《計算機控制系統(tǒng)》課程設(shè)計AD DA信號處理電路

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1、 目錄 目錄 1 1 題目背景與意義 2 2 設(shè)計題目介紹 2 2.1設(shè)計目的 2 2.2設(shè)計意義 2 3 系統(tǒng)總體框架 3 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3 4.1單片機選型 3 4.1.1 80C51功能介紹： 4 4.1.2晶振電路 4 4.1.3復(fù)位電路 4 4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 5 4.2.1 ADC0809功能介紹： 6 4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖 6 4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路 7 4.3.1 DAC0832功能 7 4.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路圖 8 4.4 穩(wěn)壓電源 8 4.5調(diào)理電路 9 4.6 報警指示燈電路 9 4.7 鍵盤、顯示控制電路

2、10 4.7.1鍵盤電路 10 4.7.2 74LS138 10 4.7.3 74LS47 11 4.7.4顯示電路 12 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 13 5.1 主程序框圖 13 5.2數(shù)據(jù)程序框圖 14 5.3 鍵盤程序框圖 15 5.4顯示程序框圖 16 6 總結(jié) 17 參考資料 17 附錄 總體設(shè)計電路原理圖 18 1 題目背景與意義 在自動控制系統(tǒng)的實際工程中，經(jīng)常需要檢測被測對象的一些物理參數(shù)，如溫度、流量、壓力、速度等，這些參數(shù)都是模擬信號的形式。它們要由傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換成計算機能夠處理的信號。同樣，計算機

3、控制外設(shè)，如電動調(diào)節(jié)閥、模擬調(diào)速系統(tǒng)時，就需要將計算機輸出的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器變換成外設(shè)能接受的模擬信號。 本次《計算機控制系統(tǒng)》課程設(shè)計的目的就是讓同學(xué)們在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過完成一個涉及MCS-51單片機A/D和D/A多種資源應(yīng)用并具有綜合功能的小系統(tǒng)目標(biāo)板的設(shè)計與編程應(yīng)用，使我們不但能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合起來，而且能夠?qū)﹄娮与娐?、電子元器件、等方面的知識進一步加深認(rèn)識，同時在系統(tǒng)設(shè)計、軟件編程、相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。幫助同學(xué)們增進對單片機的感性認(rèn)識，加深對單片機理論方面的理解，從而更好的掌握單片機的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用以及A/

4、D和D/A功能的實現(xiàn)。使學(xué)生了解和掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程、方法及實現(xiàn)，為以后設(shè)計和實現(xiàn)單片機應(yīng)用系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。 2 設(shè)計題目介紹 2.1設(shè)計目的 設(shè)計一個基于單片機的具有A/D和D/A功能的信號測控裝置。要求該信號測控裝置能夠接入典型傳感器、變送器信號，同時可輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號。并滿足抗干擾、通用性、安全性、性價比等原則性要求。標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號定為：0～5V/4～20mA (0～20mA) 2.2設(shè)計意義 通過設(shè)計此信號測控裝置，加深對控制系統(tǒng)的理解，全面掌握所學(xué)的知識并靈活運用起來。 3 系統(tǒng)總體框架 8051

5、 穩(wěn)壓電源 顯示模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 鍵盤模塊 聲光報警 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 模擬量輸出 模擬量輸入 圖1 系統(tǒng)總體框架圖 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計 4.1單片機選型 由于80C51單片機采用的是CHMOS工藝，高速度、高密度、低功耗，具有價格便宜、易上手、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且滿足我所設(shè)計的系統(tǒng)要求的條件，所以此次設(shè)計選用80C51單片機作為處理核心。其結(jié)構(gòu)如圖2所示： 圖2 80C51結(jié)構(gòu) 4.1.1 80C51功能介紹： Vss(20腳):接地 VCC（40腳）: 主電源+5V XTAL1（19腳）:接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器

6、的輸入端。對于CHMOS單片機，此引腳作為驅(qū)動端。 XTAL2（18腳）: 接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。對于CHMOS單片機，此引腳應(yīng)懸浮。 RST（9腳）: 單片機剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該腳輸入24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復(fù)位（RESET） PSEN（29腳）: 外ROM讀選通信號 ALE/PROG（30腳）: 地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖 EA/VPP（31腳）: 當(dāng)EA端輸入高電平時，CPU從片內(nèi)程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦?KB時，將自動執(zhí)行片外程

7、序存儲器的程序。當(dāng)EA輸入低電平時，CPU僅訪問片外程序存儲器。 輸入/輸出引腳： （1）P0.0—P0.7 (39腳—32腳) 作為數(shù)據(jù)總線 （2）P1.0—P1.7 （1腳—8腳） （3）P2.0—P2.7 （26腳—21腳） （4）P3.0—P3.7 （10腳—17腳）具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號，屬控制總線。 4.1.2晶振電路 單片機是一種時序電路，必須供給脈沖信號才能正常工作，所以在XTAL1 XTAL2引腳接入一個振蕩電路，電路如圖3所示： 圖3 晶振電路 4.1.3復(fù)位電路 單片機系統(tǒng)中需要一個硬件復(fù)位電路，用于用戶的手動復(fù)位，8

8、0C51是高電平復(fù)位有效。最簡單的復(fù)位電路由一個電阻、一個電解電容、一個按鈕形成，電路如圖4所示： 圖4 復(fù)位電路 圖 5 8051單片機最小系統(tǒng) 4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 為了完成A/D轉(zhuǎn)換功能，我選擇的是A/D0809轉(zhuǎn)換器，它具有易于和微處理器接口或獨立使用，可滿量程工作，可用地址邏輯多路器選通各輸入通道，單5V供電，輸入范圍為0~5V，輸入和輸出與TTL、CMOS電平兼容等優(yōu)點。 ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以和單片機直接接口，由一個8路模擬量通道選擇開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多

9、路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。 4.2.1 ADC0809功能介紹： 圖6 ADC0809芯片圖 D7-D0：8 位數(shù)字量輸出引腳。 IN0-IN7：8 位模擬量輸入引腳。 VCC：+5V 工作電壓。 GND：地。 REF（+）：參考電壓正端。 REF（-）：參考電壓負(fù)端。 START：A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。 ALE：地址鎖

10、存允許信號輸入端。 （以上兩種信號用于啟動A/D 轉(zhuǎn)換）. EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。 4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖 圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路 4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路 D/A轉(zhuǎn)換電路我選擇的是DAC0832，它具有與微處理器完全兼容，價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，它采用CMOS工藝制作，內(nèi)部有兩個寄存器，而這兩個寄存器的控制信號有五個，輸入寄存器由ILE、CS、WR1控制，DAC寄存器由W

11、R2、Xref控制，用軟件指令控制這五個控制端可實現(xiàn)三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。 直通方式是將兩個寄存器的五個控制端預(yù)先置為有效，兩個寄存器都開通只要有數(shù)字信號輸入就立即進入D/A轉(zhuǎn)換。 單緩沖方式使DAC0832的兩個輸入寄存器中有一個處于直通方式，另一個處于受控方式，可以將WR2和Xfer相連在接到地上，并把WR1接到89C51的WR上，ILE接高電平，CS接高位地址或地址譯碼的輸出端上。 雙緩沖方式把DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器都接成受控方式，這種方式可用于多路模擬量要求同時輸出的情況下。 三種工作方式區(qū)別是：直通方式不需要選通，直接D/A轉(zhuǎn)換；單

12、緩沖方式一次選通；雙緩沖方式二次選通。 4.3.1 DAC0832功能 圖8 DAC0832芯片圖 D0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）

13、有效； WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。 IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化； IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V～+15V； VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V～+10V； AGND：模擬信

14、號地 DGND：數(shù)字信號地 4.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路圖 圖9 D/A轉(zhuǎn)換電路 4.4 穩(wěn)壓電源 為了使單片機能更穩(wěn)定的工作，必須保證有一個穩(wěn)定的電壓輸入。 圖10 穩(wěn)壓電源電路 4.5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4~20mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，以便送給各類設(shè)備進行處理。這種轉(zhuǎn)換電路以4mA為滿量程的0%對應(yīng)-10V；12mA為50%對應(yīng)0V；20mA為100%對應(yīng)5V。電路見圖11所示。 圖11 調(diào)理電路 4.6 報警指示燈電路 當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，綠燈亮。當(dāng)傳感器所采集的信息

15、通過單片機處理，如果超過設(shè)置的上限值或低于下限值時，蜂鳴器進行報警，紅燈亮起。其電路圖如圖12所示。 圖12 報警電路 4.7 鍵盤、顯示控制電路 加入鍵盤是為了便于人機互動，方便工作人員即時調(diào)整工況，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的允許工作范圍。以80C51為核心，配合REPACK-8、74LS138、74LS47的協(xié)同工作來完成鍵盤控制電路的設(shè)計，目的是當(dāng)按下一個鍵時，數(shù)碼管上要顯示相應(yīng)的數(shù)字。4x4按鍵接口電路的設(shè)計是要讀取每一個按鍵的值，通過按鍵控制外圍電路的工作，設(shè)定初始值和設(shè)定值。 4.7.1鍵盤電路 所用鍵盤是一種常開型按鈕開關(guān)，常態(tài)時，鍵盤的兩個觸點處于斷開狀態(tài)；按下時，

16、兩個觸點閉合。通過按鍵在常態(tài)與被按下時的通斷，操作人員就可以通過鍵盤向微控制系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或者控制命令等，從而實現(xiàn)簡單的人機通信。 圖13 鍵盤控制電路 4.7.2 74LS138 圖14 74LS138結(jié)構(gòu) （1）功能介紹 74LS138是用TTL與非門組成的3線—8線譯碼器，其工作原理如下：當(dāng)一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 4.7.3 74LS47 圖15 74LS47結(jié)構(gòu) （1） 功能介紹 74LS47即為一譯碼器，譯碼為編碼的逆

17、過程。它將編碼時賦予代碼的含義“翻譯”過來。實現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應(yīng)關(guān)系。74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用。 表1 真值表 LT：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設(shè)置的。當(dāng)LT=0時，無論輸入A3 ，A2 ，A1 ，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示8。 BI：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)置的。BI=0時。不論LT和輸入A3 ，A2 ，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極數(shù)碼管熄滅。 RBI：滅零輸入，它是為使不希望

18、顯示的0熄滅而設(shè)定的。當(dāng)對每一位A3= A2 =A1 =A0=0時，本應(yīng)顯示0，但是在RBI=0作用下，使譯碼器輸出全為高電平。其結(jié)果和加入滅燈信號的結(jié)果一樣，將0熄滅。 RBO：滅零輸出，它和滅燈輸入BI共用一端，兩者配合使用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。 4.7.4顯示電路 加入LED顯示是為了便于人機互動，方便工作人員及時了解此時工況。為了簡化電路、降低成本，采用八位數(shù)碼管，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位的I/O口控制。結(jié)構(gòu)如圖16所示： 圖16 數(shù)碼管結(jié)構(gòu) （1）數(shù)碼管功能介紹： 由于所有8位段選線皆由一個I/O口控制，因此，在每一瞬間，8位數(shù)

19、碼管會顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，就必須采用掃描方法輪流點亮各位LED，即在每一瞬間只使某一位顯示字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應(yīng)字符段選碼，而每位選擇控制I/O口在該顯示位送入選通電平，以保證該位顯示相的字符。如此輪流，是每位分時顯示該位該顯示字符。 圖17 LED顯示電路 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 5.1 主程序框圖 開始 啟動A/D轉(zhuǎn)換，同時將A中的數(shù)據(jù)送入D/A啟動轉(zhuǎn)換 開中斷 設(shè)置報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18 主程序框圖 5.2數(shù)據(jù)程序框圖 開始 關(guān)中

20、斷保護現(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 報警 調(diào)用顯示子程序 啟動下一次轉(zhuǎn)換 Y Y N N 圖19 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框圖 5.3 鍵盤程序框圖 圖20 鍵盤程序框圖 5.4顯示程序框圖 圖21 顯示程序框圖 6 總結(jié) 面對課程設(shè)計，覺得自己的專業(yè)知識掌握的不夠全面，對于各個芯片的了解不夠充分，經(jīng)過這次課程設(shè)計之后，使得自己對于所學(xué)的知識進行了一次綜合性的整理，通過查閱相關(guān)資料，不僅學(xué)習(xí)了更多的知識，也提高了自己的實踐能力。通過本次

21、課程設(shè)計，我總結(jié)了以下幾點： （1）在開始課程設(shè)計之前,要對所選擇的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解,知道芯片內(nèi)有哪些資源，各個引腳的功能是什么. （2）在進行課程設(shè)計時,不能妄想一次就將整個程序設(shè)計好,"反復(fù)修改,不斷改進"是程序設(shè)計的必經(jīng)之路. （3）在課程設(shè)計過程中遇到問題是正常的,我們應(yīng)該積極尋找解決問題的辦法，并分析清楚產(chǎn)生問題的原因,以免下次再碰到同樣的問題. （4）認(rèn)真審題，不能盲目設(shè)計，要理解課程設(shè)計的方向，做到能把課題完成又能鍛煉自己的能力。 （5）課程設(shè)計可以分塊進行設(shè)計，之后再組合到一起完成整個的設(shè)計。 （6）自己完成了整個課程設(shè)計之后，不僅熟悉了

22、課程設(shè)計的過程，更系統(tǒng)的鍛煉了自己。 參考資料 [1] 姜學(xué)軍. 計算機控制技術(shù). 清華大學(xué)出版社, 2006 [2] 郝曉松, 彭天好, 劉佳東等. 基于單片機的變轉(zhuǎn)速液壓測控系統(tǒng)的研究. 礦山機械, 2010，(6): 22-26 [3] 高峰，崔金寶，曲建嶺. 基于80C198單片機的壓力模糊測控系統(tǒng). 儀表技術(shù)， 2004，(1): 28-29 [4] 馮顯英, 葛榮雨. 基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測控系統(tǒng). 自動化儀表, 2006, 27(1): 59-61 附錄 總體設(shè)計電路原理圖 圖2

23、2 總電路圖ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62z

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