裝

3、置。要求該信號(hào)測(cè)控裝置能夠接入典型傳感器、變送器信號(hào)，同時(shí)可輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號(hào)。并滿足抗干擾、通用性、安全性、性價(jià)比等原則性要求。 標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號(hào)此處定為：0～5V/4～20mA (0～20mA) 2.2 題目要求 1. 基本要求： 1) 充分理解題目要求，確定方案。 2) 合理選擇器件型號(hào)。 3) 用1號(hào)圖紙1張或者采用Protel軟件畫出電原理圖。 4) 用1號(hào)圖紙1張畫出軟件結(jié)構(gòu)框圖。 5) 寫出設(shè)計(jì)報(bào)告，對(duì)課程設(shè)計(jì)成品的功能進(jìn)行介紹及主要部分進(jìn)行分析與說明。 6) 每天寫出工作日記。 2. 發(fā)揮部分： 1) 可將系統(tǒng)擴(kuò)展為多路。可在此系統(tǒng)中擴(kuò)展鍵盤、顯

4、示（LCD/LED）、與上位機(jī)通訊功能。 2) 完成以上基本設(shè)計(jì)部分之后，可以運(yùn)用Protues仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的編程和仿真，調(diào)試測(cè)控系統(tǒng)并觀察其運(yùn)行結(jié)果(可以分部分完成)。 3 系統(tǒng)總體框架 8051 穩(wěn)壓電源 顯示模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 鍵盤模塊 聲光報(bào)警 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 模擬量輸出 模擬量輸入 圖1 總體設(shè)計(jì)方案 此控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。被控對(duì)象經(jīng)傳感器，變送器輸入電壓信號(hào)或電流信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中調(diào)理電路送入A/D轉(zhuǎn)換器，通過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，所檢測(cè)到的電壓信號(hào)和送入單片機(jī)進(jìn)行比較，以顯示模塊顯示結(jié)果，聲光報(bào)警判斷是否正常工

5、作。由鍵盤模塊設(shè)定報(bào)警上下限值。穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定電壓。數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬量進(jìn)行控制。 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 主控制芯片8051 本設(shè)計(jì)的主控制芯片我們選擇性價(jià)比高的8051單片機(jī)，8051單片機(jī)是一款8位的CPU，與通用的微處理器基本相同。片內(nèi)有128個(gè)字節(jié)RAM，片外最多可以外擴(kuò)到64k。8051有4k字節(jié)的ROM；具有5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先權(quán)；3個(gè)8位的并行I/O口、一個(gè)全雙工的串行口，2個(gè)16為的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，基于從經(jīng)濟(jì)出發(fā)，本設(shè)計(jì)我們選擇8051單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)控制的要求。原理圖如圖2。 圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 4.1.1 8051引腳說明 圖3 8051引腳圖

6、8051共有4個(gè)I/O端口，為P0、P1、P2、P3，四個(gè)I/O口都是雙向的，且每個(gè)口都具有鎖存器。每個(gè)口有8條線，共計(jì)32條I/O線。各端口的功能敘述如下： 1、P0口 有三個(gè)功能： （1）外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作數(shù)據(jù)總線（D0~D7）。 （2）外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（A1~A7）。 （3）不擴(kuò)充時(shí)，可做一般I/O口使用，但內(nèi)部沒有上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 2、P1口 只做I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。 3、P2口 有兩個(gè)功能： （1）擴(kuò)充外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（A8~A15）使用。 （2）做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。 4、P3口

7、 有兩中功能 除了作為I/O口使用外（內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置。 P30……RXD（串行輸入口） P31……TXD（串行輸出口） P32……/INT0（外部中斷） P33……/INT1（外部中斷） P34……T0（TIMER0的外部輸入腳） P35……T1（TIMER1的外部輸入腳） P36……/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫入控制信號(hào)） P37……/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取控制信號(hào)） 端口1、2、3有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)作為輸入時(shí)，其電位被拉高，若輸入為低電平可提供電流源；其作為輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS TTL。而端口0作為輸入時(shí)，處在高阻抗的狀態(tài)，其輸

8、出緩沖器可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS TTL（需要外部的上拉電阻）。 5、EA/VPP （1）接高電平時(shí)： a、CPU讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM），如8051/8052。 b、擴(kuò)充外部ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器超過0FFFH（8051）、1FFFH（8052）時(shí)，自動(dòng)讀取外部ROM。 （2）接低電平時(shí)：CPU讀取外部程序存儲(chǔ)器（ROM），如8031/8032。 4.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 1）單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用10~30uF，51單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。 2）51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度

9、，頻率越大處理速度越快。 3）51單片機(jī)最小系統(tǒng)起振電容C2、C3一般采用15~33pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好。 4）在單片機(jī)啟動(dòng)0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自

10、動(dòng)復(fù)位。 5）設(shè)置為定時(shí)器模式時(shí)，加1計(jì)數(shù)器是對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)（1個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)振蕩周期，即計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的1/12）。計(jì)數(shù)值N乘以機(jī)器周期Tcy就是定時(shí)時(shí)間t。 設(shè)置為計(jì)數(shù)器模式時(shí)，外部事件計(jì)數(shù)脈沖由T0或T1引腳輸入到計(jì)數(shù)器。在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣T0、T1引腳電平。當(dāng)某周期采樣到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時(shí)，則計(jì)數(shù)器加1，更新的計(jì)數(shù)值在下一個(gè)機(jī)器周期的S3P1期間裝入計(jì)數(shù)器。由于檢測(cè)一個(gè)從1到0的下降沿需要2個(gè)機(jī)器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)晶振頻率為12MHz時(shí)，最高計(jì)數(shù)頻率不超過1/2MHz，即計(jì)數(shù)脈沖的周期要大于2 m

11、s。 4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)AD的要求比較高，因此，我采用的是12位的高精度的AD轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時(shí)間25us，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，完全滿足本設(shè)計(jì)。我們采用的AD轉(zhuǎn)換電路是雙極性輸入的，可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)-5v~+5v、-10v~+10v轉(zhuǎn)換。由于AD574片內(nèi)含有高精度的基準(zhǔn)電壓源和時(shí)鐘電路，從而使AD574不需要任何的外加電路和時(shí)鐘信號(hào)完成A/D轉(zhuǎn)換。 圖4 A/D轉(zhuǎn)換模塊電路圖 4.2.1 AD574 AD574A是美國模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，

12、精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下： 分辨率：12位 非線性誤差：小于1/2LBS或1LBS 轉(zhuǎn)換速率：25us 模擬電壓輸入范圍：0—10V和0—20V，0—5V和0—10V兩檔四種 電源電壓：15V和5V 數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位 芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式 1）AD574引腳功能 [1]. Pin1(+V)——+5V電源輸入端。 [2]. Pin2( )——數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位或8位輸出。 [3]. Pin3( )——片選端。 [4]. Pin4(A

13、0)——字節(jié)地址短周期控制端。與 端用來控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。須注意的是， 端TTL電平不能直接+5V或0V連接。 [5]. Pin5( )——讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。 [6]. Pin6(CE)——使能端。 [7]. Pin7(V+)——正電源輸入端，輸入+15V電源。 [8]. Pin8(REF OUT)——10V基準(zhǔn)電源電壓輸出端。 [9]. Pin9(AGND)——模擬地端。 [10]. Pin10(REF IN)——基準(zhǔn)電源電壓輸入端。 [11]. Pin(V-)——負(fù)電源輸入端，輸入-15V電源。 [12]. Pin1(V+)——正電源輸入端，輸入+15V電源

14、。 [13]. Pin13(10V IN)——10V量程模擬電壓輸入端。 [14]. Pin14(20V IN)——20V量程模擬電壓輸入端。 [15]. Pin15(DGND)——數(shù)字地端。 [16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12條數(shù)據(jù)總線。通過這12條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 [17]. Pin28(STS)——工作狀態(tài)指示信號(hào)端，當(dāng)STS=1時(shí)，表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)STS=0時(shí)，聲明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過此信號(hào)可以判別A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，作為單片機(jī)的中斷或查詢信號(hào)之用。 圖5 AD574A引腳圖 2）工作方式 AD574

15、A的CE、、、 和A0對(duì)其工作狀態(tài)的控制過程：在CE=1、 =0同時(shí)滿足時(shí)，AD574A才會(huì)正常工作，在AD574處于工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng) =0時(shí)A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng) =1是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出。 和A0端用來控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。A0-0時(shí)，啟動(dòng)的是按完整12位數(shù)據(jù)方式進(jìn)行的。當(dāng)A0=1時(shí)，按8位A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行。當(dāng) =1，也即當(dāng)AD574A處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，A0和 控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。當(dāng) =1時(shí)，數(shù)據(jù)以12位并行輸出，當(dāng) =0時(shí)，數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出。而當(dāng)A0=0時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位，A0=1時(shí)輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低4位，這四位占一個(gè)字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補(bǔ)零。 AD574A的工作模式

16、：以上我們所述的是AD574A的全控狀態(tài)，如果需AD574A工作于單一模式，只需將CE、 端接至+5V電源端， 和A0接至0V，僅用 端來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)輸出。當(dāng) =0時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)25us后STS=1，表明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)將 置1，即可從數(shù)據(jù)端讀取數(shù)據(jù)。 8051單片機(jī)與AD574A的接口電路：其中還使用了三態(tài)鎖存器74LS373和74LS00與非門電路，邏輯控制信號(hào)由(、和A0)有8051的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器74LS373鎖存到輸出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作過程。AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過P0數(shù)據(jù)總線連至8051，由于我們只使用了

17、8位數(shù)據(jù)口，12位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn)8051，所以接地。當(dāng)8051的p3.0查詢到STS端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后，先將轉(zhuǎn)換后的12位A/D數(shù)據(jù)的高8位讀進(jìn)8051，然后再將低4位讀進(jìn)8051。這里不管AD574A是處在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能端CE都必須為1，因此將8051的寫控制線和讀控制線通過與非門74LS00與AD574A的使能端CE相連。 4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路 D/A轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。由于DAC0832是單路轉(zhuǎn)換，為了使系統(tǒng)能有更好的控制性，我加了個(gè)多路開關(guān)CD4051，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多路控制。 圖6 D/A轉(zhuǎn)換電路 4.3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832 D

18、AC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，它采用CMOS工藝制作，具有雙緩沖器輸入結(jié)構(gòu)。 1）0832引腳功能 DAC0832是20引腳的雙列直插式芯片。各引腳的特性如下： CS——片選信號(hào)，和允許鎖存信號(hào)ILE組合來決定 是否起作用。 ILE——允許鎖存信號(hào)。 WR1——寫信號(hào)1，作為第一級(jí)鎖存信號(hào)，將輸入資料鎖存到輸入寄存器（此時(shí)， 必須和 、ILE同時(shí)有效）。 WR2——寫信號(hào)2，將鎖存在輸入寄存器中的資料送到DAC寄存器中進(jìn)行鎖存（此時(shí)，傳輸控制信號(hào) 必須有效）。 XFER——傳輸控制信號(hào)，用來控制 。 DI7~DI0——8位數(shù)據(jù)輸入端。 IOUT1——模擬電流輸

19、出端1。當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí)，輸出電流為0。 IOUT2——模擬電流輸出端2。IOUT1+IOUT2=常數(shù)。 RFB——反饋電阻引出端。DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端。相當(dāng)于將反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。 VREF——參考電壓輸入端?？山与妷悍秶鸀?0V。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過VREF與T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 VCC——芯片供電電壓端。范圍為+5V~+15V，最佳工作狀態(tài)是+15V。 AGND——模擬地，即模擬電路接地端。 DGND——數(shù)字地，即數(shù)字電路接地端。

20、圖7 DAC0832引腳圖 2）0832工作方式 DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，可以采用兩種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。 第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。具體地說，就是使 和 都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號(hào)ILE處于高電平、 處于低電平，這樣，當(dāng) 端來一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，就可以完成1次轉(zhuǎn)換。 第二種方法是使輸入寄存器工作在直通狀態(tài)，而DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)。就是使 和 為低電平，ILE為高電平，這樣，輸入寄存器的鎖存選通信號(hào)處于無效狀態(tài)而直通；當(dāng) 和 端輸入1個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，使得DAC寄存器工作在鎖存狀

21、態(tài)，提供鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 根據(jù)上述對(duì)DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3種工作方式： ①單緩沖方式。單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。 ②雙緩沖方式。雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。 ③直通方式。直通方式是資料不經(jīng)兩級(jí)鎖存器鎖存，即 CS*，XFER* ，WR1* ，WR2* 均接地，ILE接高電平。此方

22、式適用于連續(xù)反饋控制線路和不帶微機(jī)的控制系統(tǒng)，不過在使用時(shí)，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。 4.3.2 外接運(yùn)放5G24 由于D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機(jī)電路連接。 運(yùn)算放大器有三個(gè)特點(diǎn)： ⑴開環(huán)放大倍數(shù)非常高，一般為幾千，甚至可高達(dá)10萬。在正常情況下，運(yùn)算放大器所需要的輸入電壓非常小。 ⑵輸入阻抗非常大。運(yùn)算放大器工作時(shí)，輸入端相當(dāng)于一個(gè)很小的電壓加在一個(gè)很大

23、的輸入阻抗上，所需要的輸入電流也極小。 ⑶輸出阻抗很小，所以，它的驅(qū)動(dòng)能力非常大。 本設(shè)計(jì)采用實(shí)際較為常用的5G24型放大器。 表1 5G24引腳功能表 4.4 調(diào)理電路 在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)4~20mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，以便送給各類設(shè)備進(jìn)行處理。這種轉(zhuǎn)換電路以4mA為滿量程的0%對(duì)應(yīng)-10V；12mA為50%對(duì)應(yīng)0V；20mA為100%對(duì)應(yīng)5V。參考電路見圖9所示。 圖9 4-20MA電流轉(zhuǎn)電壓電路 在與電流輸出的傳感器接口的時(shí)候，為了把傳感器(變送器)輸出的1-10mA或者4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，往

24、往都會(huì)在后級(jí)電路的最前端配置一個(gè)I/V轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)前可配置一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的緩沖處理電路，增加這級(jí)運(yùn)算放大器可以起到對(duì)零點(diǎn)的處理會(huì)變得更加方便，無需耗用單片機(jī)的內(nèi)部資源，尤其單片機(jī)是采用A／D接口來接受這種零點(diǎn)信號(hào)不為零電壓的輸入時(shí)，可以保證A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)的資源能夠全部應(yīng)用于有用信號(hào)上。 以4～20mA 例，圖中的RA0是電流取樣電阻，其值的大小主要受傳感變送器供電電壓的制約，當(dāng)前級(jí)采用24V供電時(shí)，RA0經(jīng)常會(huì)使用500Ω的阻值，對(duì)應(yīng)20mA 的時(shí)候，轉(zhuǎn)換電壓為10V，如果僅僅需要最大轉(zhuǎn)換電壓為5V，可以取RA0=250Ω，這時(shí)候，傳感變送器的供電只要12V就夠用了。因?yàn)榧词箓魉途?/p>

25、離達(dá)到1000米，RA0最多也就幾百Ω而已。 同時(shí)，線路輸入與主電路的隔離作用，尤其是主電路為單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)候，這個(gè)隔離級(jí)還可以起到保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的作用。 圖采用的是廉價(jià)運(yùn)放1458，其對(duì)零點(diǎn)的處理是在反相輸入端上加入一個(gè)調(diào)整電壓，其大小恰好為輸入4mA時(shí)在RAO上的壓降。有了運(yùn)算放大器，還使得 RAO的取值可以更加小，因?yàn)檫@時(shí)信號(hào)電壓不夠大的部分可以通過配置運(yùn)放的放大倍數(shù)來補(bǔ)足。這樣，就可以真正把4～20mA電流轉(zhuǎn)換成為0～5V電壓了。 經(jīng)電路分析，可知流過反饋電阻Rf的電流為(Vo-VN)/Rf與VN/R1＋(VN-Vf)/R5相等，由此，可推出輸出電壓Vo的表達(dá)式： Vo=(1+

26、Rf/R1+Rf/R5)VN-(R4/R5)Vf。由于VN≈Vp＝IiR4，上式中的VN即可用IiR4替換，若R4＝200Ω，R1＝18kΩ，Rf＝7.14kΩ，R5＝43kΩ，并調(diào)整Vf≈7.53V，輸出電壓Vo的表達(dá)式可寫成如下的形式: 當(dāng)輸入4－20mA電流信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出0－5V的電壓信號(hào)。 4.5 穩(wěn)壓電源 為了使單片機(jī)能更穩(wěn)定的工作，必須保證有一個(gè)穩(wěn)定的電壓輸入。所以接入一個(gè)+5V穩(wěn)壓電源。7805為典型三端IC穩(wěn)壓集成電路。 圖9 穩(wěn)壓電源模塊 4.6 鍵盤模塊 加入鍵盤是為了便于人機(jī)互動(dòng)，方便工作人員即時(shí)調(diào)整工況，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的允許工作范圍。由P1.0-P1.3

27、口控制。 其中，S2是用于進(jìn)入鍵盤調(diào)節(jié)模式和退出鍵盤調(diào)節(jié)模式；S3是用于增加上限值；S4用于減小上限值；S5用于增加下限值；S6用于減小下限值。 圖10 鍵盤電路 4.7 LED顯示電路 加入LED顯示是為了便于人機(jī)互動(dòng)，方便工作人員及時(shí)了解此時(shí)工況。采用74LS164驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。 圖11 LED顯示電路 74HC164、74HCT164 是高速硅門 CMOS 器件，與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。74HC164、74HCT164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；

28、任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。 時(shí)鐘 (CP) 每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長度。 主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。 4.8 聲光報(bào)警電路 當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，綠燈亮。當(dāng)傳感器所采集的信息通過單片機(jī)處理，如果超過設(shè)置的上限值或低于下限值時(shí)，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，紅燈亮起。其電路圖如圖12所示。 圖12 聲光

29、報(bào)警電路 4.9 整體硬件設(shè)計(jì)圖 圖 13 整體設(shè)計(jì)電路圖 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1主程序框圖 開始 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)將A中的數(shù)據(jù)送入D/A啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 開中斷 設(shè)置報(bào)警電路初始值為紅燈滅綠燈亮 設(shè)置上下限初始值 設(shè)置DPTR初始值 踏步等待 圖14 主程序框圖 5.2鍵盤控制程序框圖 開始 關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn)場 紅燈、綠燈熄滅 現(xiàn)場恢復(fù)返回 查詢S3是否按下 查詢S4是否按下 查詢S5是否按下 查詢S6是否按下 查詢S2是否按下 增加上限 減少上限 增加下限 減少下限 Y Y Y Y Y N N N

30、N N 圖15 鍵盤控制程序框圖 5.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序框圖 開始 關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn)場 讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果 現(xiàn)場恢復(fù)返回 結(jié)果是否大于上限 結(jié)果是否小于下限 調(diào)用顯示子程序 報(bào)警 調(diào)用顯示子程序 啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換 Y Y N N 圖16 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序框圖 5.4顯示子程序框圖 開始 將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的個(gè)、十、百位分別放入51H、52H、53H 令R1指向52H，R7計(jì)數(shù) 返回 R7是否為0 向LED輸出一位顯示代碼 Y N 圖17 顯示子程序框圖 . 5.5 基本程序 程序： org 0000h aj

31、mp start org 0003h ajmp wb0 org 0013h ajmp wb1 start：SETB EA SETB EX0 setb ex1 setb p2.3 ；設(shè)置報(bào)警電路為正常 CLR P2.4 mov 54h,#0c8h ；設(shè)置上下限值 mov 55h,#32h MOV DPTR,#7F00H MOVX @DPTR,A ；啟動(dòng)A/D和D/A轉(zhuǎn)換 AJMP $ wb1： clr EA

32、 ；鍵盤控制程序 clr ex0 LCALL DELLAY LCALL DELLAY LCALL DELLAY CLR P2.3 CLR P2.4 key： jnb p1.0,key0 ；查詢 jnb p1.1,key1 jnb p1.2,key2 jnb p1.3,key3 jnb p3.3,key4 ajmp key key0： INC 54H ；增加上限 LCALL DELLAY

33、 LCALL DELLAY RET key1：dec 54h ；減小上限 LCALL DELLAY LCALL DELLAY RET key2：inc 55h ；增加下限 LCALL DELLAY LCALL DELLAY RET key3：dec 55h ；減小下限 LCALL DELLAY LCALL DELLAY RET key4：

34、 setb EA ；退出鍵盤調(diào)節(jié)模式 setb ex0 setb p2.3 clr p2.4 LCALL DELLAY LCALL DELLAY reti wb0： CLR EX0 NOP NOP MOV DPTR,#7F00H ；讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOVX A,@DPTR cjne a,54h,next1 ；判斷系統(tǒng)是否異常 next1：jc next2 cpl P2.4 cpl P2

35、.3 LCALL XIANSHI reti next2：cjne a,55h,next3 next3：jnc next4 cpl P2.4 cpl P2.3 LCALL XIANSHI reti next4：LCALL XIANSHI MOV DPTR,#07F00H MOVX @DPTR,A nop nop SETB EX0 RETI XIANSHI：MOV B,#100 ；LED顯示程序 DIV AB MOV 50H,a mov a,b mov b,#10

36、 div ab mov 51h,a mov 52h,b DISP： MOV R0,#52H MOV R7,#03H NEXT： MOV A,@R0 MOV DPTR,#DDSEG MOVC A,@A+DPTR MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI deC R0 DJNZ R7,NEXT DELLAY： MOV R4,#255 NEXT12： MOV R5,#255 N

37、EXT11： NOP NOP NOP DJNZ R5,NEXT11 DJNZ R4,NEXT12 RET DDSEG： DB 03H,9FH,25H,0DH,99H,49H,41H,1FH,01H,09H 6 結(jié)論 本設(shè)計(jì)能在廣泛的領(lǐng)域運(yùn)用并取得了良好的效果. 實(shí)踐證明, 該系統(tǒng)具有操作方便,通過這次學(xué)習(xí)對(duì)單片機(jī)的運(yùn)用有了更深的了解，對(duì)單片機(jī)的運(yùn)用更加熟練。對(duì)論文的書寫格式也有了很深的幫助。 其次，在本次設(shè)計(jì)過程中，自學(xué)了protues與protel軟件。今后才需要多加練習(xí)才能更加熟

38、練。 參考文獻(xiàn) [1] J. Basak, B. Chanda, D.D. Manjumder, On edge and line linking with connectionist models, IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 24 (3) 413–428, 1994. [2] 馮顯英, 葛榮雨. 基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測(cè)控系統(tǒng). 自動(dòng)化儀表, 2006, 27(1): 59-61 [3] 姜學(xué)軍. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 清華大學(xué)出版社, 2006 [4] 郝曉松, 彭天好, 劉佳東等. 基于單片機(jī)的變轉(zhuǎn)速液壓測(cè)控系統(tǒng)的研究. 礦山機(jī)械, 2010，(6): 22-26 [5] 高峰，崔金寶，曲建嶺. 基于80C198單片機(jī)的壓力模糊測(cè)控系統(tǒng). 儀表技術(shù)， 2004，(1): 28-29 [6] 馮顯英, 葛榮雨. 基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測(cè)控系統(tǒng). 自動(dòng)化儀表, 2006, 27(1): 59-61 24