設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的具有AD和DA功能的信號(hào)測(cè)控裝置

1、1 題目背景與意義本課程設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程理論為基礎(chǔ)，以其他電子類、計(jì)算機(jī)及接口類相關(guān)課程內(nèi)容為輔助，在實(shí)踐中鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、理論應(yīng)用能力、總結(jié)歸納能力以及自我學(xué)習(xí)能力，提高其實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)業(yè)精神。2 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的具有A/D和D/A功能的信號(hào)測(cè)控裝置。要求該信號(hào)測(cè)控裝置能夠接入典型傳感器、變送器信號(hào)，同時(shí)可輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號(hào)。并滿足抗干擾、通用性、安全性、性價(jià)比等原則性要求。標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號(hào)此處定為：05V/420mA (020mA3 系統(tǒng)總體框架計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、操作臺(tái)、輸入通道、輸出通道、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象以及相應(yīng)的軟件

2、組成，如圖1所示。圖1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)和輸入通道，輸出通道組成。輸入通道包括信號(hào)處理和A/D轉(zhuǎn)換，輸出通道則由D/A轉(zhuǎn)換器組成。圖2系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)是在一個(gè)尺寸有限的芯片上把運(yùn)算器電路、控制器電路、一定容量的存儲(chǔ)器，以及輸入輸出的接口電路集成為一體的微型計(jì)算機(jī)。它在制作上既要求高性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，又要求工作穩(wěn)定可靠。盡管單片機(jī)種類繁多，但無論從世界范圍還是從國內(nèi)范圍來看，使用最為廣泛的應(yīng)該數(shù)MCS51單片機(jī)。MCS-51 是intel公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列名稱。在本次設(shè)計(jì)中我采用的單片機(jī)就是in

3、tel公司生產(chǎn)的MCS51系列單片機(jī)中的8051單片機(jī)，它的引腳圖如下 圖3 8051單片機(jī)引腳圖 表面上看它很簡(jiǎn)單，但它仍由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。單片機(jī)的40個(gè)引腳大致可分為4類：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。電源: （1） VCC - 芯片電源，接+5V；（2）VSS - 接地端；時(shí)鐘: 外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL1-(19腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，此腳應(yīng)接地。XTAL1-(18腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，外部信號(hào)由此腳輸入?？刂凭€:控制線共有4根，ALE

4、/PROG: 地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。PSEN: 訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效，用于實(shí)現(xiàn)外部程序存儲(chǔ)器的讀操作RST/VPD:復(fù)位/備用電源。 RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。 EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。 Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。多功能I/O引腳P0口-(3239腳)：P0數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總

5、線端口。P1口-(18腳)：P1靜態(tài)通用端口。P2口-(2128腳)：P2動(dòng)態(tài)端口。P3口-(1017腳)：P3雙功能靜態(tài)端口。除作I/O端口外，它還提供特殊的第二功能，其具體含義為：P3.0-(10腳)RXD：串行數(shù)據(jù)接收端。P3.1-(11腳)TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。P3.2-(12腳)INT0：外部中斷0請(qǐng)求端，低電平有效。P3.3-(13腳)INT1：外部中斷1請(qǐng)求端，低電平有效。P3.4-(14腳)T0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入端。P3.5-(15腳)T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入端。P3.6-(16腳)WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通，低電平有效。P3.7-(17腳)RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

6、讀選通，低電平有效。4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路本次設(shè)計(jì)采用的是ADC 0809是 Nsc公司生產(chǎn)的 CMOS逐次比較式 A /D 轉(zhuǎn)換器。ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有模擬量通道選擇開關(guān)及相應(yīng)的通道鎖存、譯碼電路，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由三態(tài)鎖存器輸出，由于片內(nèi)沒有時(shí)鐘需外接時(shí)鐘信號(hào)。通過P2.7來控制A/D是否開始工作。圖4A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC 0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。通過引腳 IN0 IN7 可輸入 8路模擬電壓，但每次只能轉(zhuǎn)換一路，其通道號(hào)由地址信號(hào) ADDA、ADDB、ADDC 譯碼后選定，如表 10- 4所示，片內(nèi)有地址鎖存和譯

7、碼器。轉(zhuǎn)換結(jié)果送入三態(tài)輸出鎖存緩沖器，當(dāng)輸出允許信號(hào) OE 有效時(shí)才輸出到數(shù)據(jù)總線上。圖5 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809引腳信號(hào)及功能如下所示。ADC0809為28引腳。其主要引腳信號(hào)如下：圖6 ADC0809引腳及引腳功能ST為啟動(dòng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換引腳，當(dāng)該引腳收到高電平時(shí)，開始啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC為模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出引腳，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，該引腳輸出高電平。在啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換后，可以通過對(duì)該引腳狀態(tài)查詢（讀入）得知模/數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成OE為輸出允許控制，該引腳用于控制選通三態(tài)門。A/D轉(zhuǎn)換完成得到的數(shù)字量存在芯片內(nèi)。當(dāng)OE=1時(shí)，三態(tài)門打開，A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量才可通過三態(tài)門到達(dá)數(shù)據(jù)總線

8、，進(jìn)而被讀入CPU。 CLK為外加時(shí)鐘輸入引腳。其頻率為50800kHz，使用時(shí)常接500600KhALE為模擬通道鎖存信號(hào)。當(dāng)此引腳由低電平到高電平跳變時(shí)，將加到 ADDC、ADDB、ADDA引腳的數(shù)據(jù)鎖存并選通相應(yīng)的模擬通道。4.ADC 0809的轉(zhuǎn)換控制。ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序如下圖。首先給出ADC通道地址A、B和 C，它們?cè)贏LE的上升沿被鎖存；然后在 ST（StartConversion）的下降沿開始轉(zhuǎn)換且EOC變低；EOC變高時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，這時(shí)令OE有效，即可讀到轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖7 ADC0809時(shí)序圖4.2 D/A轉(zhuǎn)換電路4.2.1 D/A 轉(zhuǎn)換的工作原理D/A 轉(zhuǎn)換有多種方法，

9、如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)法、T形電阻網(wǎng)絡(luò)法和開關(guān)樹法，但最常見的是 T形電阻網(wǎng)絡(luò)法。4.2.2 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)（1）分辨率分辨率指 D /A 轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小量化信號(hào)的能力。這是對(duì)微小輸入量變化的敏感程度的描述，一般用轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量的位數(shù)來表示。對(duì)于一個(gè)分辨率為 n 位的 DAC，它能對(duì)滿刻度的 2- n倍的輸入變換量做出反應(yīng)。常見的分辨率有 8位、10位、12位等。（2）建立時(shí)間 建立時(shí)間是 DAC轉(zhuǎn)換速度快慢的一個(gè)重要參數(shù)，指 DAC 的數(shù)字輸入有滿刻度值的變化時(shí)，輸出模擬信號(hào)電壓（或電流）達(dá)到滿刻度值1/2LSB 時(shí)所需要的時(shí)間。對(duì)電流輸出形式的DAC，建立時(shí)間是很短的；而對(duì)電壓輸

10、出形式的 DAC，建立時(shí)間主要是其輸出運(yùn)放所需的響應(yīng)時(shí)間。一般 DAC的建立時(shí)間為幾個(gè)納秒至幾個(gè)微秒。本次設(shè)計(jì)選用8位 DAC 芯片DAC 0832 圖8 DAC0832引腳圖1.技術(shù)參數(shù)內(nèi)部采用 R -2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，片外為 20引腳雙列直插式封裝。分辨率：8位。建立時(shí)間：1s，電流型輸出。單電源：+5 +15 V。低功耗：200 mW。精度：+1 LSB。線性誤差：+0.1% ?；鶞?zhǔn)電壓范圍：-15 +15 V。2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳DAC 0832由 8位輸入鎖存器、8位 DAC寄存器、8位 D /A 轉(zhuǎn)換電路組成，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖8所示圖9 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)4.2.3 DAC 0832的工

11、作方式 根據(jù)對(duì) DAC 0832的輸入鎖存器和 DAC寄存器的不同的控制方法，DAC 0832有如下三種工作方式。（1） 單緩沖方式此方式控制輸入寄存器和 DAC 寄存器同時(shí)跟隨或鎖存數(shù)據(jù)，或只控制這兩個(gè)寄存器之一，而另一個(gè)接成直通方式。此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。參考電路如下圖10所示圖10 0832單緩沖方式接口（2） 雙緩沖方式此方式分別控制輸入寄存器和DAC寄存器，適用于多路D/A同時(shí)輸出的情形。它使各路數(shù)據(jù)分別鎖存于各輸入寄存器，然后同時(shí)（相同控制信號(hào)）打開各DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。參考線路如下圖11所示，程序片段如下：圖11 0832雙緩沖方式接

12、口4.2.4 鎖存器本設(shè)計(jì)采用74LS373鎖存器芯片，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中為了擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，通常需要一塊74LS373芯片。74LS373引腳圖如下圖所示圖12 74LS373引腳圖圖13 74LS373內(nèi)部邏輯圖(1).1腳是輸出使能(OE),是低電平有效,當(dāng)1腳是高電平時(shí),不管輸入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11腳(鎖存控制端,G)如何,輸出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)(或者叫浮空狀態(tài)); (2).當(dāng)1腳是低電平時(shí),只要11腳(鎖存控制端,

13、G)上出現(xiàn)一個(gè)下降沿,輸出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈現(xiàn)輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的狀態(tài). 74ls373與單片機(jī)接口： 1D8D為8個(gè)輸入端。 1Q8Q為8個(gè)輸出端。 G是數(shù)據(jù)鎖存控制端；當(dāng)G=1時(shí)，鎖存器輸出端同輸入端；當(dāng)G由“1”變?yōu)椤?”時(shí)，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。 OE為輸出允許端；當(dāng)OE=“0”時(shí)，三態(tài)門打開；當(dāng)OE=“1”時(shí)，三態(tài)門關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。 在MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)中，常采用74LS373作為地址鎖存器使用，其連接方法如上圖所示。其中輸入端1D8D接至單片機(jī)的P0口，輸出端提

14、供的是低8位地址，G端接至單片機(jī)的地址鎖存允許信號(hào)ALE。輸出允許端OE接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。4.3 8051擴(kuò)展I/O接口設(shè)計(jì)選擇8255A與8051單片機(jī)的接口電路。4.3.1 選擇8255芯片依據(jù) 8051單片機(jī)是Intel公司的產(chǎn)品，而Intel公司的配套可編程I/O接口芯片的種類齊全，這就為MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展I/O接口提供了很大的方便。Intel公司常用的外圍I/O接口芯片有：8255A：可編程的通用并行接口電路（3個(gè)8位I/O口）8155H：可編程的IO/RAM擴(kuò)展接口電路（2個(gè)8位I/O口，1個(gè)6位I/O口，256個(gè)RAM字節(jié)單元，1個(gè)14位減法定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）由于本

15、次設(shè)計(jì)不用到定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，而且8051單片機(jī)本身的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器就已經(jīng)足夠，前邊又已經(jīng)設(shè)計(jì)了擴(kuò)展靜態(tài)RAM，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量也已足夠，因此，選擇較為簡(jiǎn)單的8255A接口芯片就可以了。4.3.2 8255芯片說明8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，它具有3個(gè)8位的并行I/O口，3種工作方式，可通過編程改變其功能，因而使用靈活方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路，8255A的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14、15所示。 8255A引腳說明8255A共有40只引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳說明如下：D7-D0：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線CS：片選信號(hào)線，低電平有效，表示

16、本芯片被選中RD：讀出信號(hào)線，低電平有效，控制8255A中數(shù)據(jù)的寫入WR：寫入信號(hào)線，低電平有效，控制向8255A數(shù)據(jù)的寫入Vcc：+5V電源PA0-PA7：A口輸入/輸出線PB0-PB7：B口輸入/輸出線PC0-PC7：C口輸入/輸出線A0-A1：地址線，用來選擇8255A內(nèi)部的4個(gè)端口圖14 8255A引腳圖 8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括3個(gè)并行數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，2個(gè)工作方式的控制電路、1個(gè)讀/寫控制邏輯電路和8位數(shù)據(jù)總線緩沖器。其各部件功能如下：端口A、B、CPA口：1個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器，1個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器PB口：1個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器，1個(gè)8位數(shù)

17、據(jù)輸入緩沖器PC口：1個(gè)8位輸出鎖存器，1個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器通常PA口、PB口作為輸入/輸出口，PC口可作為輸入/輸出口，也可在軟件的控制下，分為2個(gè)4位端口，作為端口A、B選通方式操作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。A組和B組控制電路這是2組根據(jù)CPU寫入的命令字控制8255A工作方式的控制電路。A組控制PA口和PC口的上半部（PC4-PC7）；B組控制PB口和PC口的下半部（PC0-PC3）,并根據(jù)命令字對(duì)端口的每一位實(shí)現(xiàn)按位置位或復(fù)位。數(shù)據(jù)總線緩沖器數(shù)據(jù)總線緩沖器是1個(gè)三態(tài)雙向8位緩沖器，作為8255A與系統(tǒng)總線之間的接口，用來傳送數(shù)據(jù)、指令、控制命令以及外部狀態(tài)信息。讀/寫控制邏輯電路讀/寫控制邏

18、輯電路接受CPU發(fā)來的控制信號(hào)RD、WR、RESET、地址信號(hào)A0-A1等。然后根據(jù)控制信號(hào)的要求，將端口數(shù)據(jù)讀出，送往CPU或者將CPU送來的數(shù)據(jù)寫入端口。圖15 8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表1 8255A端口工作狀態(tài)選擇表4.4 穩(wěn)壓電源為了使單片機(jī)能更穩(wěn)定的工作，必須保證有一個(gè)穩(wěn)定的電壓輸入。圖16 穩(wěn)壓電源4.5 調(diào)理電源在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)420mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成±10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，以便送給各類設(shè)備進(jìn)行處理。這種轉(zhuǎn)換電路以4mA為滿量程的0%對(duì)應(yīng)-10V；12mA為50%對(duì)應(yīng)0V；20mA為100%對(duì)應(yīng)5V。參考電路見圖17所示。圖17調(diào)理電路經(jīng)對(duì)圖17電路分析，可知流過反饋電阻Rf的電流為(Vo-VN)/Rf與VN/R1(