51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告書設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)任務(wù)1 一秒鐘采集一次。2把INO 口采集的電壓值放入30H單元中。3做出原理圖。4畫出流程圖并寫出所要運(yùn)行的程序。二、設(shè)計(jì)方案及工作原理方案：1.采用8051和ADC0809勾成一個(gè)8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2 .能夠順序采集各個(gè)通道的信號(hào)。3 .采集信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍：05V。4,每個(gè)通道的采樣速率：100 SPS5 .在面包板上完成電路，將采樣數(shù)據(jù)送入單片機(jī)20h27h存儲(chǔ)單元。6 .編寫相應(yīng)的單片機(jī)采集程序，到達(dá)規(guī)定的性能。工作原理：通過一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器循環(huán)采樣模擬電壓，每隔一定時(shí)間去采 樣一次，一次按順序采樣信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器芯片AD0809各采樣至U 的模擬信

2、號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換完成后， CPU讀取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié) 果，并將結(jié)果送入外設(shè)即CRT/LEDS示，顯示電壓路數(shù)和數(shù)據(jù)值。目 錄第一章系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和解決方案第二章硬件系統(tǒng)第三章軟件系統(tǒng)第四章實(shí)現(xiàn)的功能第五章缺點(diǎn)及可能的解決方法第六章心得體會(huì)附錄一參考文獻(xiàn)附錄二硬件原理圖附錄三程序流程圖第一章系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和解決方案根據(jù)系統(tǒng)基本要求，將本系統(tǒng)劃分為如下幾個(gè)部分：信號(hào)調(diào)理電路8路模擬信號(hào)的產(chǎn)生與A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送端的數(shù)據(jù)采集與傳輸控制器人機(jī)通道的接口電路A/D,數(shù)據(jù)傳輸接口電路數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一般由信號(hào)調(diào)理電路，多路開關(guān)，采樣保持電路,單片機(jī)，電平轉(zhuǎn)換接口，接收端（單片機(jī)、PC或其它設(shè)備）組成。系統(tǒng)框圖

3、如圖1-1所示L 口圖1-1 一般系統(tǒng)框圖信號(hào)采集分析被測(cè)電壓為05V直流電壓，可通過電位器調(diào)節(jié)產(chǎn)生信號(hào)采集多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用共享數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式。數(shù)據(jù)采集方式選擇程序控制數(shù)據(jù)采集。程序控制數(shù)據(jù)采集，由硬件和軟件兩部分組成。，據(jù)不同的采集需要，在程序存儲(chǔ)器中，存放若干種信號(hào)采集程序，選擇相應(yīng)的采集程序進(jìn)行采集工作，還可圖1-3程序控制數(shù)據(jù)采集原理通過編新的程序，以滿足不同采 樣任務(wù)的要求。如圖1-3所示。程序控制數(shù)據(jù)采集的采樣通 道地址可隨意選擇，控制多路傳 輸門開啟的通道地址碼由存儲(chǔ)器 中讀出的指令確定。即改變存儲(chǔ) 器中的指令內(nèi)容便可改變通道地 址。由于順序控制數(shù)據(jù)采集方式 缺乏通

4、用性和靈活性，所以本設(shè)計(jì)中選用程序控制數(shù)據(jù)采集方式。采集多路模擬信號(hào)時(shí)，一般用多路模擬開關(guān)巡回檢測(cè)的方式， 即一種數(shù)據(jù)采 集的方式。利用多路開關(guān)（MUX讓多個(gè)被測(cè)對(duì)象共用同一個(gè)采集通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。當(dāng)采集高速信號(hào)時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器前端還需加采樣/保持(S/H)電路。待測(cè)量一般不能直接被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 通常要進(jìn)行放大、特性補(bǔ)償、濾波等 環(huán)節(jié)的預(yù)處理。被測(cè)信號(hào)往往因?yàn)榉递^小，而且可能還含有多余的高頻分量等 原因，不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換器，需對(duì)其進(jìn)行必要的處理，即信號(hào)調(diào)理。如對(duì)信 號(hào)進(jìn)行放大、衰減、濾波等。通常希望輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)能接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程以保證轉(zhuǎn)換精 度

5、，因此在直流電流電源輸出端與 A/D轉(zhuǎn)換器之間應(yīng)接入放大器以滿足要求。本題要求中的被測(cè)量為05V直流信號(hào)，由于輸出電壓比較大，滿足A/D轉(zhuǎn) 換輸入的要求，故可省去放大器，而將電源輸出直接連接至A/D轉(zhuǎn)換器輸入端。多路數(shù)據(jù)采集輸入通道的結(jié)構(gòu)圖1-4所示。圖1-4多路數(shù)據(jù)采集輸入通道結(jié)構(gòu)ADC08091 TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè) 8位的逼 近型的ADCFB分，并提供一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯， 為模擬通 道的設(shè)計(jì)提供了很大的方便。用它可直接將8個(gè)單端模擬信號(hào)輸入，分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回監(jiān)測(cè)、 過程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛，所以本設(shè)計(jì)中選用該芯片作為 A/

6、D轉(zhuǎn)換電路的 核心。單片機(jī)系統(tǒng)分析1 .復(fù)位電路單片機(jī)在開機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便中央處理器CPU以及其他功能部件都處于 一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 51的RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸 入端。復(fù)位電平是高電平有效，持續(xù)時(shí)間要有 24個(gè)時(shí)鐘周期以上。本系統(tǒng)中單 片機(jī)時(shí)鐘頻率為6MH刎復(fù)位脈沖至少應(yīng)為4us。在MCS-51單片機(jī)系列芯片中，用8051或8751芯片可以構(gòu)成最小系統(tǒng)。因 為8051和8751是片內(nèi)有ROM/EPROM單片機(jī)，用這種芯片構(gòu)成的單片及最小系 統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠8051構(gòu)成的最小系統(tǒng)特點(diǎn):受集成度所限，只能用于小型控制單元。有可供用戶使用的大量的I/O 口線。僅有芯片內(nèi)部

7、的存儲(chǔ)器，故存儲(chǔ)器的容量有限。8051的應(yīng)用軟件要依靠半導(dǎo)體掩膜技術(shù)植入，適于在大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng) 中使用。第二章硬件系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理的任務(wù)將被測(cè)對(duì)象的輸出信號(hào)變換成計(jì)算機(jī)要求的輸入信號(hào)對(duì)于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道，設(shè)置多路選擇開關(guān)，可降低硬件開銷而宅工多路開頭圖2-1信號(hào)調(diào)理過程如圖2-1所示。為避免小信號(hào)通 過模擬開關(guān)造成較大的附加誤 差，在傳感器輸出信號(hào)過小時(shí)， 每個(gè)通道應(yīng)設(shè)前置放大環(huán)節(jié)（本 文可不加以考慮）。數(shù)據(jù)采集電路把連續(xù)變化量變成離散量的過程稱為量化，也可理解為信號(hào)的采樣。把以一定時(shí)間間隔T逐點(diǎn)采集連續(xù)的模擬信號(hào)，并保持一個(gè)時(shí)間 t,使被采集的信號(hào)變成時(shí)間上離散、幅

8、值等于采樣時(shí)刻該信號(hào)瞬時(shí)值的一組方波序列信 號(hào)，即采樣信號(hào)。2 ADC0809內(nèi)部功能與弓I腳介紹分辨率和精度在第一章中已作了相應(yīng)的計(jì)算和分析。6I押制用路忑福7出4 A存Vrrn+1Me戛GADDA 25 ADDB 為TALE 23STAfeT 50E三路模犯尹美TF4手 ,D L 3 4- 5 7 NMWM HWMW 11 VJ 111 1工2-5ADC080sl位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOSS件，包括8位模擬 轉(zhuǎn)換器、8通道轉(zhuǎn)換開關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。8路轉(zhuǎn)換開關(guān)能直接連 通8個(gè)單端模擬信號(hào)中的任何一個(gè)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2-2所示。w優(yōu)開關(guān)4一與譯叫器毛混可r福圖2-

9、2 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要性能逐次比較型CMOS：藝制造單電源供電無需零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與 TTL兼容易與各種微控制器接口具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)分辨率：8位功耗：15mW最大不可調(diào)誤差小于 1LSB （最低有效位）轉(zhuǎn)換時(shí)間(fCLK 500KHz ) 128usIN3 r -23IN2IN4 227IN1INE 3261N0度：0.4%ING425AADC080豉有內(nèi)部時(shí)鐘，必須由外部提供，IN7 一524-BSTAKT $ O23C其范圍為101280kHz。典型時(shí)鐘頻率為EOC 1 g22ALED3 3 =21D7640kHz0E920。D8CLK 101

10、9D52.引腳排列及各引腳的功能，引腳排列如圖2-3所%-11ISd4REF (+)1217D0示。GND13115一 REF ITD11415-D2各引腳的功能如下：IN0IN7: 8個(gè)通道的模擬量輸入端?？奢斎?05V待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。D0D7: 8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。三態(tài)輸出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C:通道選擇端。當(dāng) CBA=000寸，IN0輸入；當(dāng) CBA=111寸,|N7 輸入。圖 2-3 A/DC0809 弓I腳ALE地址鎖存信號(hào)輸入端。該信號(hào)在上升沿處把A、R C的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開關(guān)的地址鎖存器中，從而選通 8路模擬信號(hào)中的某一路。START啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。

11、從STAR琳輸入一個(gè)正脈沖，其下降沿啟動(dòng)ADC0809 開始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于 100200ns。EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換時(shí)它自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?。OE輸出允許端。CLK時(shí)鐘輸入端。ADC0809勺典型時(shí)鐘頻率為640kHz,轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100仙s。 REF(-)、REF(+):參考電壓輸入端。ADC0809勺參考電壓為+ 5V。VCC GND供電電源端。ADC08095用+ 5V單一電源供電。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并 譯碼。在STARTS升沿時(shí)，所有的內(nèi)部寄存器清零,在下降沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，此期間STARTS保持低電平。在S

12、TARTF降7&后10us左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信 號(hào)變?yōu)榈碗娖剑珽OCM氐電平時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE為低電平時(shí)，DO-D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時(shí)，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。ADC0809與MCS-51系列單片機(jī)的接口方法ADC080叫 硬件接口有3種 詢方式、中斷方 方式，本題中選 式。由于時(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào) ALE信號(hào)經(jīng)D觸 獲得。ALE弓|腳 8051時(shí)鐘頻率 中單片機(jī)時(shí)鐘地址碼輸入通道8051單片機(jī)的CBA形式，分別是查000IN0式和延時(shí)等待001IN1用中斷接口方010IN2011meADC080就片內(nèi)IN3100RJ由單片機(jī)的IN4101發(fā)器二分頻后IN5110得脈沖頻

13、率是IN6111的1/6。該題目IN7頻率米用6MHz,則ALE輸出的頻率是1MHz二分頻后為500Hz，符合ADC0809寸頻率的要求。由于ADC080吶部設(shè)有地址鎖存器，所以通道地址由 P0 口的低3位直接與ADC0809勺A、R C相連。通道基本地址為 0000H-0007H 其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 2-1所示。表2-1 0809輸入通道地址控制信號(hào)：將作為片選信號(hào)，在啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)和控制 ADC 的地址鎖存和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。由于ALE和STAR睢在一起，因此ADC0809s鎖存通道 地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào) RD和引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖 作為

14、OE信號(hào)，用一打開三態(tài)輸出鎖存器。START言號(hào)和OE信號(hào)的邏輯表達(dá)式為START= WR+P20OE-紅十 P2.0當(dāng)8051通過對(duì)0000HH 0007H （基本地址）中的某個(gè)口地址進(jìn)行一次寫操作，即可啟動(dòng)相應(yīng)通道的A/ D轉(zhuǎn)換；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0809的EO郵向8051發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào)；8051通過對(duì)0000H-0007H中的某個(gè)口地址進(jìn)行一次讀操作，即可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。ADC0809寸序圖第3章軟件系統(tǒng)ORG 0000hMOV r1,#20h; 取數(shù) 20h 送 ri 中MOV r2,#8h; channel number!；取數(shù) 8h 送 r2MOV TL0,#0hMOV TH0,

15、#0b8h;MOV tmod,#1hclr et0setb tr0MOV scon,#40hMOV dptr,#78ffhloop:MOV a,r2SUBB a,r1jnz loop2MOV ri,#0h;啟動(dòng)TL0;設(shè)置定時(shí)初值THO;選擇工作方式1；清零;啟動(dòng)T0工作;設(shè)置用口工作方式1;取源數(shù)據(jù)地址送dptr;將r2中的數(shù)據(jù)送累加器a中;將r1中的數(shù)據(jù)與a中數(shù) 據(jù)進(jìn)位減法運(yùn)算；結(jié)果不為零則轉(zhuǎn)loop2;對(duì)r1清零MOV dptr,#78ffh地址送dptrMOV r1,#0hMOVdptr,#78ffh址送dptrloopl: jnb tf0,loop1clr tf0MOV TL0,#0

16、hMOV TH0,#0b8hloop2: MOVx dptr,a;start A/Dloop3: jb ,loop3loop4: jnb ,loop4;check flagMOVx a,dptrMOV r1,ainc dph;inc r1;對(duì)r1清零;取源數(shù)據(jù)地;定時(shí)器無溢出則轉(zhuǎn)入loop1;對(duì)tf0清零;對(duì)tlo清零;設(shè)置定時(shí)初值TH0;啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器;為1則轉(zhuǎn)100P3;為0則轉(zhuǎn)100P4;讀取結(jié)果;保存結(jié)果;選取下一個(gè);計(jì)數(shù)器減1;返回至U loopljmp loopend整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，作為主控的PC端的軟件設(shè)計(jì)及作為數(shù)據(jù)采集器的單片機(jī)終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用模塊化編

17、程，將各部分功能分別實(shí)現(xiàn),主要的功能子程序有：數(shù)據(jù)采集、 部分中斷子程序。主程序流程圖如圖3-1所示模數(shù)轉(zhuǎn)換圖3-1主程序流程圖中斷方式使用EOC言號(hào)作為向8051的中斷申請(qǐng)。在主程序中，向 ADCg出3-2為首次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)后，并計(jì)數(shù)管理轉(zhuǎn)換通道數(shù)。 當(dāng)檢測(cè)到EOC勺請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)去執(zhí) 行中斷服務(wù)程序，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換，后繼續(xù)執(zhí)行。圖A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖。以下是8路數(shù)據(jù)采集程序取轉(zhuǎn)換量存入A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通道號(hào)+1輟存單元地址+1通道數(shù)-1第四章實(shí)現(xiàn)的功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴(yán)格的意義上來說，應(yīng)該是用計(jì)算機(jī)控制的 多路數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)或巡回檢測(cè)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲(chǔ)、處理、分 析計(jì)算

18、以及從檢測(cè)的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或 描繪的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)處 理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個(gè)部分組成。 輸入通道要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的 檢測(cè)，采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理要用存儲(chǔ)器把采集到 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行管理和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理 就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關(guān)干擾噪聲，無關(guān)信息和必要的 信息，提取出反映被測(cè)對(duì)象特征的重要信息。另外，就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)分析，以便于檢索；或者把數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來物理量的形式，以可 輸出的形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出，例如打印，顯示，繪圖等。數(shù)據(jù)輸出 及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行輸出和顯

19、示。本電路采用AT89C52的時(shí)鐘電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)采集并且把數(shù)據(jù) 上傳到AD轉(zhuǎn)換ADC080藤換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，再把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到 30H單元中，實(shí)現(xiàn)AD定時(shí)采集功能。第五章缺點(diǎn)及可能的解決方法本文采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)間的通信。RS-232是目前最常用的一種串行通訊接口。由于 RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處， 主要表現(xiàn)在：1.接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容,故需使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與 TTL電路連接。2、傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為 20Kbps3、接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地

20、傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。4、傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為 50英尺，實(shí)際上也只能用在50米 左右0信號(hào)采集過程中，被測(cè)量一般由傳感器供給，常為微弱信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行 適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由于此處輸入信號(hào)滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求，所以本文并為詳細(xì) 討論。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中必不可少。因此建議使用RS-485標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性， 長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。第六章心得體會(huì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng) 用。數(shù)據(jù)采集是工、農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，在醫(yī)藥、化工、食品、等 領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，往往需要隨時(shí)檢測(cè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時(shí)，還要對(duì)某一檢測(cè)點(diǎn)任意參數(shù)能夠進(jìn)行隨機(jī)查尋，將其在某一時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來，以便進(jìn)行比較，做出決策，調(diào)整控制方案， 提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集勢(shì)必將得到越來越多的應(yīng)用，為適 應(yīng)這一趨勢(shì)，作這方面的研究就顯得十分重要。 在科學(xué)研究中，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，也是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和生成知識(shí)的重要手段之一?？傊? 不論在哪個(gè)應(yīng)用