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计算机控制系统课程论文

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计算机控制系统课程设计

1.题目背景及意义

本课程设计以《计算机控制系统》课程理论为基础，以其他电子类、计算机及接口类相关课程内容为辅助，在实践中锻炼学生的系统设计能力、理论应用能力、总结归纳能力以及自我学习能力，提高其实践能力、创新意识与创业精神。

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。

本单片机系统硬件部分由STC89C51八位微控制器组成；AD部分采用ADC0832八位串行模数转换器；DA部分采用DAC0808八位数字模拟转换器。

为了便于观察程序实现，加入LCD1602液晶显示器和三个独立按键。

同时，由于软件模式二的需要，从单片机P3.7口引出控制蜂鸣器。

与上位机通信采用RS-232通信标准，实现芯片为美信公司生产的MAX232专用芯片。

软件部分，当单片机运行时，首先由两个独立按键选择模式1\模式2。

模式1为电压测控系统；模式2为音乐播放系统。

按键3为软件复位。

3.系统总体框架

图1系统总体框架图

4.系统硬件设计

4.1控制电路设计

4.1.1芯片选择

采用STC公司的STC89C51八位数字控制器。

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，89C系列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。

4.1.2芯片特性

•与MCS-51兼容

•4K字节可编程闪烁存储器

•寿命：

1000写/擦循环

•数据保留时间：

10年

•全静态工作：

0Hz-24Hz

•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

•4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

4.1.3最小系统

为保证单片机正常工作，单片机需要有复位和振荡电路构成的最小系统。

由于本设计需要通过串口将电压信号发送到上位机，故选择晶振频率为11.0592MHz。

滤波电容选择30pF。

由10uF电容和10k电阻构成RC延时电路为单片机提供上电复位。

图2为单片机最小系统电路。

图2单片机最小系统原理图

4.2A/D转换设计

4.2.1芯片选择

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

4.2.2芯片特性

·8位分辨率；

·双通道A/D转换；　

·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；

·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；　

·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

·一般功耗仅为15mW；　

·8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；

4.2.3引脚说明

如图3为该芯片引脚图。

图3AD0832引脚图

·CS：

片选使能，低电平芯片使能。

·CH0：

模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

·CH1：

模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

·GND：

芯片参考0电位（地）。

·DI：

数据信号输入，选择通道控制。

·DO：

数据信号输出，转换数据输出。

·CLK：

芯片时钟输入。

·VCC/REF：

电源输入及参考电压输入（复用）。

4.2.4操作时序

如图4为该芯片手册给出的操作时序图。

图4AD0832操作时序图

4.3D/A转换设计

4.3.1芯片选择

采用美国国家半导体公司生产的DAC0808数字/模拟量转换芯片。

DAC0808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D/A转换电路及转换控制电路构成。

4.3.2芯片特性

·分辨率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，200mW。

4.3.3引脚说明

如图5为该芯片引脚图。

图5DA0808芯片引脚图

·NC：

空引脚。

·GND：

接地。

·VEE：

负电源输入。

·IO：

电流输出。

·A1~A8：

数字信号输入。

·VCC：

电源正。

·VREF+：

参考电源正。

·VREF-：

参考电源负。

·COM-：

误差放大器的输出端。

4.4显示、键盘、声响部分

4.4.1显示部分

采用LCD1602工业型字符液晶显示屏。

显示容量为16X2个字符；芯片工作电压4.5~5.5V。

工作电流2.0mA（5.0V）；字符尺寸：

2.95X4.35（WXH）mm。

引脚图如图6所示，引脚功能如表1所示。

图6LCD1602引脚图

表1

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据位

2

VDD

电源正极

10

D3

数据位

3

VL

偏压信号

11

D4

数据位

4

RS

数/命选择

12

D5

数据位

5

R/W

读/写选择

13

D6

数据位

6

E

使能信号

14

D7

数据位

7

D0

数据位

15

BLA

背光源正

8

D1

数据位

16

BLK

背光源负

LCD1602引脚定义

4.4.2键盘部分

键盘接口是最常用的人机接口。

它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。

由于本系统结构简单易懂，不需要大量的用户数据输入。

并且节省I/O，采用三个独立按键构成。

如图7所示，键盘电路图。

在实际应用中，会出现按键抖动的情况。

故在程序设计过程中，加入了按键去抖程序。

即当检测到按键释放后，调用一个5ms—10ms的延时子程序。

具体操作方法可参源程序。

图7键盘电部分电路图

4.4.3声响部分

使用单片机P3.7控制三极管导通进而使蜂鸣器发出声响。

根据单片机定时器装载不同值产生不同频率的声响，演奏不同音调的音乐。

如图8所示。

图8声响部分电路图

4.5上位机通讯

单片机与PC进行串行通信采用RS-232接口标准实现的，符合RS-232标准的典型芯片是MAX232。

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

其引脚图如图9

图9MAX232引脚图

4.5.1引脚介绍

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

其典型连接电路如图10所示。

图10MAX232与D形连接器接线图

5.系统软件设计

本单片机测控系统源程序采用C语言编写,编译软件为KEIL。

采用Protues软件进行单片机仿真。

主程序框图如图11所示。

图11系统主程序框图

6.总结

通过本次计算机控制系统课程设计，使我更加熟悉和掌握了电子电路设计的知识和技巧，对单片机技术有了更深层次的理解。

同时，更加全面的了解了市面上常见的AD、DA功能和型号，对今后的工作和学习有很大帮助。

在电路仿真过程中，也遇到了很多问题。

比如，Protues软件仿真时，很多元器件找不到，或者元器件连接时出现疏忽，导致仿真不成功。

这时，我又仔细研究了兰建军老师给我们发的PPT，茅塞顿开！

我进行了正确而的设置，解决了问题。

在设计过程中，由于有些细小的问题没有注意到，导致了电路仿真不好使。

这些的知识老师课上都讲过，只是当时没有注意到。

以后上课要多注意听讲，看书要仔细，细节决定成败。

由于芯片生产厂家大多数是外国企业，很多技术资料都是全英文的，经过翻译的资料也不保证准确性。

所以我们自动化专业的学生更应该掌握好英文能力，对待英语学习应该重视起来。

本次计算机控制系统课程设计，东北电力大学自动化工程学院侯一民主任、姜文娟老师老师不遗余力的进行了指导和答疑，并提出了很多宝贵的意见和建议。

在此深表感谢！

对我们而言，知识上的收获很重要，精神上的丰收更加可喜。

挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

希望以后还能够有像这次一样自己动手的机会。

7.参考文献

[1]王义军.数字电子技术基础.北京：

中国电力出版社，2007

[2]韩学军.模拟电子技术基础.北京：

中国电力出版社，2008

[3]孙育才.MCS-51单片微型计算机及其应用.南京：

东南大学出版社，2004

[4]姜学军.计算机控制系统.北京：

清华大学出版社，2003

[5]史久贵.基于AltiumDesigner的原理图与PCB设计.北京：

机械工业出版社，2010

[6]杨小川.ProtelDXP设计指导教程.北京：

清华大学出版社，2003

[7]钱学森.工程控制论（上册）（第三版）.北京：

科学出版社，2010