測控技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　測控技術(shù)課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　電路設(shè)計(jì)說明</b></p><p>　　1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　1.1.1單片機(jī)系統(tǒng)介紹</p><p>　　一個基本的MCS-51單片機(jī)通常包括：中央處理器、ROM、RAM、定時器<

2、/p><p>　　/計(jì)數(shù)器和I/O口等各功能部件，各個功能由內(nèi)部的總線連接起來，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其內(nèi)部框圖如圖1.1.1所示</p><p><b>　　圖1.1.1</b></p><p>　　1.1.2單片機(jī)的引腳功能</p><p>　　常見的51單片機(jī)中一般采用雙列直插（DIP）封裝，共40個引腳。圖1.1.2為引

3、腳排列圖。其中的40個引腳大致可以分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。</p><p><b>　?。?）電源</b></p><p>　　VCC：芯片電源端，一般為+5V；</p><p><b>　　GND：接地端。</b></p><p><b>　　（2）時鐘</b>

4、;</p><p>　　XTAL1：晶體振蕩電路的反相輸入端</p><p>　　XTAL2：晶體振蕩電路的輸出端。</p><p><b>　?。?）控制線</b></p><p>　　MCS-51單片機(jī)的控制線有4根，其中3根是復(fù)用線，具有兩種功能。</p><p>　　ALE/PROG：地址

5、鎖存允許/編程脈沖</p><p>　　PSEN：外部ROM讀選通信號</p><p><b>　　RST：復(fù)位引腳</b></p><p>　　EA/VPP：內(nèi)外ROM選擇/EPROM編程電源</p><p><b>　?。?）I/O引腳</b></p><p>　　MCS

6、-51單片機(jī)共有4個8位并行I/O端口，共32個可編程I/O引腳。</p><p>　　1.1.3單片機(jī)各模塊設(shè)計(jì)</p><p><b>　?。?）電源供電模塊</b></p><p>　　圖1.1.3--1 電源模塊電路圖</p><p>　　對于一個完整的電子設(shè)計(jì)來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模

7、塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。51單片機(jī)雖然使用時間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實(shí)際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機(jī)，51單片機(jī)更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個重要手段就是為單片機(jī)系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計(jì)算機(jī)的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。電源電路中接入了電源指示LED，圖1.1.3--1中R11為LED的

8、限流電阻，S1 為電源開關(guān)。</p><p><b>　?。?）復(fù)位電路</b></p><p>　　圖1.1.3--2 復(fù)位電路圖</p><p>　　單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的

9、一個值。</p><p>　　單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機(jī)的兩個機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時間常數(shù)。</p><p>　　復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。</p><p>　　a）上電復(fù)位：51單片機(jī)為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引

10、腳RST上連接一</p><p>　　個電容到VCC，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個電阻和電容的典型值為10K和10uF。</p><p>　　b）按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的

11、高電平來使單片機(jī)復(fù)位。</p><p><b>　?。?）振蕩電路</b></p><p>　　圖1.1.3--3 振蕩電路圖</p><p>　　單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是

12、建立在單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率。</p><p>　　在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。</p><p>　　單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保

13、持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。</p><p>　　晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。</p><p>　　51使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一

14、般在15pF至50pF之間。</p><p>　　1.2鍵盤與顯示接口電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　?。?）鍵盤設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖1.2.1 獨(dú)立和矩陣鍵盤電路圖</p><p>　　圖1.2.1中S2-S3為4個獨(dú)立按鍵，與單片機(jī)的P3.4-P3.7分別相連。獨(dú)立鍵盤與單片機(jī)相連時，每個按鍵都需

15、要單片機(jī)的一個I/O口，若按鍵較多時，占用的I/O口資源就會過多，為此就引入了矩陣鍵盤。圖1.2.1中是將16個按鍵排成4行4列，這樣一共有8根線，節(jié)省了8個I/O口。S6-S21即為16個矩陣鍵盤，8條線分別與單片機(jī)飛P3口相連。</p><p><b>　?。?）顯示設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖1.2.2 數(shù)碼管電路圖</p><p&g

16、t;　　如圖1.2.2所示，多位數(shù)碼管的“位選”是可以獨(dú)立控制的，而“段選”是連接在一起的，可以用作數(shù)碼管的動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。圖1.2.2中所示的數(shù)碼管全部為共陰極的數(shù)碼管。74HC573為所存器，利用單片機(jī)可以控制所存器的所存端，進(jìn)而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，利用分時控制的方法可以方便地控制任意數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。</p><p>　　1.3模擬量輸入電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖1.

17、3.1 A/D電路圖</p><p>　　集成A/D轉(zhuǎn)換器品種繁多，一般選用逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，圖4.2.6中的ADC0804就是這類單片集成A/D轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS工藝20引腳的集成芯片，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為100us，輸入電壓范圍為0-5V。芯片內(nèi)具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，可以直接連接數(shù)據(jù)總線上。圖1.3.2為ADC0804雙列直插式封裝引腳分布圖。</p><p><

18、b>　　引腳名稱及作用：</b></p><p>　　IN+，IN-：模擬信號輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入信號。</p><p>　　DB0~DB7：具有三態(tài)特性數(shù)字信號輸出口。</p><p>　　ANLG GND：模擬信號地。</p><p>　　DGTL GND：數(shù)字信號地。</p><

19、p>　　CLK IN：時鐘信號輸入端。 圖1.3.2 A/D電路圖</p><p>　　CLK OUT：內(nèi)部時鐘信號發(fā)生器的外接電阻端，與CLK IN配合可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其頻率為1/(1.1RC)。</p><p>　　CS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦有效，表明A/D轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動工作。</p><p>

20、　　WR：寫信號輸入，低電平啟動A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　RD：讀信號輸入，低電平輸出端有效。</p><p>　　INTR：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，低電平表示本次轉(zhuǎn)換已完成。</p><p>　　VREF/2：參考電平輸入，決定量化單位。</p><p>　　Vcc：芯片電源輸入。</p><p>　　ADC08

21、04的片選端CS與單片機(jī)的P0.7相連；DB0~DB7分別與單片機(jī)的P1口相連；IN+接電位器的中間滑動端，IN-接地，Re2是為了防止VI+輸入端的電流過大而燒壞A/D芯片；CLK IN、CLK OUT、GND之間的電阻和電容組成RC振蕩電路，用來給ADC0804提供工作所需的脈沖；VREF/2端用兩個1K的電阻分壓得到Vcc/2電壓，該電壓作為A/D芯片工作是內(nèi)部的參考電壓；、RD分別接單片機(jī)的P3.6和P3.7引腳；AGND和DG

22、ND同時接地。</p><p>　　1.4模擬量輸出電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖 1.4.1D/A電路圖</p><p>　　DAC0832是使用非常普遍的8位D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為1us，工作電壓為+5V~+15V，基準(zhǔn)電壓為正負(fù)10V。它主要由兩個8位寄存器和一個8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)緩沖器，可以直接與單片機(jī)接口。DAC0832一電流形式

23、輸出，需要轉(zhuǎn)換為電壓輸出時，可外接運(yùn)算放大器。DAC0832芯片為20腳雙列直插式封裝，其引腳分布圖如圖1.4.2所示。</p><p>　　圖1.4.2 DAC0832引腳分布圖</p><p><b>　　引腳名稱及作用：</b></p><p>　　CS：片選信號輸入端，低電平有效。</p><p>　　WR1：輸

24、入寄存器的寫選通輸入端，負(fù)脈沖有效。當(dāng)CS為0，ILE為1，WR1有效時DI0~DI7狀態(tài)被鎖存到輸入寄存器。</p><p>　　DI0~DI7：數(shù)據(jù)輸入端，TTl電平，有效時間應(yīng)大于90ns。</p><p>　　VREF：基準(zhǔn)電壓輸入端，電壓范圍為-10V~+10V。</p><p>　　Rfb：反饋電阻端，芯片內(nèi)部此端與IOUT1接有一個15K的電阻。<

25、;/p><p>　　IOUT1：電流輸出端，當(dāng)輸入全為1 時，其電流最大。</p><p>　　IOUT2：電流輸出端，其值與IOUT1端電流之和為一常數(shù)。</p><p>　　XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入端，低電平有效。</p><p>　　WR2：DAC寄存器的寫選通輸入端，負(fù)脈沖有效。當(dāng)為0且WR2有效時，輸入寄存器的狀態(tài)被轉(zhuǎn)到DAC寄存

26、器中。</p><p>　　ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號輸入端，高電平有效。</p><p>　　Vcc：電源電壓端，電壓范圍+5V~+15V。</p><p>　　GND：模擬地和數(shù)字地。</p><p>　　當(dāng)DAC0832芯片的片選信號、寫信號及傳送控制信號的引進(jìn)全部接地，允許輸入鎖存信號ILE引腳接＋５Ｖ時，DAC0832芯片處于直通工作

27、方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進(jìn)入D/A寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。此時若讓芯片連續(xù)轉(zhuǎn)換的話，只需連續(xù)改變數(shù)字輸入端的數(shù)字信號即可。</p><p>　　1.5開關(guān)量輸出電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖1.5.1開關(guān)量輸出電路</p><p>　　開關(guān)量輸出是實(shí)現(xiàn)傳感器將感應(yīng)到的模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一個開關(guān)量信號，再繼而輸出的一個功能。電路設(shè)計(jì)如圖，其中Q0~Q1連接到

28、單片機(jī)的P00~P07的IO口上。</p><p>　　1.6開關(guān)量輸入電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖1.6.1開關(guān)量輸入電路</p><p>　　開關(guān)量輸入是單片機(jī)與現(xiàn)場的以開關(guān)量為輸出形式的檢測元件（如操作控制按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力繼電器等）的連接通道，它把反映生產(chǎn)過程的有關(guān)信號轉(zhuǎn)換成CPU單元所能接收的數(shù)字信號。其中DO~D3連接到單片機(jī)的P00~

29、P03的IO口上。</p><p>　　1.7串行通信接口電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　系統(tǒng)串行通信電路</b></p><p>　　圖1.7.1串行通信電路圖</p><p>　　RS232串口電路使用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片，可以通過串口電纜連接到計(jì)算機(jī)背后的COM口，用于單片機(jī)與上位機(jī)通信以及和其他串

30、口設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。</p><p>　　MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動器的芯片，它的內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入+5V的電壓變換成RS-232輸出電平所需的+10V電壓。MAX232芯片引腳結(jié)構(gòu)如圖1.7.2所示</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸過程：MAX232的11腳T1IN接單片機(jī)的TXD端P3.1，TTLdiaper從單片機(jī)的TXD端發(fā)出，經(jīng)過MA

31、X232轉(zhuǎn)換為RS232電平后從MAX232 的14腳T1OUT發(fā)出，再經(jīng)過交叉串口線連接到計(jì)算機(jī)RXD端，計(jì)算機(jī)手段數(shù)據(jù)。PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時從PC機(jī)串口的TXD端發(fā)出數(shù)據(jù)，再逆向流向單片機(jī)的RXD端P3.0接收數(shù)據(jù)。 圖1.7.2 MAX232芯片引腳圖</p><p><b>　　2.軟件設(shè)計(jì)說明</b></p><

32、;p><b>　　2.1流程圖</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　2.2地址分配結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　8051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H

33、—0FFFH，其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統(tǒng)復(fù)位后，PC為0000H，單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序 ，另一組特殊單元是0003H—002AH，這40個單元各有用途，它們被均勻地分為五段，它們的定義如下：</p><p>　　0003H—000AH 外部中斷0中斷地址區(qū);</p><p>　　000BH—0012H 定時/計(jì)數(shù)器0中斷地址區(qū);</p>

34、<p>　　0013H—001AH 外部中斷1中斷地址區(qū);</p><p>　　001BH—0022H 定時/計(jì)數(shù)器1中斷地址區(qū);</p><p>　　0023H—002AH 串行中斷地址區(qū)。</p><p>　　可見以上的40個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51內(nèi)部RAM有

35、128或256個字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲（不同的型號有分別），它們是用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果和過程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。8051內(nèi)部RAM共有256個單元，這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。在00H—1FH共32個單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個8位寄存器，均以R0—R

36、7來命名，我們常稱這些寄存器為通用寄存器。內(nèi)部RAM的20H—2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進(jìn)行尋址。位尋址區(qū)共有16個字節(jié)，128個位，位地址為00H—7FH。。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過這次測控技術(shù)的課程設(shè)計(jì)，讓我對單片機(jī)有了更深入的了解和體會，</p><p>　

37、　了解到了單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架，以及單片機(jī)各個模塊的原理和實(shí)現(xiàn)的功能，而且單片機(jī)可以外擴(kuò)很多的其他功能，如輸入的鍵盤，顯示的數(shù)碼管，A/D和D/A轉(zhuǎn)換等各種豐富的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了非常廣的用途，功能強(qiáng)大。不僅如此，在整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中更讓我們學(xué)到了書本上學(xué)不到的東西，是真正的靠著自己獨(dú)立去完成了這項(xiàng)設(shè)計(jì)。期間我體會到，一定要細(xì)心耐心，不可急于求成，想清每一步要干嘛，才不會手忙腳亂。還有發(fā)現(xiàn)問題時，不要著急，要冷靜地找出解決的方法。經(jīng)過自己的努力