计算机控制系统课程设计.doc

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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

1 题目背景与意义
1.1 设计背景
在自动控制系统的实际工程中，经常需要检测被测对象的一些物理参数，如温度、流量、压力、速度等，这些参数都是模拟信号的形式。它们要由传感器转换成电压信号，再经A/D转换器变换成计算机能够处理的信号。同样，计算机控制外设，如电动调节阀、模拟调速系统时，就需要将计算机输出的数字信号经过D/A转换器变换成外设能接受的模拟信号。本次《计算机控制系统》课程设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过完成一个涉及单片机A/D和D/A多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使我们不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、等方面的知识进一步加深认识，同时在系统设计、软件编程、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。帮助同学们增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解，从而更好的掌握单片机的内部功能模块的应用以及A/D和D/A功能的实现。使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。
1.2 设计意义
通过设计此测控装置，加深对控制系统的理解，达到活学活用的目的。理论结合实践，锻炼综合运用能力。
2 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/4～20mA
2.2设计要求
2.2.1 基本要求
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。
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Protel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. 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Proteus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)。
3 系统总体框架
上位机通信
显示模块
声光报警
键盘模块
模拟量输出
模拟量输入
DAC0832
ADC0808

AT89C51

4 硬件设计
4.1 单片机
单片机是在在芯片内集成了构成一台计算机的主要器件：CPU、运算器、存储器、I/O口及其他功能部件的一块单晶芯片。因此它的功能很强大，广泛的应用于生产中。

4.1.1 单片机的选择
此次设计选用AT89C51单片机作为处理核心。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，内含32根双向且分别可寻址的IO线，128字节RAM，2个16位定时计数器，全双工异步串行口，2个中断优先级，5个中断源，片内有时钟振荡器。
4.1.2 时钟电路
89C51的时钟信号通常由两种方式产生：内部时钟和外部时钟。实际应用中通常采用外接晶振的内部时钟方式，在满足系统功能的前提下，应选择低一些的晶振频率。重要在单片机的XTAL1 和XTAL2引脚外接晶振即可。其中C2 和C3的作用是稳定频率和快速起振。

4.1.3 复位电路
单片机的初始化操作，给复位脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就使AT89C51复位。
复位时，PC初始化0000H，程序从0000H单元开始执行。除系统的正常初始化外，当程序出错（如程序跑飞）或操作错误时系统处于死锁状态时，需按复位键使RST脚为高电平，使AT89C51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动程序。复位电路与单片机连接如图。

4.2 A/D转换器
模拟量输入通道的任务是把在工业现场中采集到的模拟量转换成计算机可识别的数字量。模拟量输入通道一般有信号预处理、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、接口和控制电路组成。其核心是A/D转换器。
4.2.1 A/D转换器的选择
目前转换器的型号有很多，精度和位数的选择范围很大。对于本次设计，可选用8路的转换器。位数越多，精度越高，现在普遍使用ADC0808，它的性价比高，而且满足本次设计。
4.2.2 ADC0808功能简介
ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。
（1） ADC0808引脚结构

（2） 各引脚功能如下
ADC0808管脚图
8、14、15和17～21：8位数字量输出端。
22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
6（START）： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
7（EOC）： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。
12（VREF（+））和16（VREF（-））：参考电压输入端
11（Vcc）：主电源输入端。
13（GND）：地。
23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
4.2.3 ADC0808与单片机的连接

4.3 D/A转换器
D/A转换器有串并行两种，在测控系统中，长对转换速度有一定要求，主要采用并行D/A转换器。D/A转换器是将离散的数字量转换为连续变化的模拟量——电压或电流。
4.3.1 D/A转换器的选择
由于之前的A/D转换器选用的是8位的，因此D/A转换器也应选择8位的。从性价比、转换精度等各方面比较，该设计选用的转换器是DAC0832。
4.3.2 D/A转换器功能简介
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。
（1） DAC0832引脚结构

（2） 各引脚功能如下
* 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WR2、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。
4.3.3 DAC0832与单片机的连接

4.4 键盘控制电路
键盘在单片机应用系统中能实现想单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。在按下按键的时候，为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键有效，必须消除按键抖动，我们采用软件来消除按键抖动。键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口，由于本系统没有太多的功能实现，对键盘上的选择选用独立式接口，这样既能节省I/O口，也方便快捷的对单片机进行控制。如下图所示：

4.5 LCD显示电路
LCD是液晶显示器英文名称的缩写，液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特征，达到白底黑字或黑底白字显示的目的。液晶显示器具有功率低、抗干扰能力强等优点，因此被广泛地应用在仪器仪表和控制系统中。

4.6 报警指示灯电路
当系统正常运行时，灯不亮。当传感器所采集的信息通过单片机处理，如果超过设置的上限值或低于下限值时，蜂鸣器进行报警，红灯亮起。正常情况下不亮。本系统设置采用三极管驱动的蜂鸣器声光报警电路，当超过了设定值，三极管导通，蜂鸣器和LED显示器同时导通工作。

4.6 上位机通信
上位机通讯对单片机而言，意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且也能实现电脑对单片机的控制。

5 结论
通过两周的课设，我收获了很多。这次课设提高了自己解决问题的能力，提高了我对转换电路的认识，通过对LED显示电路的设计，了解可以用了不同型号的芯片及不同方式驱动数码管。同时，学会了利用proteus软件画系统总体电路图。
参考文献
[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] 冯显英, 葛荣雨. 基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度测控系统. 自动化仪表, 2006, 27(1): 59-61