基于單片機的具有AD和DA功能的信號測控裝置設(shè)計

1、PAGE PAGE 18目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc298252632 目錄1 HYPERLINK l _Toc298252633 1 題目背景與意義2 HYPERLINK l _Toc298252634 2 設(shè)計題目介紹2 HYPERLINK l _Toc298252635 2.1設(shè)計目的2 HYPERLINK l _Toc298252636 2.2設(shè)計意義2 HYPERLINK l _Toc298252637 3 系統(tǒng)總體框架3 HYPERLINK l _Toc298252638 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計3 HYPERLINK l _Toc29825263

2、9 4.1單片機選型3 HYPERLINK l _Toc298252640 4.1.1 80C51功能介紹：4 HYPERLINK l _Toc298252641 4.1.2晶振電路 PAGEREF _Toc298252641 h 5 HYPERLINK l _Toc298252642 4.1.3復(fù)位電路5 HYPERLINK l _Toc298252643 4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路5 HYPERLINK l _Toc298252644 4.2.1 ADC0809功能介紹：6 HYPERLINK l _Toc298252645 4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖6 HYPERLINK l _Toc29

3、8252646 4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路7 HYPERLINK l _Toc298252647 4.3.1 DAC0832功能8 HYPERLINK l _Toc298252648 4.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路圖8 HYPERLINK l _Toc298252651 4.4 報警指示燈電路9 HYPERLINK l _Toc298252652 4.5 鍵盤、顯示控制電路9 HYPERLINK l _Toc298252653 4.5.1鍵盤電路9 HYPERLINK l _Toc298252656 4.5.2顯示電路 PAGEREF _Toc298252656 h 10 4.6上位機通訊電路10 H

4、YPERLINK l _Toc298252657 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc298252657 h 11 HYPERLINK l _Toc298252658 5.1 主程序框圖 PAGEREF _Toc298252658 h 11 HYPERLINK l _Toc298252659 5.2數(shù)據(jù)程序框圖 PAGEREF _Toc298252659 h 12 HYPERLINK l _Toc298252660 5.3 鍵盤程序框圖 PAGEREF _Toc298252660 h 13 HYPERLINK l _Toc298252661 5.4顯示程序框圖 PAGEREF _Toc2

5、98252661 h 14 5.5程序14 HYPERLINK l _Toc298252662 6 總結(jié)17 HYPERLINK l _Toc298252663 參考資料171 題目背景與意義在自動控制系統(tǒng)的實際工程中，經(jīng)常需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，計算機控制外設(shè)，如電動調(diào)節(jié)閥、模擬調(diào)速系統(tǒng)時，就需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。 本次計算機控制系統(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-

6、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)到的理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合起來，而且能夠?qū)﹄娮与娐贰㈦娮釉骷?、等方面的知識進一步加深認識，同時在系統(tǒng)設(shè)計、軟件編程、相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。幫助同學(xué)們增進對單片機的感性認識，加深對單片機理論方面的理解，從而更好的掌握單片機的內(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)生了解和掌握單片機應(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

7、。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。并滿足抗干擾、通用性、安全性、性價比等原則性要求。標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號定為：05V/420mA (020mA)2.2設(shè)計意義 通過設(shè)計此信號測控裝置，加深對控制系統(tǒng)的理解，全面掌握所學(xué)的知識并靈活運用起來。3 系統(tǒng)整體框架89C52鍵盤模 塊聲光報 警顯 示模 塊模 數(shù)轉(zhuǎn) 換數(shù) 模轉(zhuǎn) 換人 機交 換圖14 系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1單片機介紹在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，被測量的溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，需要經(jīng)傳感器先轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機中用應(yīng)用軟件進行處理

8、。我們通常所講的“單片機”又稱微控制器，它并不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出設(shè)備等系統(tǒng)集成到一塊電路芯片中。技術(shù)在進步，現(xiàn)在某些型號的單片機芯片中也集成了A/DAnalog to Digital Conversion（模擬-字轉(zhuǎn)換），D/ADigital to Analog Conversion（數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換）等功能模塊。簡單的講：這塊芯片就成了一臺計算機。它具有體積小、重量輕、價格低廉的特點。目前用的較多是Intel MCS-51 系列單片機，它有三個版本：8031、8051、8751（8位機）。本設(shè)計中我

9、采用的是89C51單片機。89C51單片機芯片采用40引腳雙列直插封裝（DIP）形式，引腳如圖2所示。圖2 89C52結(jié)構(gòu)4.1.1單片機引腳介紹1、P0口 有三個功能：（1）外部擴充存儲器時，當(dāng)作數(shù)據(jù)總線（D0D7）。（2）外部擴充存儲器時，當(dāng)作地址總線（A1A7）。（3）不擴充時，可做一般I/O口使用，但內(nèi)部沒有上拉電阻，作為輸入或輸出 時應(yīng)在外部接上拉電阻。2、P1口 只做I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。3、P2口 有兩個功能：（1）擴充外部存儲器時，當(dāng)作地址總線（A8A15）使用。（2）做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。 P3.0-P3.7（10-17引腳）：統(tǒng)稱為P3口。除作為準(zhǔn)

10、雙向I/O口使用外， 還可以將每一位用于第二功能，而且P3口的每一條引腳均可以獨立定義為第一功能的輸入輸出或第三功能。P3口的第二功能如表2所示。P30RXD（串行輸入口）P31TXD（串行輸出口）P32/INT0（外部中斷）P33/INT1（外部中斷）P34T0（TIMER0的外部輸入腳）P35T1（TIMER1的外部輸入腳）P36/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入控制信號）P37/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取控制信號）4.1.2 晶振電路單片機是一種時序電路，必須供給脈沖信號才能正常工作，所以在XTAL1 XTAL2引腳接入一個振蕩電路，電路如圖3所示圖3 晶振電路4.1.3復(fù)位電路單片機系統(tǒng)中需

11、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。最簡單的復(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圖4 復(fù)位電路4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路為了完成A/D轉(zhuǎn)換功能，我選擇的是A/D0808轉(zhuǎn)換器，它具有易于和微處理器接口或獨立使用，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05V，輸入和輸出與TTL、CMOS電平兼容等優(yōu)點。ADC0808是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以和單片機直接接口，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

12、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端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。因ADC0832的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。4.2.1 ADC0832介紹圖5ADC08324.2.2引腳功能ADC0803引腳功能1. Pin1(+V)+5V電源輸入端。2. Pin2( )數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位或8位輸出。3. Pin3( )片選端。4. Pin4(A0)字節(jié)地址短周期控制端。與 端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。須注意的是， 端TTL電平不能直接+5V或0

13、V連接。5. Pin5( )讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。6. Pin6(CE)使能端。7. Pin7(V+)正電源輸入端，輸入+15V電源。8. Pin8(REF OUT)10V基準(zhǔn)電源電壓輸出端。9. Pin9(AGND)模擬地端。10. Pin10(REF IN)基準(zhǔn)電源電壓輸入端。11. Pin(V-)負電源輸入端，輸入-15V電源。12. Pin1(V+)正電源輸入端，輸入+15V電源。13. Pin13(10V IN)10V量程模擬電壓輸入端。14. Pin14(20V IN)20V量程模擬電壓輸入端。 15. Pin15(DGND)數(shù)字地端。16. Pin16Pin27(DB0DB11)12

14、條數(shù)據(jù)總線。通過這12條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 17. Pin28(STS)工作狀態(tài)指示信號端4.2.3 A/ D轉(zhuǎn)換電路圖圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路4.3 D/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、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，它采用CMOS工藝制作，內(nèi)部有兩個寄存器，而這兩個寄存器的控制信號有五個，輸入寄存器由ILE、CS、WR1控制，DAC寄存器由WR2、Xref控制，用軟件指令控制這五個控制端可實現(xiàn)三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。單緩沖方式使DAC0832的兩個輸入寄存器中有一個處于直

15、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情況下。圖7 DAC0808芯片圖4.3.1引腳功能介紹DAC0808是20引腳的雙列直插式芯片。各引腳的特性如下： CS片選信號，和允許鎖存信號ILE組合來決定 是否起作用。 ILE允許鎖存信號。 WR1寫信號1，作為第一級鎖存信號，將輸入資料鎖存到輸入寄存器（此時， 必須和 、ILE同時有效）。 WR2寫信號2，將鎖存在輸入寄存器中的資

16、料送到DAC寄存器中進行鎖存（此時，傳輸控制信號 必須有效）。 XFER傳輸控制信號，用來控制 。 DI7DI08位數(shù)據(jù)輸入端。 IOUT1模擬電流輸出端1。當(dāng)DAC寄存器中全為1時，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中全為0時，輸出電流為0。 IOUT2模擬電流輸出端2。IOUT1+IOUT2=常數(shù)。 RFB反饋電阻引出端。DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端。相當(dāng)于將反饋電阻接在運算放大器的輸入端和輸出端之間。 VREF參考電壓輸入端?？山与妷悍秶鸀?0V。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過VREF與T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 VCC芯片供電電壓端。范圍為+5V+15V，最佳

17、工作狀態(tài)是+15V。 AGND模擬地，即模擬電路接地端。 DGND數(shù)字地，即數(shù)字電路接地端。4.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路圖圖8 D/A轉(zhuǎn)換電路4.4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，如果超過設(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10所示。圖10 報警電路4.5鍵盤、顯示電路4.5.1 鍵盤電路 加入鍵盤是為了便于人機互動，方便工作人員即時調(diào)整工況，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的允許工作范圍。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。按鍵接口電路的設(shè)計是要讀取每一個按鍵的值，通過按鍵控制外圍電路的工作，設(shè)定初始值和設(shè)定值。圖11 鍵盤電路4

18、.5.2 顯示電路由于所有8位段選線皆由一個I/O口控制，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，就必須采用掃描方法輪流點亮各位LED，即在每一瞬間只使某一位顯示字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應(yīng)字符段選碼，而每位選擇控制I/O口在該顯示位送入選通電平，以保證該位顯示相的字符。如此輪流，是每位分時顯示該位該顯示字符。加入LED顯示是為了便于人機互動，方便工作人員及時了解此時工況。為了簡化電路、降低成本，采用八位數(shù)碼管，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位的I/O口控制。結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖12 顯示電路4.6上位機通訊電路上位機通訊對單片機而言意義重大，不

19、但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端，而且也能實現(xiàn)電腦對單片機的控制。比如你可以把寫入單片機的數(shù)據(jù)碼顯示在電腦上，如可使用一個按鍵當(dāng)按下它時通過單片機的串口將它發(fā)送到電腦上顯示，起到仿真器的功效。通信芯片采用MAX232，該芯片是RS485通訊的低功耗收發(fā)器件，最大可連接128個子系統(tǒng)，最遠傳輸距離1200米，傳輸速度可達250KB/s。MAX232是個個準(zhǔn)雙向口，即要通過選通來確定是發(fā)送還是接收。需發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方選通自己的發(fā)送驅(qū)動器（MAX23的DE），該信號反向后選通接收方的接收驅(qū)動器（MAX232的/RE）。如圖13所示。圖12 上位機電路5 系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1主程序框圖開始啟動A/

20、D轉(zhuǎn)換，同時將A中的數(shù)據(jù)送入D/A啟動轉(zhuǎn)換開中斷設(shè)置報警電路初始值為紅燈滅綠燈亮設(shè)置上下限初始值設(shè)置DPTR初始值踏步等待圖15 程序框圖5.2數(shù)據(jù)程序框圖開始關(guān)中斷保護現(xiàn)場讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果現(xiàn)場恢復(fù)返回結(jié)果是否大于上限結(jié)果是否小于下限調(diào)用顯示子程序報警調(diào)用顯示子程序啟動下一次轉(zhuǎn)換YYNN圖16 數(shù)據(jù)框圖5.3 鍵盤程序框圖開始關(guān)中斷保護現(xiàn)場紅燈、綠燈熄滅現(xiàn)場恢復(fù)返回查詢S3是否按下查詢S4是否按下查詢S5是否按下查詢S6是否按下查詢S2是否按下增加上限減少上限增加下限減少下限YYYYYNNNNN圖17鍵盤程序框圖5.4顯示程序框圖.開始將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的個、十、百位分別放入51H、52H、

21、53H令R1指向52H，R7計數(shù)返回R7是否為0向LED輸出一位顯示代碼YN圖18顯示程序框圖5.5程序org 0000hajmp startorg 0003hajmp wb0org 0013hajmp wb1start: SETB EA SETB EX0 setb ex1 setb p1.0 CLR P1.1 mov 54h,#0c8h ;設(shè)置上下限值 mov 55h,#32h MOV DPTR,#7F00H MOVX DPTR,A AJMP $wb1:clr EA ；鍵盤控制程序 clr ex0 LCALL DELLAY LCALL DELLAY LCALL DELLAY CLR P1.0

22、 CLR P1.1 key:jnb p1.2,key0 jnb p1.3,key1 jnb p1.4,key2 jnb p1.5,key3 jnb p3.3,key4 ajmp key key0: INC 54H LCALL DELLAY LCALL DELLAY RET key1:dec 54h LCALL DELLAY LCALL DELLAY RET key2:inc 55h LCALL DELLAY LCALL DELLAY RET key3:dec 55h LCALL DELLAY LCALL DELLAY RETkey4: setb EA setb ex0 LCALL DELLAY

23、 LCALL DELLAY retiwb0: CLR EX0 NOP NOP MOV DPTR,#7F00H ；A/D轉(zhuǎn)換 MOVX A,DPTR LCALL CHULI LCALL DISP LCALL DELLAY cjne a,54h,next1 ；判斷系統(tǒng)是否異常next1:jc next2 cpl P1.1 cpl P1.0next2:cjne a,55h,next3next3:jnc next4 cpl P1.1 cpl P1.0next4:MOV DPTR,#07F00H MOVX DPTR,A nop nop SETB EX0 RETICHULI: MOV B,#100 DIV AB MOV 50H,a ；LED顯示程序 mov a,b mov b,#10 div ab mov 51h,a mov 52h,b retDISP: MOV R0,#52H MOV R7,#03H NEXT: MOV A,R0 MOV DPTR,#DDSEG MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI deC R0 DJNZ R7,NEXT RETDELLAY: MOV R4,#255NEXT12: MOV