東北電力大學(xué)自動化計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計

書目書目 21題目背景與意義 32設(shè)計題目介紹 32.1設(shè)計目的 32.2設(shè)計意義 33系統(tǒng)總體框架 44系統(tǒng)硬件設(shè)計 44.1單片機選型 44.1.180C51功能介紹： 5晶振電路 5復(fù)位電路 54.2A/D轉(zhuǎn)換電路 64.2.1ADC0809功能介紹： 74.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路圖 74.3D/A轉(zhuǎn)換電路 84.3.1DAC0832功能 84.3.2D/A轉(zhuǎn)換電路圖 94.4穩(wěn)壓電源 94.5調(diào)理電路 104.6報警指示燈電路 104.7鍵盤、顯示限制電路 11鍵盤電路 114.7.274LS138 114.7.374LS47 12顯示電路 135系統(tǒng)軟件設(shè)計 145.1主程序框圖 145.2數(shù)據(jù)程序框圖 155.3鍵盤程序框圖 165.4顯示程序框圖 176總結(jié) 18參考資料 18附錄總體設(shè)計電路原理圖 191題目背景與意義在自動限制系統(tǒng)的實際工程中，常常須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(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換成計算機能夠處理的信號。同樣，計算機限制外設(shè)，如電動調(diào)整閥、模擬調(diào)速系統(tǒng)時，就須要將計算機輸出的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器變換成外設(shè)能接受的模擬信號。

本次《計算機限制系統(tǒng)》課程設(shè)計的目的就是讓同學(xué)們在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過完成一個涉及MCS-51單片機A/D和D/A多種資源應(yīng)用并具有綜合功能的小系統(tǒng)目標(biāo)板的設(shè)計與編程應(yīng)用，使我們不但能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論學(xué)問與實際應(yīng)用結(jié)合起來，而且能夠?qū)﹄娮与娐?、電子元器件、等方面的學(xué)問進一步加深相識，同時在系統(tǒng)設(shè)計、軟件編程、相關(guān)儀器設(shè)備的運用技能等方面得到較全面的熬煉和提高。幫助同學(xué)們增進對單片機的感性相識，加深對單片機理論方面的理解，從而更好的駕馭單片機的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用以及A/D和D/A功能的實現(xiàn)。使學(xué)生了解和駕馭單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程、方法及實現(xiàn)，為以后設(shè)計和實現(xiàn)單片機應(yīng)用系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。2設(shè)計題目介紹2.1設(shè)計目的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號。并滿意抗干擾、通用性、平安性、性價比等原則性要求。標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號定為：0～5V/4～20mA(0～20mA)2.2設(shè)計意義通過設(shè)計此信號測控裝置，加深對限制系統(tǒng)的理解，全面駕馭所學(xué)的學(xué)問并敏捷運用起來。3系統(tǒng)總體框架80518051穩(wěn)壓電源顯示模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊鍵盤模塊聲光報警數(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)計4.1單片機選型由于80C51單片機采納的是CHMOS工藝，高速度、高密度、低功耗，具有價格便宜、易上手、抗干擾實力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且滿意我所設(shè)計的系統(tǒng)要求的條件，所以此次設(shè)計選用80C51單片機作為處理核心。其結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖280C51結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qū)動端。XTAL2（18腳）:接外部晶體的另一端。在片內(nèi)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(yīng)懸浮。RST（9腳）:單片機剛接上電源時，其內(nèi)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(fù)位（RESET）PSEN（29腳）:外ROM讀選通信號ALE/PROG（30腳）:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖EA/VPP（31腳）:當(dāng)EA端輸入高電平常，CPU從片內(nèi)程序存儲器地址0000H單元起先執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦?KB時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當(dāng)EA輸入低電平常，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）具有其次功能，用于特別信號輸入輸出和限制信號，屬限制總線。晶振電路單片機是一種時序電路，必需供應(yīng)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晶振電路復(fù)位電路單片機系統(tǒng)中須要一個硬件復(fù)位電路，用于用戶的手動復(fù)位，80C51是高電平復(fù)位有效。最簡潔的復(fù)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(fù)位電路圖58051單片機最小系統(tǒng)4.2A/D轉(zhuǎn)換電路為了完成A/D轉(zhuǎn)換功能，我選擇的是A/D0809轉(zhuǎn)換器，它具有易于和微處理器接口或獨立運用，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逐次靠近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以和單片機干脆接口，由一個8路模擬量通道選擇開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)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(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平常，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必需由外界供應(yīng)，通常運用頻率為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(zhuǎn)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(zhuǎn)換）.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，起先轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。OE：輸出允許限制端，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(zhuǎn)換電路圖圖7A/D轉(zhuǎn)換電路4.3D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)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、接口簡潔、轉(zhuǎn)換限制簡潔等優(yōu)點。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，它采納CMOS工藝制作，內(nèi)部有兩個寄存器，而這兩個寄存器的限制信號有五個，輸入寄存器由ILE、CS、WR1限制，DAC寄存器由WR2、Xref限制，用軟件指令限制這五個限制端可實現(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限制端預(yù)先置為有效，兩個寄存器都開通只要有數(shù)字信號輸入就馬上進入D/A轉(zhuǎn)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狀況下。三種工作方式區(qū)分是：直通方式不須要選通，干脆D/A轉(zhuǎn)換；單緩沖方式一次選通；雙緩沖方式二次選通。DAC0832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(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許限制信號輸入線，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(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平常，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)傳輸限制信號輸入線，低電平有效，負脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平常，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變更，LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并起先D/A轉(zhuǎn)換。IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變更；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，變更Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V～+15V；VREF：基準(zhǔn)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D/A轉(zhuǎn)換電路圖圖9D/A轉(zhuǎn)換電路4.4穩(wěn)壓電源為了使單片機能更穩(wěn)定的工作，必需保證有一個穩(wěn)定的電壓輸入。圖10穩(wěn)壓電源電路4.5調(diào)理電路在工業(yè)限制中各類傳感器常輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號4~20mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成±10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，以便送給各類設(shè)備進行處理。這種轉(zhuǎn)換電路以4mA為滿量程的0%對應(yīng)-10V；12mA為50%對應(yīng)0V；20mA為100%對應(yīng)5V。電路見圖11所示。圖11調(diào)理電路4.6報警指示燈電路當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，綠燈亮。當(dāng)傳感器所采集的信息通過單片機處理，假如超過設(shè)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、顯示限制電路加入鍵盤是為了便于人機互動，便利工作人員即時調(diào)整工況，調(diào)整系統(tǒng)的允許工作范圍。以80C51為核心，協(xié)作REPACK-8、74LS138、74LS47的協(xié)同工作來完成鍵盤限制電路的設(shè)計，目的是當(dāng)按下一個鍵時，數(shù)碼管上要顯示相應(yīng)的數(shù)字。4x4按鍵接口電路的設(shè)計是要讀取每一個按鍵的值，通過按鍵限制外圍電路的工作，設(shè)定初始值和設(shè)定值。鍵盤電路所用鍵盤是一種常開型按鈕開關(guān)，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限制系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或者限制吩咐等，從而實現(xiàn)簡潔的人機通信。圖13鍵盤限制電路4.7.274LS138圖1474LS138結(jié)構(gòu)（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(dāng)一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平常，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。4.7.374LS47圖1574LS47結(jié)構(gòu)功能介紹74LS47即為一譯碼器，譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時給予代碼的含義“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(yīng)關(guān)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)碼管協(xié)作運用。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(shè)置的。當(dāng)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(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示8。

BI：滅燈輸入，是為限制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)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(shè)定的。當(dāng)對每一位A3=A2=A1=A0=0時，本應(yīng)顯示0，但是在RBI=0作用下，使譯碼器輸出全為高電平。其結(jié)果和加入滅燈信號的結(jié)果一樣，將0熄滅。

RBO：滅零輸出，它和滅燈輸入BI共用一端，兩者協(xié)作運用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零限制。顯示電路加入LED顯示是為了便于人機互動，便利工作人員剛好了解此時工況。為了簡化電路、降低成本，采納八位數(shù)碼管，將全部位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位的I/O口限制。結(jié)構(gòu)如圖16所示：圖16數(shù)碼管結(jié)構(gòu)（1）數(shù)碼管功能介紹：由于全部8位段選線皆由一個I/O口限制，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，就必需采納掃描方法輪番點亮各位LED，即在每一瞬間只