東北電力大學自動化計算機控制系統(tǒng)課程設計

東北電力大學自動化計算機控制系統(tǒng)課程設計東北電力大學自動化計算機控制系統(tǒng)課程設計目錄目錄11題目背景與意義22設計題目介紹22.1設計目的22.2設計意義23系統(tǒng)總體框架34系統(tǒng)硬件設計34.1單片機選型34.1.180C51功能介紹：44.1.2晶振電路44.1.3復位電路44.2A/D轉換電路54.2.1ADC0809功能介紹：64.2.2A/D轉換電路圖64.3D/A轉換電路74.3.1DAC0832功能74.3.2D/A轉換電路圖84.4穩(wěn)壓電源84.5調理電路84.6報警指示燈電路94.7鍵盤、顯示控制電路94.7.1鍵盤電路94.7.274LS138104.7.374LS47104.7.4顯示電路115系統(tǒng)軟件設計135.1主程序框圖135.2數(shù)據(jù)程序框圖145.3鍵盤程序框圖155.4顯示程序框圖166總結17附錄總體設計電路原理圖181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。它們要由傳感器轉換成電壓信號，再經(jīng)A/D轉換器變換成計算機能夠處理的信號。同樣，計算機控制外設，如電動調節(jié)閥、模擬調速系統(tǒng)時，就需要將計算機輸出的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉換器變換成外設能接受的模擬信號。

本次《計算機控制系統(tǒng)》課程設計的目的就是讓同學們在理論學習的基礎上，通過完成一個涉及MCS-51單片機A/D和D/A多種資源應用并具有綜合功能的小系統(tǒng)目標板的設計與編程應用，使我們不但能夠將課堂上學到的理論知識與實際應用結合起來，而且能夠對電子電路、電子元器件、等方面的知識進一步加深認識，同時在系統(tǒng)設計、軟件編程、相關儀器設備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。幫助同學們增進對單片機的感性認識，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部功能模塊的應用以及A/D和D/A功能的實現(xiàn)。使學生了解和掌握單片機應用系統(tǒng)的軟硬件設計過程、方法及實現(xiàn)，為以后設計和實現(xiàn)單片機應用系統(tǒng)打下良好基礎。

2設計題目介紹2.1設計目的設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，同時可輸出標準電壓/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。標準電壓/電流信號定為：0～5V/4～20mA(0～20mA)2.2設計意義通過設計此信號測控裝置，加深對控制系統(tǒng)的理解，全面掌握所學的知識并靈活運用起來。

3系統(tǒng)總體框架8051穩(wěn)壓電源顯示模塊模數(shù)轉換模塊鍵盤模塊聲光報警數(shù)模轉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，且滿足我所設計的系統(tǒng)要求的條件，所以此次設計選用80C51單片機作為處理核心。其結構如圖2所示：圖280C51結構4.1.180C51功能介紹：Vss(20腳):接地VCC（40腳）:主電源+5VXTAL1（19腳）:接外部晶體的一端。在片內它是振蕩電路反相放大器的輸入端。對于CHMOS單片機，此引腳作為驅動端。

XTAL2（18腳）:接外部晶體的另一端。在片內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，此引腳應懸浮。

RST（9腳）:單片機剛接上電源時，其內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位（RESET）PSEN（29腳）:外ROM讀選通信號ALE/PROG（30腳）:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖EA/VPP（31腳）:當EA端輸入高電平時，CPU從片內程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當?shù)刂烦?KB時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當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XTAL1XTAL2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復位電路單片機系統(tǒng)中需要一個硬件復位電路，用于用戶的手動復位，80C51是高電平復位有效。最簡單的復位電路由一個電阻、一個電解電容、一個按鈕形成，電路如圖4所示：圖4復位電路圖58051單片機最小系統(tǒng)4.2A/D轉換電路為了完成A/D轉換功能，我選擇的是A/D0809轉換器，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、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。

4.2.1ADC0809功能介紹：圖6ADC0809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（-）：參考電壓負端。

START：A/D轉換啟動信號輸入端。

ALE：地址鎖存允許信號輸入端。

（以上兩種信號用于啟動A/D轉換）.EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。

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）。

4.2.2A/D轉換電路圖圖7A/D轉換電路4.3D/A轉換電路D/A轉換電路我選擇的是DAC0832，它具有與微處理器完全兼容，價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點。DAC0832是8位D/A轉換器，它采用CMOS工藝制作，內部有兩個寄存器，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WR2、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轉換；單緩沖方式一次選通；雙緩沖方式二次選通。

4.3.1DAC0832功能圖8DAC0832芯片圖D0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應大于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，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當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，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內容打入DAC寄存器并開始D/A轉換。

IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內容線性變化；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端外接電阻值可調整轉換滿量程精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V～+15V；VREF：基準電壓輸入線，VREF的范圍為-10V～+10V；AGND：模擬信號地DGND：數(shù)字信號地4.3.2D/A轉換電路圖圖9D/A轉換電路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調理電路在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標準電流信號4~20mA，為此，常要先將其轉換成±10V的標準電壓信號，以便送給各類設備進行處理。這種轉換電路以4mA為滿量程的0%對應-10V；12mA為50%對應0V；20mA為100%對應5V。電路見圖11所示。

圖11調理電路4.6報警指示燈電路當系統(tǒng)正常運行時，綠燈亮。當傳感器所采集的信息通過單片機處理，如果超過設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整工況，調節(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計，目的是當按下一個鍵時，數(shù)碼管上要顯示相應的數(shù)字。4x4按鍵接口電路的設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，設定初始值和設定值。

4.7.1鍵盤電路所用鍵盤是一種常開型按鈕開關，常態(tài)時，鍵盤的兩個觸點處于斷開狀態(tài)；按下時，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4.7.274LS138圖1474LS138結構（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的輸出端以低電平譯出。

4.7.374LS47圖1574LS47結構（1）功能介紹74LS47即為一譯碼器，譯碼為編碼的逆過程。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關系。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)光而設置的。當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，它是為使不希望顯示的0熄滅而設定的。當對每一位A3=A2=A1=A0=0時，本應顯示0，但是在RBI=0作用下，使譯碼器輸出全為高電平。其結果和加入滅燈信號的結果一樣，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。結構如圖16所示：圖16數(shù)碼管結構（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)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17LED顯示電路5系統(tǒng)軟件設計5.1主程序框圖開始啟動A/D轉換，同時將A中的數(shù)據(jù)送入D/A啟動轉換開中斷設置報警電路初始值為紅燈滅綠燈亮設置上下限初始值設置DPTR初始值踏步等待圖18主程序框圖5.2數(shù)據(jù)程序框圖開始關中斷保護現(xiàn)場讀取A/D轉換的結果現(xiàn)場恢復返回結果是否大于上限結果是否小于下限調用顯示子程序報警調用顯示子程序啟動下一次轉換YYNN圖19數(shù)據(jù)轉換框圖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總結面對課程設計，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)過這次課程設計之后，使得自己對于所學的知識進行了一次綜合性的整理，通過查閱相關資料，不僅學習了更多的知識，也提高了自己的實踐能力。通過本次課程設計，我總結了以下幾點：（1）在開始課程設計之前,要對所選擇的芯片內部結構