计算机控制系统课程设计论文.doc
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1、目目 录录 1 1、设计目的及要求、设计目的及要求2 2 1.11.1 设计目的及意义设计目的及意义2 2 1.21.2 设计要求设计要求2 2 2 2、工作原理及元器件选择、工作原理及元器件选择3 3 2.12.1 单片机简介单片机简介3 3 2.2.12.2.1 引脚简介引脚简介4 4 2.32.3 A/DA/D 转换装置转换装置 6 6 2.3.12.3.1 A/DA/D 转换基本原理转换基本原理 6 6 2.3.22.3.2 A/DA/D 转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 7 7 2.3.32.3.3 ADC0809ADC0809 内部构造内部构造 8 8 2.3.42.3.4
2、 ADC0809ADC0809 引脚连线引脚连线 9 9 2.42.4 D/AD/A 转换装置转换装置 1010 2.4.12.4.1 D/AD/A 转换基本原理转换基本原理 1010 2.4.22.4.2 D/AD/A 转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 1010 2.4.32.4.3 DAC0832DAC0832 内部构造内部构造 1111 2.4.42.4.4 DAC0832DAC0832 的工作方式的工作方式 1212 2.4.52.4.5 DAC0832DAC0832 的输出方式的输出方式 1313 2.52.5 锁存器锁存器1414 2.5.12.5.1 74LS37374L
3、S373 性能特点性能特点 1515 2.62.6 分频器分频器1616 2.72.7 其它电路其它电路1616 2.7.12.7.1 报警显示电路报警显示电路 1616 2.7.22.7.2 看门狗电路看门狗电路1717 2.7.32.7.3 扩展电路扩展电路1818 2.7.42.7.4 上位机通讯电路上位机通讯电路1919 2.7.52.7.5 LEDLED 显示电路显示电路 2020 3 3、系统工作过程、系统工作过程2121 3.13.1 ADC0809ADC0809 工作过程工作过程 2121 3.23.2 DAC0832DAC0832 工作过程工作过程 2121 4 4、元器件清
4、单、元器件清单2222 5 5、心得体会、心得体会2222 6 6、参考文献、参考文献2222 7 7、工作日记、工作日记2323 2 1、设计目的及要求、设计目的及要求 1.1 设计目的设计目的及意义及意义 本课程的课程设计的目的在于加深对计算机控制技术理论知识的理解和对 这些理论的实际应用能力,提高对实际问题的分析和解决能力,以达到理论学 习的目的,并培养学生应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力,加深对控 制系统理解,将所学的知识灵活穿插并运用起来。 1.2 设计要求设计要求 设计一个基于单片机具有 A/D,D/A 功能的信号测控装置,要求能够接入 典型传感器信号,输入标准电压/电流,
5、抗干扰,通用,安全,性价比高。 2、工作原理及、工作原理及元器件选择元器件选择 2.1 单片机简介单片机简介 在单片机应用系统中,被测量的温度、压力、流量、速度等非电物理量, 需要经传感器先转换成连续变化的模拟电信号(电压或电流) ,这些模拟电信号 必须转换成数字量后才能在单片机中用应用软件进行处理。 我们通常所讲的“单片机”又称微控制器,它并不是完成某一个逻辑功能 的芯片,而是把中央处理器(CPU) 、随机存取存储器(RAM) 、只读存储器 (ROM) 、输入/输出设备等系统集成到一块电路芯片中。技术在进步,现在某些 型号的单片机芯片中也集成了 A/DAnalog to Digital Co
6、nversion(模拟- 字转换) ,D/ADigital to Analog Conversion(数字-模拟转换)等功能模 块。简单的讲:这块芯片就成了一台计算机。它具有体积小、重量轻、价格低 廉的特点。 目前用的较多是 Intel MCS-51 系列单片机,它有三个版本: 8031、8051、8751(8 位机) 。本设计中我采用的是 89C51 单片机。89C51 单片 机芯片采用 40 引脚双列直插封装(DIP)形式,引脚如图 1 所示。 3 图 1- 89C51 引脚图 2.2.1 引脚简介引脚简介 主电源和时钟振荡电路引脚 Vcc(40 引脚):运行和程序校验时接+5V 电源。
7、Vss(20 引脚):电源地。 XTAL1(19 引脚):接外部晶振的一个引脚。该引脚内部是一个反相放大 器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外部晶体振荡器时, 此引脚应接地。 XTAL2(18 引脚):接外部晶振的另一端,在该引脚内部接至内部反相放 大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时,该引脚接收时钟振荡器的信号,即 把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 输入输出 I/O 引脚 共 4 个 8 位的并行 I/O 口,32 根 I/O 线。 P0.0-P0.7(32-39 引脚):统称为 P0 口。在不接片外存储器与不扩展 I/O 口时,可作为准双向输入/输出口。在接有片外
8、存储器或扩展 I/O 口时,P0 口 分时复用为低 8 位地址总线和双向数据总线。 P1.0-P1.7(1-8 引脚):统称为 P1 口。可作为准双向 I/O 口使用。对于 52 子系列,P1.0 与 P1.1 还有第二功能:P1.0 可用作定时器/计数器 2 的计数 4 脉冲输入端 T2,P1.1 可用作定时器/计数器 2 的外部控制端 T2EX。 P2.0-P2.7(21-28 引脚):统称为 P2 口。一般可作为准双向 I/O 口使用; 在接有片外存储器或扩展 I/O 口且寻址范围超过 256 字节时,P2 口用作高 8 位 地址总线。 P3.0-P3.7(10-17 引脚):统称为 P
9、3 口。除作为准双向 I/O 口使用外, 还可以将每一位用于第二功能,而且 P3 口的每一条引脚均可以独立定义为第一 功能的输入输出或第三功能。P3 口的第二功能如表 1 所示。 表 1 P3 口第二功能 P3.0 (串行口输入)RXD P3.1 (串行口输出端)TXD P3.2 (外部中断 0 请求输入端,低电平有效)0INT P3.3 (外部中断 1 请求输入端,低电平有效)1INT P3.4 (定时器/计数器 0 计数脉冲输入端)0T P3.5 (定时器/计数器 1 计数脉冲输入端)1T P3.6 (外部数据存储器写选通信号输入端,低电平有效)WR P3.7 (外部数据存储器读选通信号输
10、入端,低电平有效)RD 控制信号引脚 (9 引脚):RST(RESET)是复位信号的输入端,高电平有效。VPDRST / 当单片机运行时,在此引脚加上持续时间大于两个机器周期(24 个时钟振荡周 期)的高电平时,就可以完成复位操作。在此单片机正常工作时,此引脚应为 0.5V 低电平。VPD 为本引脚的第二功能,即备用电源输入端。当主电源 Vcc 发生故障,降低到某一规定值的低电平时,将+5V 电源自动接入 RST 端,为内 部 RAM 提供备用电源,以保证片内 RAM 中信息不丢失,从而使单片机在复位后 能继续正常运行。 (30 引脚):ALE 引脚输出为地址锁存允许信号,当单片机上PROGA
11、LE/ 5 电正常工作后,ALE 引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时, ALE 输出信号的负跳沿用于单片机发出的低 8 位地址经外部锁存器锁存控制信 号。即使不访问外部锁存器,ALE 端仍有正脉冲信号输出,此频率为时钟振荡 器频率的 1/6。如果想初步判断单片机芯片的好坏,可用示波器查看 ALE 端是 否有正脉冲信号输出。如果有脉冲信号输出,则单片机基本上是好的。 PROG 为本引脚的第二功能。在对片内 EPROM 型单片机编程写入时,此引脚 作为编程脉冲输入端。 (29 引脚):访问外部程序存储器选通信号,低电平有效。在访问PSEN 外部程序存储器读取指令码时,每个机器周期产生
12、 2 次 PSEN 信号。在执行片内 程序存储器取指令时,不产生 PSEN 信号;在访问外部数据存储器时,亦不产生 PSEN 信号。 :EA 为内外程序存储器选择控制端。当 EA 引脚为高电平时,单片 PP VEA/ 机访问片内程序存储器,但在 PC(程序计数器)值超过 0FFFH 时,即超出片内 程序存储器的 4KB 地址范围时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当 EA 引脚为低电平时,单片机则只访问外部程序存储器,不论是否有内部存储器。 6 图 2- 89C51 最小系统 2.32.3 A/DA/D 转换装置转换装置 2.3.12.3.1 A/DA/D 转换基本原理转换基本原理 单片
13、机在日常生活中用得越来越多,其集成度也越来越高,目前拥有多种 单片机都集成有 A/D 转换功能,如 PIC,AVR,SUNPLUS,SH 等。处理器的位数 从 4 位到 32 位或更高,转换精度从 6 位,8 位,10 位或更高。 单片机内集成的 A/D 转换,一般都有相应的特殊功能寄存器来设置 A/D 的 使能标志,参考电压,转换频率,通道选择,A/D 输入口的属性(模拟量输入 还是普通的 I/O 口) ,启动,停止控制等。有了这些寄存器,使得我们控制单片 机的模拟量采集变得非常方便。 A/D 转换的基本原理是:将参考电平按最大的转换值量化,再利用输入模 拟电平与参考电平的比例来求得输入电平
14、的测量值(V 测=V 参*(AD 量化值/AD 转换的最大值) ) 。有些 MCU A/D 转换的参考电平可以选择由一个外部引脚输入, 这样使得用户可以对 A/D 转换进行更好的控制。值得注意的一点就是 A/D 转换 7 的输入电平必须比参考电平低或相等,不然测试的结果就会有很大的偏差。 下面以参考电平为 5V,转换的精度为 8 位为例来说明如何取得实际的测量 值是多少。如果 AD 量化值为 128,则 V 测= 5*128/256=2.5V。因为 V 测=V 参 *(AD 量化值/AD 转换的最大值)=AD 量化值*(V 参/AD 转换的最大值) ,而针 对具体的硬件电路, “V 参/AD
15、转化的最大值”是一个固定的系数。而这个系数, 就相当于测试的精度了。对于 10 位的 A/D,5V 的参考电压的测试精度约 5 毫伏, 而用 2.048 伏的参考电压,精度就可以达到 2 毫伏。当然测试的电压范围相应 的也减小了。我曾经就用这种减小测量范围来提高精度,使用 PIC16F76 做 A/D 测量,使得正负误差不超过 5 毫伏的高精度测试电源。当误差超过 5 毫伏时, 电路发出报警声,提示操作员,重新调解电压到规定范围内。 2.3.22.3.2 A/DA/D 转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 分辨率 分辨率指输出数字量的位数,常用的有 8 位、10 位、12 位、14 位等。
16、一 般地,位数越多,价格越贵。分辨率表示的是转换器对微小输入量变化敏感程 度。例如:8 位 ADC 的分辨率是 8 位,数字量变换范围是 0 255,当输入电 压满刻度为 5 V 时,转换电路对输入模拟电压的分辨能力为 5 V/25519.6 mV。 转换精度 转换精度是指对应于输入的模拟电压得到的数字量与应得到的理想数字量 之间的差值。通常用数字量的最低有效位(LSB)来表示。 转换时间 转换时间指完成一次 A /D 转换所需要的时间,一般为几个至几百微秒。 线性度 模拟电压输入与 A /D 转换后得到的数字量成线性增加的程度。本设计采 用的是 ADC0809 是 NSC 公司生产的 CMO
17、S 逐次比较式 A /D 转换器。 2.3.32.3.3 ADC0809ADC0809 内部构造内部构造 ADC0809 的内部结构框图如图 3 所示。通过引脚 IN0 IN7 可输入 8 路模 8 拟电压,但每次只能转换一路,其通道号由地址信号 ADDA、ADDB、ADDC 译码 后选定,如表 10- 4 所示,片内有地址锁存和译码器。转换结果送入三态输出 锁存缓冲器,当输出允许信号 OE 有效时才输出到数据总线上。 图 3-ADC0809 的内部结构 ADC0809 引脚信号及功能如下所示。ADC0809 为 28 引脚。其主要引脚信号如下: 图 4-ADC0809 引脚图 ST 为启动模
18、/数转换引脚,当该引脚收到高电平时,开始启动 A/D 转换。 EOC 为模/数转换结束输出引脚,转换结束时,该引脚输出高电平。在启动 A/D 转换后,可以通过对该引脚状态查询(读入)得知模/数转换是否完成 9 OE 为输出允许控制,该引脚用于控制选通三态门。A/D 转换完成得到的数字 量存在芯片内。当 OE=1 时,三态门打开,A/D 转换后得到的数字量才可通 过三态门到达数据总线,进而被读入 CPU。 CLK 为外加时钟输入引脚。其频率为 50800kHz,使用时常接 500600Kh ALE 为模拟通道锁存信号。当此引脚由低电平到高电平跳变时,将加到 ADDC、ADDB、ADDA 引脚的数
19、据锁存并选通相应的模拟通道。 ADDA、ADDB、ADDC 模拟通道选择端。 2.3.42.3.4 ADC0809ADC0809 引脚连线引脚连线 图 5- ADC0809 接线图 10 2.42.4 D/AD/A 转换装置转换装置 2.4.12.4.1 D/AD/A 转换基本原理转换基本原理 D/A 转换有多种方法,如权电阻网络法、T 形电阻网络法和开关树法,但 最常见的是 T 形电阻网络法。 图 6 是一个 4 位 D/A 转换器示意图,其中数字量的每一位 D3D0 分别控制 一个模拟开关。当某一位为 1 时,对应开关倒向右边;反之,开关倒向左边。 容易分析出图中 X0X3 各点的对应电位
20、分别为 VREF、VREF/2、VREF/4、VREF/8,而与开关方向无关。 图 6-梯形电阻网络 DAC 2.4.22.4.2 D/AD/A 转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 分辨率 分辨率指 D /A 转换器所能分辨的最小量化信号的能力。这是对微小输入 量变化的敏感程度的描述,一般用转换器的数字量的位数来表示。对于一个分 辨率为 n 位的 DAC,它能对满刻度的 2- n 倍的输入变换量做出反应。常见的 分辨率有 8 位、10 位、12 位等。 建立时间 建立时间是 DAC 转换速度快慢的一个重要参数,指 DAC 的数字输入有满 刻度值的变化时,输出模拟信号电压(或电流)达到满刻
21、度值 1/2LSB 时所需 11 要的时间。对电流输出形式的 DAC,建立时间是很短的;而对电压输出形式的 DAC,建立时间主要是其输出运放所需的响应时间。一般 DAC 的建立时间为几 个纳秒至几个微秒。 本设计选用 8 位 DAC 芯片DAC0832。引脚图如图 7 所示。 图 7-DAC0832 引脚图 2.4.32.4.3 DAC0832DAC0832 内部构造内部构造 DAC 0832 由 8 位输入锁存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D /A 转换电路组成, 内部逻辑结构如图 8 和功能表所示。 图 8-DAC0832 内部逻辑结构 表 2-DAC0832 功能表 12 2.4.
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