數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì).doc

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要本文介紹了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是模擬域與數(shù)字域之間必不可少的紐帶，它的存在具有著非常重要的作用。本文介紹的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而該系統(tǒng)硬件部分的重心在于單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了模塊化的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了單片機(jī)at89s52來實(shí)現(xiàn)，硬件部分是以單片機(jī)為核心，還包括a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，保持采樣模塊，顯示模塊，和臨時存儲部分。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并應(yīng)答主機(jī)的命令。8路被測電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并用led數(shù)碼顯示器來顯示所采集的結(jié)果。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 89c52單片機(jī) adc0809abstractthis article describes the hardware design and software design of the data on which based on signal-chip microcomputer .the data collection system is the link between the digital domain and analog domain. it has an very important function. the introductive point of this text is a data to collect the system. the hardware of the system focuses on signal-chip microcomputer .data collection and communication control use modular design. the data collected to control with correspondence to adopt a machine 8051 to carry out. the part of hardwares core is at89s52, is also includes a/d conversion module, display module, and the serial interface. slave machine is responsible for data acquisition and answering the host machine.8 roads were measured the electric voltage to pass the in general use mold-few conversion of adc0809,the realization carries on the conversion that imitates to measure the numeral to measure towards the data that collect. led digital display is responsible display the data. keyword: data acquisition at89c52 adc0809第一章 緒論1.1 研究背景及其目的意義近年來，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們越來越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代，1956年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng)，目標(biāo)是測試中不依靠相關(guān)的測試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測試任務(wù)是由測試設(shè)備高速自動控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。大概在60年代后期，國內(nèi)外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計(jì)算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動測試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)組成。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應(yīng)用。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用較多。20世紀(jì)80年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了很大的變化，工業(yè)計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理，是系統(tǒng)的成本減低，體積變小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng)。1120世紀(jì)90年代至今，在國際上技術(shù)先進(jìn)的國家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（das）。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個新的系統(tǒng)。盡管現(xiàn)在以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，而且組成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)并輔以應(yīng)用軟件，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會對基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機(jī)具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價格等優(yōu)點(diǎn)，而雙單片機(jī)又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c(diǎn)同時進(jìn)行采集，因此能夠開發(fā)出能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲和顯示。它起始于20世紀(jì)中期，在過去的幾十年里，隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集方面的技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前社會的發(fā)展主流方向。各種領(lǐng)域都用到了數(shù)據(jù)采集，在石油勘探、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)飛行、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。我國的數(shù)字地震觀測系統(tǒng)主要采用tde-124c型tde-224c型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來，又成功研制了動態(tài)范圍更大、線性度更高、兼容性更強(qiáng)、低功耗可靠性的tde-324c型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集對拾震計(jì)輸出的電信號模擬放大后送至a/d數(shù)字化，a/d采用同時采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)dsp數(shù)字濾波處理后，變成數(shù)字地震信號。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備24位a/d轉(zhuǎn)化位數(shù)，采樣率有50hz、100hz、200hz。由美國pasco公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由3部分組成：（1）傳感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時采集技術(shù)可實(shí)時采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；（2）計(jì)算機(jī)接口：將來自傳感器的數(shù)據(jù)信號輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為25萬次/s；（3）軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。受需求牽引，新一代機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿足飛行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用也在快速地發(fā)展。如愛爾蘭acra公司2000年研發(fā)推出的新一代kam500機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到了2006年。1.3 該課題研究的主要內(nèi)容數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一, 它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等問題。它是對傳感器信號的測量與處理, 以微型計(jì)算機(jī)等高技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。數(shù)據(jù)采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及,數(shù)據(jù)采集監(jiān)測已成為日益重要的檢測技術(shù),廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),通常采用一些功能相對獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分,數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個系統(tǒng)。本課題要求完成8路數(shù)據(jù)采集器的功能設(shè)計(jì)，并對部分功能實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)。能在模擬系統(tǒng)中調(diào)試完成。要求電路：總線功能；8路電壓數(shù)據(jù)采集；能手動和自動控制電路是否循環(huán)采集，能手動加減采集通道；能對系統(tǒng)錯誤用led燈報警。第二章 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1 數(shù)據(jù)采集硬件的總體框圖采樣保持a/d轉(zhuǎn)換器單片機(jī)led顯示器鍵盤采集信號（1） 采集信號：多路數(shù)據(jù)采集的信號主要是電壓信號，由于該課題給出的是電流，所以需經(jīng)過i/v變換獲得電壓。（2） a/d轉(zhuǎn)換：a/d轉(zhuǎn)換器是用來通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。 模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在a/d轉(zhuǎn)換前，輸入到a/d轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號。（3） 單片機(jī)：分析系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能可知，需要設(shè)計(jì)的功能模塊應(yīng)該包括多路開關(guān)，總線設(shè)計(jì)，顯示設(shè)計(jì)，a/d轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，鍵盤設(shè)計(jì)等，對于這些功能，選用51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)是合適的，采集數(shù)據(jù)、控制、鍵盤以及顯示都是mcs-51單片機(jī)的典型應(yīng)用范疇。本系統(tǒng)采用atmel公司的at89c51，該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51系列單片機(jī)的指令集和輸出管腳相兼容。（4） led數(shù)碼管顯示：用于顯示采集通道和采集電壓，本設(shè)計(jì)采用的是共陽極6位8段式數(shù)碼管。（5） 按鍵開關(guān)：通過按鍵開關(guān)可以控制電路的采集方式，及自動采集和手動采集，當(dāng)手動采集時，開關(guān)可以控制通道數(shù)加1和減1。2.2 方案論證2.2.1 a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換模/數(shù)轉(zhuǎn)換是現(xiàn)代測控電路中非常重要的環(huán)節(jié)，它有并行和串行兩種數(shù)據(jù)輸出形式。目前，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器adc已被做成大規(guī)模集成電路，并有多種型號和種類可供選擇。本文介紹了adc0809的性能特點(diǎn):a/d轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來說，可以分為8位、10位、12位和16位等。位數(shù)越高其分辨率就越高，價格也就越貴。a/d轉(zhuǎn)換器型號很多，而其轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換誤差也各不相同。(1)逐漸逼近式a/d轉(zhuǎn)換器：它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間在幾微秒到幾百微秒之間。(2)雙積分a/d轉(zhuǎn)換器：它是一種間接式的a/d轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，精度比較高，缺點(diǎn)是數(shù)度很慢，適用于對轉(zhuǎn)換數(shù)度要求不高的系統(tǒng)。(3)并行式a/d轉(zhuǎn)換器：它又被稱為flash（快速）型，它的轉(zhuǎn)換數(shù)度很高，但她采用了很多個比較器，而n位的轉(zhuǎn)換就需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也很貴，只適用于視頻a/d轉(zhuǎn)換器等數(shù)度特別高的領(lǐng)域。鑒于上面三種方案，在價格、轉(zhuǎn)換速度等多種標(biāo)準(zhǔn)考量下，在本設(shè)計(jì)選用的是逐漸逼近式a/d轉(zhuǎn)換器adc0809。2.2.2單片機(jī)的選擇單片機(jī)是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計(jì)算機(jī)中的一個重要的分支。此系統(tǒng)是由多路開關(guān)，采樣保持器，cpu、零時存取數(shù)據(jù)存儲器、led數(shù)碼管顯示電路、按鍵開關(guān)及a/d轉(zhuǎn)換器等電路集成到一個單塊芯片上，構(gòu)成了一個最小但完善的計(jì)算機(jī)任務(wù)。單片機(jī)要使用特定的組譯和編譯軟件編譯程序，在用keiluvision2把程序下載到單片機(jī)內(nèi)。而本設(shè)計(jì)選用的是at89c52.2.2.3 顯示部分led數(shù)碼顯示管是一種由led發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個led顯示管，其中7個用于顯示字符，1個用來顯示小數(shù)點(diǎn)，故通常稱之為八段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。對led數(shù)碼顯示器的控制可以采用按時間向它提供具有一定驅(qū)動能力的位選和段選信號。led數(shù)碼顯示有動態(tài)掃描顯示法和靜態(tài)顯示。在單片機(jī)中，為了節(jié)省硬件資源，多采用動態(tài)掃描顯示法。2.2.4 按鍵鍵盤是一種常見的輸入設(shè)備，用戶可以向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)或命令。根據(jù)案件的識別方法分類，有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。通過硬件識別的鍵盤稱編碼鍵盤；通過軟件識別的鍵盤成為非編碼鍵盤。非編碼鍵盤有兩種接口方法：一種是獨(dú)立按鍵接口；另一種是矩陣式按鍵接口。這里選用的是獨(dú)立按鍵接口。1、獨(dú)立按鍵接口在單片機(jī)中，如果所需的按鍵較少，可采用獨(dú)立式鍵盤。每只按鍵接單片機(jī)的一條i/o線，通過對線的查詢，即可識別各按鍵的狀態(tài)。如圖2.2所示。3只按鍵分別宇單片機(jī)的p1.0p1.2i/o線上。無按鍵按下時，p1.0p1.2線上均輸入高電平。當(dāng)某按鍵按下時，與其相連的i/o線將得到低電平輸入。此電路我們采用次方法。2.矩陣式按鍵接口在單片機(jī)中需要的按鍵較多時，通常把鍵排成矩陣形式，這樣可以節(jié)省硬件資源。如對于20只按鍵接口，如采用按鍵獨(dú)立方式，需要20個i/o口。如采用矩陣式按鍵方式，則只需要9個i/o 口。如圖2.3所示。單片機(jī)系統(tǒng)中的非編碼式鍵盤程序主要由判別是否有鍵按下子程序、鍵的識別子程序、找到閉合鍵后，讀入相應(yīng)的鍵值，再轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理程序幾個部分組成。第三章 硬件部分3.1主要電路元件簡介：3.1.1 單片機(jī)：（1）單片機(jī)的概述單片機(jī)是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運(yùn)算能力（如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（cpu）,隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），只讀程序存儲器（rom），輸入輸出電路（i/o口），可能還包括定時計(jì)數(shù)器，串行通信口（sci），顯示驅(qū)動電路（lcd或led驅(qū)動電路），脈寬調(diào)制電路(pwm)，模擬多路轉(zhuǎn)換及a/d轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機(jī)上，構(gòu)成一個最小然而很完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)?？偟亩詥纹瑱C(jī)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個方面：集成度高、存儲容量大、外部擴(kuò)展能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗、性能價格比高、可靠性高這幾個方面。單片機(jī)按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為4位、8位、16位及32位單片機(jī)。它們被應(yīng)用在不同領(lǐng)域里，8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)大，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能接口、儀表儀器等各個領(lǐng)域。8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長足發(fā)展。縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢：1、 微型單片化2、 低功耗cmos3、與多品種共存4、可靠性和應(yīng)用水平越來越高單片機(jī)有著微處理器所不具備的功能，它可以獨(dú)立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機(jī)的最大特點(diǎn)。然而單片機(jī)又不同于單板機(jī)，芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強(qiáng)的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。它與單板機(jī)或個人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)屬于芯片級應(yīng)用，需要用戶了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，從而使芯片具備特定的智能。（2） 簡介at89c52at89c52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。8at89s52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram，32 位i/o 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8其引腳圖，如圖3.2所示圖3.2 at89c52的引腳圖它一共有40個引腳，引腳又分為四類。其中有四個電源引腳，用來接入單片機(jī)的工作電源。工作電源又分主電源、備用電源和編程電源。還有兩個時鐘引腳xtal1、xtal2。還有由p0口、p1口、p2口、p3口的所有引腳構(gòu)成的單片機(jī)的輸入/輸出（io）引腳。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復(fù)位功能。綜上所述，單片機(jī)的引腳特點(diǎn)是：1、 單片機(jī)多功能，少引腳，使得引腳復(fù)用現(xiàn)象較多。2、 單片機(jī)具有四種總線形式：p0和p2組成的16位地址地址總線；p0分時復(fù)用為8位數(shù)據(jù)總線；ale、psen、rst、ea和p3口的int0、int1、t0、t1、wr、rd以及p1口的t2、t2ex組成控制總線；而p3口的rxd、txd組成串行通信總線。89c52單片機(jī)的主要功能l 與mcs-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容l 8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器l 1000次擦寫周期l 全靜態(tài)操作：0hz33hzl 三級加密程序存儲器l 32個可編程i/o口線l 三個16位定時器/計(jì)數(shù)器l 八個中斷源l 全雙工uart串行通道l 低功耗空閑和掉電模式l 掉電后中斷可喚醒l 看門狗定時器l 雙數(shù)據(jù)指針l 掉電標(biāo)識符3.1.2 led數(shù)碼顯示器的應(yīng)用原理簡單的講，led數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組成的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，led數(shù)碼顯示器有兩種連接方式：（1）共陰極接法：把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極與輸入端相連。如圖3.4所示（2）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接+5v，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。如圖3.5所示 圖3.2 led內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖3.3 共陰極接法 圖3.4 共陽極接法為了顯示字符，要為led顯示器提供顯示段碼（或稱字形代碼），組成一個“8”字的七段，再加上1個小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)八段。各段位碼位的對應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。3.1.3 外部驅(qū)動設(shè)備74ls373八 d 鎖存器(3s,鎖存允許輸入有回環(huán)特性) 簡要說明： 74ls373為三態(tài)輸出的八 d 透明鎖存器，共有 54s373 和 74ls373 兩種線路. 74ls373 的輸出端 o0o7 可直接與總線相連。 當(dāng)三態(tài)允許控制端 oe 為低電平時，q0q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng) oe 為高電平時，q0q7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 當(dāng)鎖存允許端 le 為高電平時，q 隨數(shù)據(jù) d 而變。當(dāng) le 為低電平時，d 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng) le 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mv。 引出端符號： d0d7 數(shù)據(jù)輸入端 oe 三態(tài)允許控制端（低電平有效） le 鎖存允許端 q0q7 輸出端 真值表： dnleoeonhhlhlhllxllq0xxh高阻態(tài)3.1.4 a/d轉(zhuǎn)換器 adc0809簡介 adc0809是帶有8位a/d轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的cmos組件。它是逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 （1）adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 由下圖可知，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)。（2）adc0809引腳結(jié)構(gòu) 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。 2 adc0809應(yīng)用說明 （1） adc0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與at89s51單片機(jī)直接相連。 （2） 初始化時，使st和oe信號全為低電平。 （3） 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到a，b，c端口上。 （4） 在st端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5） 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)eoc信號來判斷。 （6） 當(dāng)eoc變?yōu)楦唠娖綍r，這時給oe為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。3.1.5 譯碼器74ls138工作原理： 當(dāng)一個選通端（e1）為高電平，另兩個選通端（(/e2)和/(e3)）為低電平時，可將地址端（a0、a1、a2）的二進(jìn)制編碼在y0至y7對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：a2a1a0=110時，則y6輸出端輸出低電平信號。 利用 e1、e2和e3可級聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時，74ls138還可作數(shù)據(jù)分配器。 可用在8086的譯碼電路中，擴(kuò)展內(nèi)存 在此電路中，譯碼器74ls138，與74ls373構(gòu)成單片機(jī)總線，74ls138用于連接外部設(shè)備。功能表： 3.1.6 74hc74雙d觸發(fā)器：74hc74為單輸入端的雙d觸發(fā)器。一個片子里封裝著兩個相同的d觸發(fā)器，每個觸發(fā)器只有一個d端，它們都帶有直接置0端rd和直接置1端sd，為低電平有效。cp上升沿觸發(fā)。 才此次設(shè)計(jì)中，74hc74用于為adc0809提供脈沖信號，這里單片機(jī)晶振我們采用12m，ale輸出頻率為大概2mkz,此處，我們用74hc74對其進(jìn)行2分頻，輸出大概1mhz的頻率，用于滿足adc0809時鐘需求。3.2電路組合：3.2.1電路i/v變換設(shè)計(jì)： 變送器輸出的信號為0-20ma統(tǒng)一信號，需要經(jīng)過i/v變換變成電壓信號后才能處理，對于電動單元組合儀表，ddz-11型號的輸出信號標(biāo)準(zhǔn)為0-10ma，而ddz-111型和ddz-s系列的輸出信號標(biāo)準(zhǔn)時4-20ma，因此我們需要研究i/v變換的實(shí)現(xiàn)方法：（1）無源i/v變換 無源i/v變換主要是利用無源電阻來實(shí)現(xiàn)的，并可以考慮加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施，如下圖： 對于0-20ma輸入信號，可取r1=100歐，r2=250歐，且r2為精密電阻，這樣當(dāng)輸入的i為0-20ma時，輸出電壓為0-5v。（2）有源i/v變換 有源i/v變換主要是利用有源器件運(yùn)算放大器。電阻來實(shí)現(xiàn)，如下圖：r2為精密電阻，阻值為250歐，通過采樣電阻r2將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，取r4=1k，r5設(shè)定為4.7k電位器，通過調(diào)整r3的值，可使0-20ma輸入對應(yīng)于0-5v的電壓輸出。本次設(shè)計(jì)采用的是i/v無源變換。3.2.2單片機(jī)主控電路： mcs-51單片機(jī)的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，一種是外部方式。本次設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)部時鐘：如上圖，振蕩晶體采用的是12mhz，電容c1，c2取值通常在20pf-100pf之間的選擇，典型值為30pf左右，本電路采用的是33pf。 電路復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，只要電源的上升時間不超過1ms，就可以時間上電自動復(fù)位了，及通過電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動復(fù)位有電平和脈沖方式兩種。其中按鍵電平復(fù)位時通過按鍵式復(fù)位端經(jīng)電阻與vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，而按鍵脈沖復(fù)位這是利用rc微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)位電路雖然簡單，但是它的作用非常重要，一個單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，首先要檢查是否能復(fù)位成功，初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視rst引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出（瞬時的），還可以通過改變復(fù)位電路阻容值進(jìn)行試驗(yàn)。3.2.3 單片機(jī)系統(tǒng)總線： 所謂總線，就是計(jì)算機(jī)各模塊之間互換和傳送信息的一組信號線，以微處理器為核心，總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線，而內(nèi)部總線又可分為片級總線和系統(tǒng)總線，片級總線包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。i2c總線。spi總線，sci總線等；系統(tǒng)總線又包括isa總線，eisa總線，vesa總線,pci總線等，外部總線包括rs232，rs485，usb等總線。 本次實(shí)驗(yàn)電路采用的是片級總線擴(kuò)展8位數(shù)據(jù)傳送的數(shù)字量輸入/輸出模板。單片機(jī)在擴(kuò)展多片外部存儲器和i/o口時，所有外部擴(kuò)展器件的片選端口都必須按照地址線進(jìn)行選擇，片選是在保證對外部擴(kuò)展的公共地址空間尋址的條件下，使用剩余的地址線進(jìn)行線選或經(jīng)過譯碼來實(shí)現(xiàn)的：上圖采用的線選法擴(kuò)展和采用譯碼法擴(kuò)展的電路圖。線選法是利用剩余的高位地址線直接進(jìn)行選片，因此電路比較簡單，但地址空間不連續(xù)，造成地址空間浪費(fèi)。譯碼法是通過外接譯碼器隊(duì)地址譯碼來進(jìn)行選片，因此空間不會浪費(fèi)，但由于使用譯碼器增加了電路復(fù)雜性，常用芯片有：2-4線譯碼器74ls139，3-8譯碼器74ls138，4-16線譯碼器74ls154等，如上圖，地址線a12，a13,a14,用3-8譯碼器提供8條片選線。3.2.4 數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。此次設(shè)計(jì)采用的是6位8段共陽數(shù)碼管（用2個3位數(shù)碼管代替）其原理圖如下：該電路由2個外部設(shè)備74ls373驅(qū)動，一個驅(qū)動數(shù)碼顯示，一個驅(qū)動數(shù)碼選段，第一個74ls373的鎖存允許段le的地址是0x8000，通過單片機(jī)編程，可以控制其高低電平轉(zhuǎn)換，當(dāng)le為高電平時，芯片工作，對數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字顯示操作，當(dāng)le為低電平時，對數(shù)碼管顯示數(shù)字進(jìn)行鎖存，然后由第二個74ls373進(jìn)行段選，第二個74ls373地址線0x9000，當(dāng)選中其地址后，由p0端口控制其選哪一段。外部驅(qū)動電路的鎖存允許端接到單片機(jī)總線上的74ls138輸出上，這樣接的好處是能有效避免單片機(jī)管腳不夠接外部設(shè)備，加入總線及驅(qū)動設(shè)備，能有效擴(kuò)展外部設(shè)備的連接。3.2.5 報警電路報警電路分為聲音報警和燈光報警，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)未知錯誤或者人為操作錯誤，可以采用電路報警，在本次設(shè)計(jì)中，報警器的主要作用是提高安全性，提高工作人員工作效率等。 由8個led燈構(gòu)成一個報警電路，該8路燈借鑒led數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接，采用共陽極連接，陽極部分接在外部設(shè)備74ls373的一個輸出端口上，起選片作用。陰極接到和數(shù)碼管公用的外部設(shè)備上。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)非正常狀況時，led燈閃爍報警。3.2.6 硬件設(shè)計(jì)思路：此次設(shè)計(jì)采用總線設(shè)計(jì)，對單片機(jī)i/o口進(jìn)行擴(kuò)展使用，加入譯碼器74ls138可外部擴(kuò)展8個設(shè)備，其地址線線接p2高位。74ls373接p0端口，允許鎖存端口接74ls138，這樣接不僅有效節(jié)約單片機(jī)i/o端口，同時為6為數(shù)碼管提供了驅(qū)動電路，8路輸入a/d轉(zhuǎn)換器各個控制端接單片機(jī)p1口，同時接p1口的還有電子開關(guān)，這樣有助于軟件編程，各個引腳是做什么的就一目了然，a/d轉(zhuǎn)換電路是輸入電流為0-20ma，經(jīng)過i/v變換，將電流變成電壓0-5v再傳到adc0809進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，此刻得到的是一個8位2進(jìn)制數(shù)，我們無法知道實(shí)際電壓是多少，于是我們需要轉(zhuǎn)換成實(shí)際模擬電壓并顯示出來，便于記錄。由于轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制最大為11111111，又因?yàn)閍dc0809的基準(zhǔn)電壓我設(shè)計(jì)的是5v?？捎萌缦鹿剿枷脒M(jìn)行換算：模擬量/5v=模擬量轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)/11111111將公式的右邊轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制：模擬量/5v=二進(jìn)制轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制數(shù)/255將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后顯示在led數(shù)碼管上即可 此次設(shè)計(jì)采用總線，總線是把微處理器(cpu)， i/o接口連接在一起。采用總線結(jié)構(gòu)，可以減少信啟傳輸線的根數(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性，增加系統(tǒng)的靈活性。第四章 軟件部分4.1 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 4.2 各模塊軟件程序流程4.2.1 adc模數(shù)轉(zhuǎn)換流程該系統(tǒng)的采樣時間設(shè)為沒每秒采樣40個樣點(diǎn)，每當(dāng)時間到50ms的倍數(shù)時啟動轉(zhuǎn)換，當(dāng)開啟的n（n8）路采樣通道轉(zhuǎn)換結(jié)束時，轉(zhuǎn)換停止。采樣完的數(shù)據(jù)傳到cpu后進(jìn)行顯示、存儲等處理。如下圖：開始啟動a/d轉(zhuǎn)換延時一段時間讀入狀態(tài)信息n a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束?y結(jié)束4.2.2顯示模塊led流程圖：開始 取掃描字送p0口延時一段時間讀入狀態(tài)信息顯示地址加1工1顯示下一路采樣電壓n判斷是否最后一位?y結(jié)束4.2.3 開關(guān)處理模塊：循環(huán)通道減1顯示電壓循環(huán)通道加1顯示電壓顯示函數(shù) key2按下key3按下？自動循環(huán)顯示讀p1口的值？key1按下第五章 調(diào)試步驟5.1程序調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要分為以下幾個模塊：數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤控制模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊包括ad電壓信號量采集。由于程序比較多，整體調(diào)試不容易發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，故采取子程序調(diào)試的方法，但要明確子程序的具體功能。例如：調(diào)試顯示子程序時，只將顯示子程序進(jìn)行c語言編程，確認(rèn)無誤后單步執(zhí)行，觀察數(shù)碼管輸出狀態(tài)是否正確。，調(diào)試a/d轉(zhuǎn)換電路，輸入電壓，觀察a/d轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果是否正確。如果有問題找出問題所在。采取各個擊破的方法調(diào)試好各個子程序。 確定各子程序無誤后，再調(diào)試完整的程序，要注意各子程序之間的銜接以及和主程序之間的調(diào)用和返回。運(yùn)行后，觀察有無鍵盤顯示功能。若運(yùn)行結(jié)果不正確，首先應(yīng)根據(jù)程序運(yùn)行的實(shí)際現(xiàn)象分析判斷哪些因素可引起相關(guān)故障，再通過調(diào)試方法逐一認(rèn)證和排除。通過反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并排除軟件與硬件存在的各類問題，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。5.2調(diào)試結(jié)果當(dāng)單片機(jī)編入程序后， 數(shù)碼管能正確顯示數(shù)字，并可以循環(huán)顯示，當(dāng)給a/d轉(zhuǎn)換器件adc0809輸入一個電壓信號時，能按照公式正確進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，可在a/d轉(zhuǎn)換輸出口顯示。當(dāng)按下開關(guān)開關(guān)1，系統(tǒng)自動循環(huán)檢測，當(dāng) 按下開關(guān)2，系統(tǒng)數(shù)字加1，當(dāng)按下開關(guān)3，系統(tǒng)數(shù)字減1。第六章 電路pcb設(shè)計(jì)6.1 多路數(shù)據(jù)采集器pcb設(shè)計(jì)：一個完整的pcb電路板設(shè)計(jì)必須遵循以下基本原則： 電氣連接正確：電路板設(shè)計(jì)好后，必須保證電路板上各元器件電氣連接正確； 符合電路設(shè)計(jì)者的意圖； 符合電路板安裝的要求：電路板設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試好后，一般都要安裝到某一機(jī)箱中，因此電路板的外形、安裝孔的大小、安裝孔放置的位置等應(yīng)當(dāng)事先設(shè)計(jì)好； 元器件布局合理：元器件布局應(yīng)當(dāng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、電磁干擾、將來布線方便性等方面進(jìn)行綜合考慮； 電路板布線合理：與元器件布局合理安排一樣，電路板布線也需要遵循一定的原則，這些可以通過系