计算机控制系统课程设计

目录TOC\o"1-3"\h\u78391.题目背景与意义 2256672设计题目介绍 272992.1基本要求 261272.2发挥部分 2148723系统总体框架 3213814系统硬件设计 340874.1单片机最小系统设计 3264024.1.1AT89C52的主要工作特性 320584.1.2管脚说明 436544.1.3AT89C51的最小电路 5276864.2A/D转换器设计 6159954.2.1内部结构 627024.2.2引脚功能 621294.2.3ADC0808与单片机连接的电路设计 7101134.3D/A转换器设计 713334.3.1DAC0830的主要工作特性 7277124.3.2引脚功能 8248004.3.3DAC0830与单片机连接的电路设计 8182174.4显示装置 9172784.4.1LM032L的管脚功能 935564.4.2显示器与8031电路的连接设计 10188664.5外部键盘 11311534.6声光报警电路 11251304.7上位机通讯 1159684.7.1设计原理 12256944.7.2上位机通信的的实现 12202614.8基于AT98C51单片机的总系统仿真图 1347775.系统软件设计 1439746.结论 142535参考文献： 141.题目背景与意义《计算机控制系统》是一门技术性、应用性很强的学科，实验课教环节是它的一个极为重要的环节。不论是硬件扩展、接口应用还是编程方法、程序调试，都离不开实验课教学。如果不在切实认真地抓好学生的实践技能的锻炼上下功夫，单凭课堂理论课学习，势必出现理论与实践脱节，学习与应用脱节的局面。《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MCS-51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，使学生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。2设计题目介绍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(0～20mA2.1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)每天写出工作进程日记。2.2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Protues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系统总体框架图1总体框图4系统硬件设计4.1单片机最小系统设计AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。4.1.1AT89C52的主要工作特性·与MCS-51兼容·4K字节可编程FLASH存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24MHz·三级程序存储器锁定·128×8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路4.1.2管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（计时器0外部输入）P3.5T1（计时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出4.1.3AT89C51的最小电路图2AT89C51最小电路图4.2A/D转换器设计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。4.2.1内部结构ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。图3ADC0808内部结构图4ADC0808引脚结构图4.2.2引脚功能ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图4所示。各引脚功能如下：1～5和26～28（IN0～IN7）：8路模拟量输入端。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。4.2.3ADC0808与单片机连接的电路设计ADC0808通过中断方式与AT89C51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）图5ADC0808中断方式AT89C51单片机的硬件接口电路4.3D/A转换器设计DAC0830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。4.3.1DAC0830的主要工作特性·分辨率为8位；·电流稳定时间1us；·可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；·只需在满量程下调整其线性度；·单一电源供电（+5V～+15V）；·低功耗，20mW。4.3.2引脚功能·D10～D17：8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。图6DAC0830引脚4.3.3DAC0830与单片机连接的电路设计DAC0830与单片机连接如图7所示图7DAC0830与单片机连接的电路4.4显示装置由于LCD液晶显示器具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等诸多其他显示器无法比拟的优点，已广泛应用于各种智能型仪表和低功耗电子产品中。4.4.1LM032L的管脚功能1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样图8LM032L管脚图引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、双向数据总线0位（最低位）8DB1底4位三态、双向数据总线1位9DB2底4位三态、双向数据总线2位10DB3底4位三态、双向数据总线3位11DB4高4位三态、双向数据总线4位12DB5高4位三态、双向数据总线5位13DB6高4位三态、双向数据总线6位14DB7高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）表1LM03L管脚表4.4.2显示器与8031电路的连接设计图9显示器连线图4.5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。这里我使用独立式键盘电路，独立键盘:编程简单。所用键盘是一种常开型按钮开关，常态时，键盘的两个触点处于断开状态；按下时，两个触点闭合。通过按键在常态与被按下时的通断，操作人员就可以通过键盘向微控制系统输入数据或者控制命令等，从而实现简单的人机通信。图10连接原理图图11实际连接图其中，S2是用于进入键盘调节模式和退出键盘调节模式；S3是用于增加上限值；S4用于减小上限值；S5用于增加下限值；S6用于减小下限值。4.6声光报警电路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。其电路图如图12所示。图12声光报警电路图4.7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。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。4.7.1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