目錄 1.設(shè)計目的 .1 2.設(shè)計要求 .1 3.設(shè)計思路 .1 4.具體設(shè)計 .1 4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 .1 4.2 A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計 .3 4.2.1 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) .3 4.2.2 ADC0809 引腳結(jié)構(gòu) .3 4.2.3 ADC0809 與單片機(jī)連接的電路設(shè)計 .4 4.2.4 AD 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計 .5 4.3 D/A 轉(zhuǎn)換器設(shè)計 .5 4.3.1 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu) .5 4.3.2 DAC0832 引腳結(jié)構(gòu) .6 4.3.3 DAC0832 與單片機(jī)連接的電路設(shè)計 .7 4.3.4 DA 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計 .7 4.4 外部鍵盤 .8 4.4.1 設(shè)計思路 .8 4.4.2 矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 .8 4.4.3 鍵盤的工作方式 .9 4.4.4 鍵盤與 8031 電路的連接設(shè)計 .9 4.4.5 鍵盤子程序流程圖 .10 4.5 顯示裝置 .11 4.5.1 設(shè)計原理 .11 4.5.2 顯示器與 8031 電路的連接設(shè)計 .11 4.6 上位機(jī)通訊 .11 4.6.1 設(shè)計原理 .12 4.6.2 上位機(jī)通信的的實現(xiàn) .12 4.6.3 0831 與 PC 機(jī)串行通信程序流程 .13 4.7 基于 0831 單片機(jī)的總系統(tǒng)仿真圖 .14 5 參考文獻(xiàn) .14 6 設(shè)計心得 .14 7 工作日記 .15 1 1.設(shè)計目的 本課程的課程設(shè)計實際是自動化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完計算機(jī)控制技術(shù)課程后進(jìn)行的一 次全面的綜合訓(xùn)練，其目的在于加深對計算機(jī)控制技術(shù)理論知識的理解和對這些理論的實 際應(yīng)用能力，提高對實際問題的分析和解決能力，以達(dá)到理論學(xué)習(xí)的目的，并培養(yǎng)學(xué)生應(yīng) 用計算機(jī)輔助設(shè)計和撰寫設(shè)計說明書的能力。 2.設(shè)計要求 設(shè)計一個基于單片機(jī)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/電流信號此 處定為：0 5V/420mA 或 020mA ） 。 3.設(shè)計思路 根據(jù)題目要求尋找滿足設(shè)計要求的芯片，定下具體框架，從題目可知其主 要由三部分構(gòu)成。首先是輸入通道由 A/D 轉(zhuǎn)換裝置，其次為單片機(jī)部分，第三 部分是輸出通道即 D/A 轉(zhuǎn)換裝置。除主要部分外為了讓裝置具有更完善的功能， 選用抗干擾電路鍵盤顯示等。 4.具體設(shè)計 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)和輸入通道、輸出通道組 成。輸入通道包括信號處理和 A/D 轉(zhuǎn)換，輸出通道則由 D/A 轉(zhuǎn)換器組成。 信號處理 A/D 轉(zhuǎn)換 單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換 輸入 輸出 圖 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 單片機(jī)芯片，配以必要的外部配件就構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)。目前用的較 多的是 Intel 公司的 MCS-51 系列單片機(jī)， MCS-51 系列單片機(jī)包括三個基本型 8031、8051、8751。為了熟悉單片的擴(kuò)展，本次設(shè)計采用 8031 單片機(jī)。8031 內(nèi)部包括一個 8 位 CPU、128B RAM，21 個特殊功能寄存器（SFR） 、4 個 8 位并 行 I/O 口、一個全雙工串行口，2 個 16 位定時器/計數(shù)器，但片內(nèi)無程序存儲 器，需外擴(kuò) EPROM 芯片。 8031 采用 40 引腳雙列直插封裝（DIP）形式，引腳如圖 2 所示。按引腳的 功能可分為三部分。 （1）電源及時鐘引腳 Vcc（40 引腳）：接+5V 電源 Vss（20 引腳）：接地 XTAL1(19 引腳)：接外部晶體的 1 個引腳，用作晶體振蕩電路的反相器輸入端 XTAL2(18 引腳)：接外部晶體的另外一端，用作晶體振蕩電路的反相器輸出端 2 （2）控制引腳 RST/Vpd（9 引腳）：RET(RESET)是復(fù)位信號輸入端，高電平有效；Vpd 為本引 腳的第二功能，即備用電源 ALE/PROG(30 引腳)：ALE 引腳輸出為地址鎖存允許信號；PROG 為本引腳的第二 功能，在對片內(nèi) EPROM 型單片機(jī)編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端 PSEN(29 引腳)：程序存儲器允許輸出控制端。 EA/Vpp（31 引腳）：EA 功能為內(nèi)外程序存儲器選擇控制端；Vpp 為本引腳的第 二功能，在對 EPROM 固化編程時，用于施加較高的編程電壓（例如+21V 或 +12V） 。 （3）I/O 口引腳 P0 口：雙向 8 位三態(tài) I/O 口，此口為地址總線（低 8 位）及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用 口，可驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負(fù)載 P1 口：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負(fù)載 P2 口：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可與地址總線（高 8 位）復(fù)用，可驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負(fù)載 P3 口：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負(fù)載，P3 口 的第二功能如表 1 所示 表 1 P3 口的第二功能表 引腳 第二功能 P3.0 RXD(串行口輸入端) P3,1 TXD(串行口輸出端) P3.2 INT0(外部中斷 0 請求輸入端，低電平有效) P3.3 INT1(外部中斷 1 請求輸入端，低電平有效) P3.4 T0(定時器/計數(shù)器 0 計數(shù)脈沖輸入端） P3.5 T1(定時器/計數(shù)器 1 計數(shù)脈沖輸入端） P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸入端，低電平有效） P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器杜選通信號輸入端，低電平有效) 8031 內(nèi)部無程序存儲器,因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)必須在片外擴(kuò)展 EPROM，必 須有復(fù)位電路及時鐘電路。這里我使用 2764 作為程序存儲器， 圖 2 為 8031 外 擴(kuò)程序存儲器的最小應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅能完成數(shù)字量的輸入和輸出。 圖 2 8031 最小應(yīng)用系統(tǒng) 3 4.2 A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計 ADC0809 是美國國家半導(dǎo)體公司推出的 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，包括 8 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8 通道多路轉(zhuǎn)換器和與微處理器兼容的控制邏輯。8 通道多 路轉(zhuǎn)換器能直接連通 8 個單端模擬信號中的一個。ADC0809 與 C51 單片機(jī)有三 種接口方式：查詢方式、中斷方式和等待延時方式。每采集一次一般需要 100US。 4.2.1 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示 圖 3 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由上圖可知，ADC0809 由一個 8 路模擬開關(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(jìn)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)。 4.2.2 ADC0809 引腳結(jié)構(gòu) 其引腳結(jié)構(gòu)如圖 4 所示 4 圖 4 ADC0809 引腳結(jié)構(gòu)圖 ADC0809 各腳功能如下： 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(fù)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，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 OE：輸出允許控制端，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）。 A、B、C：地址輸入線。 4.2.3 ADC0809 與單片機(jī)連接的電路設(shè)計 ADC0809 通過中斷方式與 8031 單片機(jī)的硬件接口電路如圖 5 所示（為了提 高單片機(jī) CPU 的利用率一般采用中斷法） 5 圖 5 ADC0809 中斷方式與 8031 單片機(jī)的硬件接口電路 4.2.4 AD 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計 進(jìn)行初始化 啟動/轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)的存儲與顯示并且地址和 數(shù)據(jù)地址指針均加一 轉(zhuǎn)化完 8路轉(zhuǎn)換完 N Y N Y 開始 結(jié)束 4.3 D/A 轉(zhuǎn)換器設(shè)計 DAC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。由于 DAC0832 接 口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易，因此在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。DAC0832 轉(zhuǎn)換器由 8 位輸入鎖存器、8 位輸出鎖存器、8 位 DAC 存儲器、8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電 路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。 4.3.1 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu) DAC0832 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 6 所示 6 圖 6 DAC0832 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由上圖可知量是通過兩級寄存器送至 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入端。兩級鎖存器可 做到當(dāng)后一級鎖存器正輸出給 D/A 轉(zhuǎn)換時，前一級又可接收新的數(shù)據(jù)，從而提 高了轉(zhuǎn)換速度，WR1 和 WR2 是用來分別控制兩級鎖存器的。 4.3.2DAC0832 引腳結(jié)構(gòu) DAC0832 引腳如圖 7 所示 圖 7 DAC0832 引腳 DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL 電平。 ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。 CS：片選信號輸入線，低電平有效。 WR1：為輸入寄存器的寫選通信號。 XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效。 WR2：為 DAC 寄存器寫選通輸入線。 Iout1:電流輸出線。當(dāng)輸入全為 1 時 Iout1 最大。 Iout2:電流輸出線。其值與 Iout1 之和為一常數(shù)。 Rfb:反饋信號輸入線,芯片內(nèi)部有反饋電阻. Vcc:電源輸入線 (+5v+15v)。 Vref:基準(zhǔn)電壓輸入線 (-10v+10v)。 AGND:模擬地,摸擬信號和基準(zhǔn)電源的參考地。 DGND:數(shù)字地,兩種地線在基準(zhǔn)電源處共地比較好. 4.3.3DAC0832 與單片機(jī)的電 路設(shè)計。 7 4.3.3DAC0832 與單片機(jī)連接的電路設(shè)計 DAC0832 與單片機(jī)連接如圖 8 所示 圖 8 DAC0832 與單片機(jī)連接的電路 4.3.4 DA 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計 Y 初始化 讀入波形數(shù)據(jù) 改變計數(shù)器及表的指針 轉(zhuǎn)換完？ 啟動D/A N 開始 結(jié)束 8 4.4 外部鍵盤 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是 人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。這里我使用行列式鍵盤電路，它適用于按鍵數(shù)目 較多的場合，與獨(dú)立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的 I/O 口線。 4.4.1 設(shè)計思路 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩 陣形式，如圖 5 所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接 連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如 P1 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別 越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多 出一鍵（ 9 鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是 合理的。 圖 9 矩陣式鍵盤與單片機(jī)的連接原理圖 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識別也要復(fù)雜一些，上圖 9 中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的 I/O 口作為輸出端，而 列線所接的 I/O 口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是 高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被 拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 4.4.2 矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 行列式鍵盤的鍵盤識別方法有兩種：1 掃描法、2 線反轉(zhuǎn)法。掃描法要逐列 掃描查詢，當(dāng)被按下的按鍵處于最后 1 列時，則要經(jīng)過多次掃描才能最后獲得 此按鍵所處的行列值。而線反轉(zhuǎn)法則顯得很簡練，無論被按鍵式處于第 1 列或 最后 1 列，均只需經(jīng)過 2 步便能獲得此按鍵所在的行列式。 具體操作步驟如下： 第一步，讓行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，并使輸出線輸出為全 低電平，則行線中電平由高變低的所在行為按鍵所在行。 第二步，再把行線編程為輸出線，列線編程為輸入線，并使輸出線輸出全 9 為低電平，則列線中電平由高變低所在列為按鍵所在列。 綜合上訴 2 步的結(jié)果，可確定按鍵所在行和列，從而識別出所按的鍵。 4.4.3 鍵盤的工作方式 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能夠，鍵盤掃描只是單片機(jī)的工作內(nèi)容之一。單片機(jī)在忙于 各項工作任務(wù)時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤工作方 式的選取應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)中 CPU 工作的閑、忙情況而定。其原則是既要保 證能及時響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用 CPU 的工作時間。通常，鍵盤的工作 方式有 3 種，即編程掃描、定式掃描和中斷掃描。 這里由于采用的 8 位 8031 單片機(jī)，考慮其效率，選擇使用編程掃描方式。 4.4.4 鍵盤與 8031 電路的連接設(shè)計 鍵盤與 8031 連接入如圖 10 所示 圖 10 phone-key 與 8031 的連接電路 10 4.4.5 鍵盤子程序流程圖 開 始 有鍵閉合否？ 調(diào)用顯示子程序延遲 6ms 2 次調(diào)用顯示子 程序延遲 12ms 有鍵閉合否？ 判斷閉合鍵鍵號 堆棧 閉合鍵釋放否？ 輸入鍵號 A 返回 11 4.5 顯示裝置 4.5.1 設(shè)計原理 數(shù)碼顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。本課設(shè)要輸出 05V 標(biāo)準(zhǔn) 電壓，而且在前面我用的是 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，由計算可知其精度為 85/25/260.2 所以這里我們需要四段發(fā)光二極管，在多位 LED 顯示時，為簡化硬件電路， 通常將所有位的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，有 1 個 8 位 I/O 口控制，形成段碼 線的多路復(fù)用，而各位的共陰極或共陽極分別由相應(yīng)的 I/O 口線控制，形成各 位的分時選通。 4.5.2 顯示器與 8031 電路的連接設(shè)計 這里我們選用 7SEG-MPX4-CC-BLUE 顯示器，再采用 8155 實現(xiàn)控制動態(tài) LED 顯示模塊接口的硬件設(shè)計，其與 8031 電路連接如圖 11 所示 圖 11 顯示器與 8031 電路的連接 4.6 上位機(jī)通訊 MCS-51 單片機(jī)有一個可編程的串行接口，它是一個全雙工的通信端口，可 以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。串行通信接口的優(yōu)點(diǎn)在于使用較少的傳輸線即可完成 數(shù)據(jù)的傳輸。 12 4.6.1 設(shè)計原理 RS-232C 是異步通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，它定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備 和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。 目前，PC 機(jī)都配有標(biāo)準(zhǔn)的 RS-232 接口，RS-232 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 25 針連接器， 但在實際應(yīng)用中并不一定用到 RS-232 的全部信號線，所以，PC 機(jī)配置的都是 9 針“D”型連接器。下圖為 RS-232 的“D”型 9 針插頭的引腳定義。 圖 12 “D”型 9 針插頭引腳定義 9 個引腳的功能見表 2 表 2 9 針 RS-232 接口引腳圖 引腳號 符號 方向 功能 1 DCD 輸入 數(shù)據(jù)載體檢測 2 TXD 輸出 發(fā)送數(shù)據(jù) 3 RXD 輸入 接收數(shù)據(jù) 4 DTR 輸出 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 5 GND 信號地 6 DSR 輸入 數(shù)據(jù)通信設(shè)備準(zhǔn)備好 7 RTS 輸出 請求發(fā)送 8 CTS 輸入 清除發(fā)送 9 RI 輸入 振鈴指示 4.6.2 上位機(jī)通信的的實現(xiàn) 這里我使用 MAX232 實現(xiàn) TTL/RS-232 之間的電平轉(zhuǎn)換，圖 13 是 MAX232 與 0832 和 CONN-D9F 的連接電路 圖 13 通過 MAX232 連接 0831 與 CONN-D9F 13 4.6.3 0831 與 PC 機(jī)串行通信程序流程 設(shè)置串行口工作方式 設(shè)置波特率 接收完？ 數(shù)據(jù)送緩存 發(fā)送數(shù)據(jù) 發(fā)送完 清除發(fā)送標(biāo)志 是 是 否 否 開始 14 4.7 基于 0831 單片機(jī)的總系統(tǒng)仿真圖 圖 14 總系統(tǒng)圖 5 參考文獻(xiàn) 1周潤景.Proteus 在 MCS-51&ARM7 系統(tǒng)中的應(yīng)用百例M.電子工業(yè)出版社, 2006.10 2白延敏.51 單片機(jī)典型系統(tǒng)開發(fā)M.電子工業(yè)出版社,2009.1 3邊春元.C51 單片機(jī)典型模塊設(shè)計與應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版，2008.4 4杜樹春.單片機(jī)與外圍器件接口M.中國電力出版社，2009.1 5張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.高等教育出版社，2003.12 6 http:/ 7 8 6 設(shè)計心得 經(jīng)過這一個多星期的課程設(shè)計，從翻閱資料到畫出原理圖到設(shè)計出完整的 方案，我也經(jīng)歷了從略知單片機(jī)的一二到深入的了解單片機(jī)原理的過程，雖然 有些東西比較難以理解和掌握，但是我覺得通過這次課程設(shè)計自己學(xué)到了不少 的東西，不僅僅是單片機(jī)本身的知識，還有計算機(jī)控制理論的結(jié)合，讓自己受 益匪淺。 當(dāng)然，這次課設(shè)我找到了自己很多不足之處，比如說畫圖的時候不夠仔細(xì)， 而且急于求成，思路不夠清晰等等，這些都是自己需要在以后長期的工作過程 中需要克服的毛病和缺點(diǎn)。 我相信這次課程設(shè)計將成為自己工作和學(xué)習(xí)中的寶貴的財富，也再次感謝這一 15 個星期以來幫助我的老師和同學(xué) 7 工作日記 2010.7.5 上午 東階四合開動員大會，作動員準(zhǔn)備 下午 圖書館借書：Proteus 在 MCS-51&ARM7 系統(tǒng)中的應(yīng)用百例 、 51 單片 機(jī)典型系統(tǒng)開發(fā) 、 C51 單片機(jī)典型模塊設(shè)計與應(yīng)用 、 單片機(jī)與外圍器件接 口 2010.7.62010.7.7 復(fù)習(xí)高教版單片機(jī)原理及應(yīng)用 2010.7.8 上午 查閱所借資料，確定輸入輸出通道形式 下午 學(xué)習(xí) Proteus 軟件，初步繪制 A/D、D/A 分別與單片機(jī)連接的電路圖 2010.7.9 找老師答疑，確定之前所選 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器的合理性 2010.7.10 上午 確定鍵盤模式 下午 確定顯示器模式 2010.7.11 上午 繪制鍵盤、顯示器與單片機(jī)的連接電路圖 下午 繪制軟件流程圖 2010.7.12 撰寫設(shè)計說明書，繪制檢測系統(tǒng)總圖 2010.7.13 繼續(xù)完善課程設(shè)計報告，回顧電路工作過程，準(zhǔn)備答辯