《计算机控制技术》课程设计-基于单片机的AD和DA功能的信号测控装置.doc

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1、精品毕业设计 目录目录 1.设计目的 .1 2.设计要求 .1 3.设计思路 .1 4.具体设计 .1 4.1 单片机最小系统设计.1 4.2 A/D 转换器设计.3 4.2.1 ADC0809 内部结构.3 4.2.2 ADC0809 引脚结构.3 4.2.3 ADC0809 与单片机连接的电路设计.4 4.2.4 AD 转换程序设计.5 4.3 D/A 转换器设计.5 4.3.1 DAC0832 内部结构.5 4.3.2 DAC0832 引脚结构.6 4.3.3 DAC0832 与单片机连接的电路设计.7 4.3.4 DA 转换程序设计.7 4.4 外部键盘.8 4.4.1 设计思路.8

2、4.4.2 矩阵式键盘的按键识别方法.8 4.4.3 键盘的工作方式.9 4.4.4 键盘与 8031 电路的连接设计.9 4.4.5 键盘子程序流程图.10 4.5 显示装置.11 4.5.1 设计原理.11 4.5.2 显示器与 8031 电路的连接设计.11 4.6 上位机通讯.11 4.6.1 设计原理.12 4.6.2 上位机通信的的实现.12 4.6.3 0831 与 PC 机串行通信程序流程.13 4.7 基于 0831 单片机的总系统仿真图.14 5 参考文献 .14 6 设计心得 .14 7 工作日记 .15 1 1.设计目的设计目的 本课程的课程设计实际是自动化专业学生学习

3、完计算机控制技术课程后进行的一 次全面的综合训练，其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。 2.设计要求设计要求 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（标准电压/电流信号此 处定为：05V/420mA 或 020mA） 。 3.设计思路设计思路 根据题目要求寻找满足设计要求的芯片，定下具体框架，

4、从题目可知其主 要由三部分构成。首先是输入通道由 A/D 转换装置，其次为单片机部分，第三 部分是输出通道即 D/A 转换装置。除主要部分外为了让装置具有更完善的功能， 选用抗干扰电路键盘显示等。 4.具体设计具体设计 系统的整体结构如图 1 所示，系统由单片机系统和输入通道、输出通道组 成。输入通道包括信号处理和 A/D 转换，输出通道则由 D/A 转换器组成。 信号处理A/D 转换单片机D/A 转换 输入输出 图 1 系统整体结构 4.1 单片机最小系统设计单片机最小系统设计 单片机芯片，配以必要的外部配件就构成了单片机最小系统。目前用的较 多的是 Intel 公司的 MCS-51 系列单

5、片机， MCS-51 系列单片机包括三个基本型 8031、8051、8751。为了熟悉单片的扩展，本次设计采用 8031 单片机。8031 内部包括一个 8 位 CPU、128B RAM，21 个特殊功能寄存器（SFR） 、4 个 8 位并 行 I/O 口、一个全双工串行口，2 个 16 位定时器/计数器，但片内无程序存储 器，需外扩 EPROM 芯片。 8031 采用 40 引脚双列直插封装（DIP）形式，引脚如图 2 所示。按引脚的 功能可分为三部分。 （1）电源及时钟引脚 Vcc（40 引脚）：接+5V 电源 Vss（20 引脚）：接地 XTAL1(19 引脚)：接外部晶体的 1 个引脚

6、，用作晶体振荡电路的反相器输入端 XTAL2(18 引脚)：接外部晶体的另外一端，用作晶体振荡电路的反相器输出端 2 （2）控制引脚 RST/Vpd（9 引脚）：RET(RESET)是复位信号输入端，高电平有效；Vpd 为本引 脚的第二功能，即备用电源 ALE/PROG(30 引脚)：ALE 引脚输出为地址锁存允许信号；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 PSEN(29 引脚)：程序存储器允许输出控制端。 EA/Vpp（31 引脚）：EA 功能为内外程序存储器选择控制端；Vpp 为本引脚的第 二功能，在对 EPROM 固化编程时，

7、用于施加较高的编程电压（例如+21V 或 +12V） 。 （3）I/O 口引脚 P0 口：双向 8 位三态 I/O 口，此口为地址总线（低 8 位）及数据总线分时复用 口，可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载 P1 口：8 位准双向 I/O 口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载 P2 口：8 位准双向 I/O 口，可与地址总线（高 8 位）复用，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载 P3 口：8 位准双向 I/O 口，双功能复用口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载，P3 口 的第二功能如表 1 所示 表 1 P3 口的第二功能表 引脚第二功能 P3.0 RXD(串行口输入端)

8、P3,1 TXD(串行口输出端) P3.2 INT0(外部中断 0 请求输入端，低电平有效) P3.3 INT1(外部中断 1 请求输入端，低电平有效) P3.4 T0(定时器/计数器 0 计数脉冲输入端） P3.5 T1(定时器/计数器 1 计数脉冲输入端） P3.6 WR(外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效） P3.7 RD(外部数据存储器杜选通信号输入端，低电平有效) 8031 内部无程序存储器,因此，其最小应用系统必须在片外扩展 EPROM，必 须有复位电路及时钟电路。这里我使用 2764 作为程序存储器， 图 2 为 8031 外 扩程序存储器的最小应用系统。该系统仅能完成数

9、字量的输入和输出。 图 2 8031 最小应用系统 3 4.2 A/D 转换器设计转换器设计 ADC0809 是美国国家半导体公司推出的 8 位逐次逼近式 A/D 转换器，包括 8 位模/数转换器、8 通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑。8 通道多 路转换器能直接连通 8 个单端模拟信号中的一个。ADC0809 与 C51 单片机有三 种接口方式：查询方式、中断方式和等待延时方式。每采集一次一般需要 100US。 4.2.1 ADC0809 内部结构内部结构 ADC0809 内部结构如图 3 所示 图 3 ADC0809 内部结构 由上图可知，ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个

10、地址锁存与译码器、一 个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允 许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换 完的数据。 4.2.2 ADC0809 引脚结构引脚结构 其引脚结构如图 4 所示 4 图 4 ADC0809 引脚结构图 ADC0809 各脚功能如下： D7-D0：8 位数字量输出引脚。 IN0-IN7：8 位模拟量输入引脚。 VCC：+5V 工作电压。 GND：地。 REF（+）：参考电压正端。 REF（-）：参考电压负端。 STA

11、RT：A/D 转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。 （以上两种信号用于启动 A/D 转换）. EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。 OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端（一般为 500KHz）。 A、B、C：地址输入线。 4.2.3 ADC0809 与单片机连接的电路设计与单片机连接的电路设计 ADC0809 通过中断方式与 8031 单片机的硬件接口电路如图 5 所示（为了提 高单片机 CPU 的利用率一般采用中断法） 5 图 5 ADC0809 中断方式与 8031 单片机的硬件接口电路 4.2.4

12、 AD 转换程序设计转换程序设计 进行初始化 启动/转换 数据输出 数据的存储与显示并且地址和 数据地址指针均加一 转化完 8路转换完 N Y N Y 开始 结束 4.3 D/A 转换器设计转换器设计 DAC0832 是美国国家半导体公司生产的 8 位 D/A 转换器。由于 DAC0832 接 口简单、转换控制容易，因此在单片机应用系统中得到了广泛应用。DAC0832 转换器由 8 位输入锁存器、8 位输出锁存器、8 位 DAC 存储器、8 位 D/A 转换电 路及转换控制电路构成。 4.3.1 DAC0832 内部结构内部结构 DAC0832 的内部结构如图 6 所示 6 图 6 DAC08

13、32 的内部结构 由上图可知量是通过两级寄存器送至 D/A 转换器的输入端。两级锁存器可 做到当后一级锁存器正输出给 D/A 转换时，前一级又可接收新的数据，从而提 高了转换速度，WR1 和 WR2 是用来分别控制两级锁存器的。 4.3.2DAC0832 引脚结构引脚结构 DAC0832 引脚如图 7 所示 图 7 DAC0832 引脚 DI0DI7：数据输入线，TLL 电平。 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，低电平有效。 WR1：为输入寄存器的写选通信号。 XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 WR2：为 DAC 寄存器写选通输入线。 Iou

14、t1:电流输出线。当输入全为 1 时 Iout1 最大。 Iout2:电流输出线。其值与 Iout1 之和为一常数。 Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻. Vcc:电源输入线 (+5v+15v)。 Vref:基准电压输入线 (-10v+10v)。 AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。 DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好. 4.3.3DAC0832 与单片机的电 路设计。 7 4.3.3DAC0832 与单片机连接的电路设计与单片机连接的电路设计 DAC0832 与单片机连接如图 8 所示 图 8 DAC0832 与单片机连接的电路 4.3.4 DA 转换程序设计

15、转换程序设计 Y 初始化 读入波形数据 改变计数器及表的指针 转换完？ 启动D/A N 开始 结束 8 4.4 外部键盘外部键盘 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是 人工干预单片机的主要手段。这里我使用行列式键盘电路，它适用于按键数目 较多的场合，与独立式键盘相比，要节省很多的 I/O 口线。 4.4.1 设计思路设计思路 在键盘中按键数量较多时，为了减少 I/O 口的占用，通常将按键排列成矩 阵形式，如图 5 所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接 连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如 P1 口）就可以构成 4*4=16 个按键，比

16、之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别 越明显，比如再多加一条线就可以构成 20 键的键盘，而直接用端口线则只能多 出一键（9 键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是 合理的。 图 9 矩阵式键盘与单片机的连接原理图 矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图 9 中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的 I/O 口作为输出端，而 列线所接的 I/O 口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是 高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被 拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。

17、4.4.2 矩阵式键盘的按键识别方法矩阵式键盘的按键识别方法 行列式键盘的键盘识别方法有两种：1 扫描法、2 线反转法。扫描法要逐列 扫描查询，当被按下的按键处于最后 1 列时，则要经过多次扫描才能最后获得 此按键所处的行列值。而线反转法则显得很简练，无论被按键式处于第 1 列或 最后 1 列，均只需经过 2 步便能获得此按键所在的行列式。 具体操作步骤如下： 第一步，让行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输出为全 低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在行。 第二步，再把行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出全 9 为低电平，则列线中电平由高变低所在列为按键所在列

18、。 综合上诉 2 步的结果，可确定按键所在行和列，从而识别出所按的键。 4.4.3 键盘的工作方式键盘的工作方式 单片机应用系统中能够，键盘扫描只是单片机的工作内容之一。单片机在忙于 各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘工作方 式的选取应根据实际应用系统中 CPU 工作的闲、忙情况而定。其原则是既要保 证能及时响应按键操作，又不要过多占用 CPU 的工作时间。通常，键盘的工作 方式有 3 种，即编程扫描、定式扫描和中断扫描。 这里由于采用的 8 位 8031 单片机，考虑其效率，选择使用编程扫描方式。 4.4.4 键盘与键盘与 8031 电路的连接设计电路的连接设计

19、键盘与 8031 连接入如图 10 所示 图 10 phone-key 与 8031 的连接电路 10 4.4.5 键盘子程序流程图键盘子程序流程图 开 始 有键闭合否？ 调用显示子程序延迟 6ms 2 次调用显示子 程序延迟 12ms 有键闭合否？ 判断闭合键键号 堆栈 闭合键释放否？ 输入键号 A 返回 11 4.5 显示装置显示装置 4.5.1 设计原理设计原理 数码显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。本课设要输出 05V 标准 电压，而且在前面我用的是 8 位 D/A 转换器，由计算可知其精度为 8 5/ 25/ 2560.020 所以这里我们需要四段发光二极管，在多位 LED 显

20、示时，为简化硬件电路， 通常将所有位的段码线相应段并联在一起，有 1 个 8 位 I/O 口控制，形成段码 线的多路复用，而各位的共阴极或共阳极分别由相应的 I/O 口线控制，形成各 位的分时选通。 4.5.2 显示器与显示器与 8031 电路的连接设计电路的连接设计 这里我们选用 7SEG-MPX4-CC-BLUE 显示器，再采用 8155 实现控制动态 LED 显示模块接口的硬件设计，其与 8031 电路连接如图 11 所示 图 11 显示器与 8031 电路的连接 4.6 上位机通讯上位机通讯 MCS-51 单片机有一个可编程的串行接口，它是一个全双工的通信端口，可 以同时接收和发送数据

21、。串行通信接口的优点在于使用较少的传输线即可完成 数据的传输。 12 4.6.1 设计原理设计原理 RS-232C 是异步通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终端设备 和数据通信设备之间的串行接口标准。 目前，PC 机都配有标准的 RS-232 接口，RS-232 标准规定了 25 针连接器， 但在实际应用中并不一定用到 RS-232 的全部信号线，所以，PC 机配置的都是 9 针“D”型连接器。下图为 RS-232 的“D”型 9 针插头的引脚定义。 图 12 “D”型 9 针插头引脚定义 9 个引脚的功能见表 2 表 2 9 针 RS-232 接口引脚图 引脚号符号方向功能 1DCD

22、输入数据载体检测 2TXD输出发送数据 3RXD输入接收数据 4DTR输出数据终端准备好 5GND信号地 6DSR输入数据通信设备准备好 7RTS输出请求发送 8CTS输入清除发送 9RI输入振铃指示 4.6.2 上位机通信的的实现上位机通信的的实现 这里我使用 MAX232 实现 TTL/RS-232 之间的电平转换，图 13 是 MAX232 与 0832 和 CONN-D9F 的连接电路 图 13 通过 MAX232 连接 0831 与 CONN-D9F 13 4.6.3 08310831 与与 PCPC 机串行通信程序流程机串行通信程序流程 设置串行口工作方式 设置波特率 接收完？ 数

23、据送缓存 发送数据 发送完 清除发送标志 是 是 否 否 开始 14 4.7 基于基于 0831 单片机的总系统仿真图单片机的总系统仿真图 图 14 总系统图 5 参考文献参考文献 1周润景.Proteus 在 MCS-51&ARM7 系统中的应用百例M.电子工业出版社, 2006.10 2白延敏.51 单片机典型系统开发M.电子工业出版社,2009.1 3边春元.C51 单片机典型模块设计与应用M.机械工业出版，2008.4 4杜树春.单片机与外围器件接口M.中国电力出版社，2009.1 5张毅刚.单片机原理及应用M.高等教育出版社，2003.12 6 7 8 6 设计心得设计心得 经过这一

24、个多星期的课程设计，从翻阅资料到画出原理图到设计出完整的 方案，我也经历了从略知单片机的一二到深入的了解单片机原理的过程，虽然 有些东西比较难以理解和掌握，但是我觉得通过这次课程设计自己学到了不少 的东西，不仅仅是单片机本身的知识，还有计算机控制理论的结合，让自己受 益匪浅。 当然，这次课设我找到了自己很多不足之处，比如说画图的时候不够仔细， 而且急于求成，思路不够清晰等等，这些都是自己需要在以后长期的工作过程 中需要克服的毛病和缺点。 我相信这次课程设计将成为自己工作和学习中的宝贵的财富，也再次感谢这一 15 个星期以来帮助我的老师和同学 7 工作日记工作日记 2010.7.5 上午 东阶四

25、合开动员大会，作动员准备 下午 图书馆借书：Proteus 在 MCS-51&ARM7 系统中的应用百例 、 51 单片 机典型系统开发 、 C51 单片机典型模块设计与应用 、 单片机与外围器件接 口 2010.7.62010.7.7 复习高教版单片机原理及应用 2010.7.8 上午 查阅所借资料，确定输入输出通道形式 下午 学习 Proteus 软件，初步绘制 A/D、D/A 分别与单片机连接的电路图 2010.7.9 找老师答疑，确定之前所选 A/D、D/A 转换器的合理性 2010.7.10 上午 确定键盘模式 下午 确定显示器模式 2010.7.11 上午 绘制键盘、显示器与单片机的连接电路图 下午 绘制软件流程图 2010.7.12 撰写设计说明书，绘制检测系统总图 2010.7.13 继续完善课程设计报告，回顾电路工作过程，准备答辩