數(shù)據(jù)采集器硬件設計

1、多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)畢業(yè)設計摘要本文介紹了基于單片機的數(shù)據(jù)采集的硬件設計和軟件設計，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。數(shù)據(jù)采集與通信控制 采用了模塊化的設計，數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了單片機AT89S52來實現(xiàn)，硬件部分是以單片機為核心，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)負責數(shù)據(jù)采集并應答主機的命令。8路被測電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行模擬量到數(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)

2、據(jù)采集 89C52單片機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 te

3、xt 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 hardware ' s core is AT89S52, is

4、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 conversi

5、on that imitates to measure the numeral to measure towards the data that collect. LED digital display is responsible display the data.Keyword: data acquisitionAT89C52ADC0809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，它可以廣泛的應用于各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀50年代，1956年美國首先研究了用在軍事上 的測試系統(tǒng)，目標是測試中不依靠相關(guān)的

6、測試文件，由非成熟人員進行操作，并且測試任務是由測試設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，因而得到了初步的認可。大概在 60年代后期，國內(nèi)外就有成套的數(shù)據(jù)采集 設備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀70年代后期，隨著微型機的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計算機溶 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，一類是實驗室數(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80年代隨著計

7、算機的普及應用，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、通用接口總線和計算機組成。 這類系統(tǒng)主要應用 于實驗室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應用。 第二類以數(shù)據(jù)米集卡、標準總線和 計算機構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場應用較多。20世紀80年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生 了很大的變化，工業(yè)計算機、單片機和大規(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。1120世紀90年代至今，在國際上技術(shù)先進的國家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運 用到軍事、航空電子設備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集

8、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，把它插在微機的擴展槽內(nèi)并輔以應用軟件，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會對基于單片 機為核心的數(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 片機具多功能、高效率、高性能

9、、低電壓、低功耗、低價格等優(yōu)點，而雙單片機 又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c同時進行采集，因此能夠開發(fā)出能滿 足實際應用要求的、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，并進行分析、處理、傳輸、顯示、存儲和顯示。它起始于20世紀中期，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 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、科學實驗、飛機飛行、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到

10、應用。我國的數(shù)字地震觀測系統(tǒng)主要采用 TDE-124C型 TDE-224（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、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PASC（公司生產(chǎn)的“科學工作室”是將數(shù)據(jù)采集應用于物理實驗的嶄 新系統(tǒng)，它由3部分組成：（1）傳感器：利用先進的傳感技術(shù)可實時采集技術(shù)可 實時采集物理實驗中各物理量的數(shù)據(jù)

11、；（2）計算機接口：將來自傳感器的數(shù)據(jù)信 號輸入計算機，采樣速率最高為25萬次/S ；（3）軟件：中文及英文的應用軟件。受需求牽引，新一代機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿足飛行實驗應用也在快速地發(fā) 展。如愛爾蘭ACRA公司2000年研發(fā)推出的新一代KAM50（機載數(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，以微型計算機等高技術(shù) 為基礎而形成的一門綜合應用技術(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。隨著微型計算機技術(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

12、檢測技術(shù)，廣泛應用于工農(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立的單片機系 統(tǒng)來實現(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)采集器的功能設計，并對部分功能實現(xiàn)硬件設計。 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)采集的硬件設計與實現(xiàn)2.1數(shù)據(jù)采集硬件的總體框圖(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。(

13、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：分析系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能可知，需要設計的功能模塊應該包括多路開關(guān)，總線設計，顯示設計，A/D轉(zhuǎn)換設計，鍵盤設計等，對于這些功 能,選用51單片機來實現(xiàn)是合適的，采集數(shù)據(jù)、控制、鍵盤以及顯示都 是MCS-51單片機的典型應用范疇。本系統(tǒng)采用 ATME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)標準的MC

14、S-51系列單片機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，本設計采用的是共陽極6位8段式數(shù)碼管。(5) 按鍵開關(guān)：通過按鍵開關(guān)可以控制電路的米集方式， 及自動米集和手動米 集，當手動采集時，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勺性能特點：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

15、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)點是抗干擾能力 強，精度比較高，缺點是數(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)換速度等多種標準考量

16、下，在本設計選用的 是逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器一一ADC0809。2.2.2單片機的選擇單片機是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計算機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算機任務。單片機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內(nèi)。而本設計選用的是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

17、數(shù)點，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。在單片機中，為了節(jié)省硬件資源，多采用動態(tài)掃描顯示法。224按鍵鍵盤是一種常見的輸入設備，用戶可以向計算機輸入數(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：一種是獨立按鍵接口；另一種是矩陣式按鍵接口。這里選用的是獨立按鍵接口。1、獨立按鍵接口在單片機中，如果所需的按鍵較少，可采用獨立式鍵盤。每只按鍵接單片機 的一

18、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， 讀入相應的鍵值，再轉(zhuǎn)到相應的鍵處理程序

19、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：（1）單片機的概述單片機是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運算能力（如算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（CPU ,隨機存取數(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上，構(gòu)成一個 最小然而很完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確快速的完成程序 設計者事先規(guī)定的任務。總的而言單片機的特點可以歸納為以下幾個

20、方面：集成 度高、存儲容量大、外部擴展能力強、控制功能強、低電壓、低功耗、性能價格 比高、可靠性高這幾個方面。單片機按內(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。 它們被應用在不同領(lǐng)域里，8位單片機由于功能強大，被廣泛的應用在工業(yè)控制、 智能接口、儀表儀器等各個領(lǐng)域。8位單片機在中、小規(guī)模應用場合仍占主流地 位，代表了單片機的發(fā)展方向，在單片機應用領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。 隨著移 動通訊、網(wǎng)絡技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進入家庭，32位單片機應用得到了長足發(fā)展。縱觀單片機的發(fā)展過程，可以預示單片機的發(fā)展趨勢：1、微型單片化2、低功耗CMOS3、與多品種共存4、可靠性和應用水平

21、越來越高單片機有著微處理器所不具備的功能，它可以獨立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要 求的智能化控制功能這就是單片機的最大特點。然而單片機又不同于單板機，芯 片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路， 如果賦予它特定的 程序，它便是一個最小的、完整的微機控制系統(tǒng)。它與單板機或個人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機屬于芯片級應用，需要用戶了解單片機芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng) 以及其它集成電路應用技術(shù)和系統(tǒng)設計所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設計應用程序，從而使芯片具備特定的智能。（2）簡介 AT89C52AT89C5是一種低功耗、高性能 CMOS位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。使用A

22、tmel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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。8AT89S5具有以下標準功能：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， CP停止工作，允許RAM

23、定 時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAh內(nèi)容被保存，振蕩器 被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8其引腳圖， 如圖3.2所示它一共有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)成的單片機的輸入/輸出(10 )引腳。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復位 功能。綜上所述，單片機的引腳特點是：1、單片機多功能，少引腳，使得引腳復用現(xiàn)象較多。2、 單片機具有四種總線形式：P0和P2組成

24、的16位地址地址總線；P0分 時復用為 8位數(shù)據(jù)總線；ALE PSEN RST EA和P3口的 INTO、INT1、TO、T1、WR RD以及P1 口的T2、T2EXA成控制總線；而P3口的RXD TX組成串行通信總線。89C52單片機的主要功能與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0HZ33Hz三級加密程序存儲器32個可編程I/O 口線三個16位定時器/計數(shù)器八個中斷源全雙工UART串行通道低功耗空閑和掉電模式掉電后中斷可喚醒看門狗定時器雙數(shù)據(jù)指針掉電標識符3.1.2 LED數(shù)碼顯示器的應用原理簡單的講，LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管

25、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3.4共陽極接法為了顯示字符，要為LEDS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)點位，共計八段。各段位碼位的對應關(guān)系如表3.1 所示。3.1.3外部驅(qū)動設備74LS373八D鎖存器（3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性）簡要說明：74LS

26、373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0007可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端 0E為低電平時，Q0Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū) 動負載或總線。當 0E為高電平時，Q0Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不 為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當LE為低電平時， D被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當 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:DOD7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：DnLEOE

27、OnHHLHLHLLXLLQ0XXH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)ADC08

28、09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。9 To IT 1T14FN3IM2IN4INITN5INOIN6ATN7BSTCFOCD3D7OEn

29、<5CLKVCGFMXOVEF4-DO»1D22827互Ts-2d22ITTzo"19Tii17T6Ts2.ADC0809應用說明(1) .ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 AT89S51單片機直接相連。(2) .初始化時，使ST和0E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EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 0E為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單 片機了。3.1.5 譯碼器 74LS138工作原理： 當一個選通端(

30、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 )的二進制編碼在 丫0至丫7對應的輸出 端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時，則丫6輸出端輸出低電平信號。 利用E1、E2和E3可級聯(lián)擴展成 24線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴展成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，擴展內(nèi)存在此電路中，譯碼器74LS138,與74ls373構(gòu)成單片機總線，74ls138用于連 接外部設備功能表：15 I IK申ID4)邏輯符號(b)引謀事布 圖?,8.6血融灰器?4HC?4的遇

31、輯 吧和引腳分X3.1.6 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)。國表L S.2D解岌器74IK74船邏輯功陀表才此次設計中，74HC74用于為ADC0809!供脈沖信號，這里單片機晶振我 們采用12M ALE輸出頻率為大概2MKZ此處，我們用74HC74對其進行2分頻, 輸出大概1MHZ勺頻率，用于滿足ADC0809寸鐘需求。3.2電路組合：321電路N變換設計: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

32、 才能處理，對于電動單元組合儀表， DDZ-11型號的輸出信號標準為0-10mA而 DDZ-111型和DDZ-S系列的輸出信號標準時4-20mA因此我們需要研究I/V變換 的實現(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現(xiàn)的， 并可以 考慮加濾波和輸出限幅等保護措施，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算放大器。電阻來實現(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R

33、4=1K, R5設定為4.7K電位器，通過調(diào)整R3的值，可使0-20MA輸入 對應于0-5V的電壓輸出。本次設計采用的是I/V無源變換。3.2.2單片機主控電路：MCS-51單片機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。本次設計采用的是內(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。電路復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(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位了，及通過電源就完成了系統(tǒng)的復位初始化。

34、 按鍵手動復位 有電平和脈沖方式兩種。其中按鍵電平復位時通過按鍵式復位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的，而按鍵脈沖復位這是利用 RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn) 的。復位電路雖然簡單，但是它的作用非常重要，一個單片機系統(tǒng)能否正常運行,首先要檢查是否能復位成功，初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視 RST引腳，按下 復位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出（瞬時的），還可以通過改變復位電路 阻容值進行試驗。323單片機系統(tǒng)總線：所謂總線，就是計算機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

35、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。本次實驗電路采用的是片級總線擴展8位數(shù)據(jù)傳送的數(shù)字量輸入/輸出模板。單片機在擴展多片外部存儲器和I/O 口時，所有外部擴展器件的片選端口都 必須按照地址線進行選擇，片選是在保證對外部擴展的公共地址空間尋址的條件 下，使用剩余的地址線進行線選或經(jīng)過譯碼來實現(xiàn)的：XTA42rauwiWTALE IXP2J3Mmw 即MIOXCO L 丘du一3 3*.*aw* TOTJNPTJ3nsnriil2Wi$HStTE9T上圖采用的線選法擴展和采

36、用譯碼法擴展的電路圖。線選法是利用剩余的 高位地址線直接進行選片，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。譯碼法是通過外接譯碼器隊地址譯碼來進行選片，因此空間不會浪費，但 由于使用譯碼器增加了電路復雜性，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)碼管是一種半導體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。此次設計采用 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：aJT -fc-3ua*BQQD q甲1 

37、3;aGmb'HIUJ6c呂in &GOQ3 Q.&flP+13乂OEnL nsi#川TID怖1iG(PIS1SR-o'11-ppLKIIILEtiT+LS33-,3OD QJ21'D1 tmSZ 'ft 2025目'1 Shj.Q3 c*9121臨15G aDI7147 ；t'TIS'1応-I*LCT3ciUBa.HO 3陽 01OD8>15 B1R!*CZ7S3G203SIP*13EL*孫151=TE«psir轉(zhuǎn)Q55擊D71S&7075l_I 1.iTE9sCLKHlLle=_16U6 1Rn

38、15 D 4UQ該電路由2個外部設備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，通過單片機編程，可 以控制其高低電平轉(zhuǎn)換，當LE為高電平時，芯片工作，對數(shù)碼管進行數(shù)字顯示 操作，當LE為低電平時，對數(shù)碼管顯示數(shù)字進行鎖存，然后由第二個 74LS373 進行段選，第二個74LS373地址線0X9000，當選中其地址后，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總線上的74LS138輸出上，這樣接的好處是能有效避免單片機管腳不夠接外部設備，加入總線及驅(qū)動設備，能有效擴展外部設備的連接325報警電路報警電路分

39、為聲音報警和燈光報警，當系統(tǒng)出現(xiàn)未知錯誤或者人為操作錯 誤，可以采用電路報警，在本次設計中，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)碼管公用的外部設備上。當系統(tǒng)出現(xiàn)非正常狀況時，LED丁閃爍報警。326 硬件設計思路：此次設計采用總線設計，對單片機I/O 口進行擴展使用，加入譯碼器74LS138可外部擴展8個設備，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

40、單片機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 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進行A/D轉(zhuǎn)換，此刻得到的是一個8位2進制數(shù)，我們無法知道實際電 壓是多少，于是我們需要轉(zhuǎn)換成實際模擬電壓并顯示出來，便于記錄。由于轉(zhuǎn)換的二進制最大為11111111,又因為ADC0809勺基準電壓我設計的是5V?？捎萌缦鹿剿枷脒M行換算:模擬量/5V=模擬量轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)111111111將公式的右邊轉(zhuǎn)換成十進

41、制：模擬量/5V=進制轉(zhuǎn)換后的十進制數(shù)/255 將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后顯示在 LED數(shù)碼管上即可此次設計采用總線，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)設計:4.2各模塊軟件程序流程421 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換流程該系統(tǒng)的采樣時間設為沒每秒采樣 40個樣點，每當時間到50ms的倍數(shù)時啟動轉(zhuǎn)換，當開啟的N (N<8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后進行顯示、存儲等處理。如下圖:422顯示模塊LED流程圖：423開關(guān)處理模塊:第五章調(diào)試步驟5.1程序調(diào)

42、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 程序進行C語言編程，確認無誤后單步執(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。運行后，觀察有無鍵盤顯示功能。若運行 結(jié)果

43、不正確，首先應根據(jù)程序運行的實際現(xiàn)象分析判斷哪些因素可引起相關(guān) 故障，再通過調(diào)試方法逐一認證和排除。通過反復調(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)設計的預期目的。5.2調(diào)試結(jié)果當單片機編入程序后， 數(shù)碼管能正確顯示數(shù)字，并可以循環(huán)顯示，當給A/D 轉(zhuǎn)換器件ADC0809俞入一個電壓信號時，能按照公式正確進行 A/D轉(zhuǎn)換，可在 A/D轉(zhuǎn)換輸出口顯示。當按下開關(guān)開關(guān) 1，系統(tǒng)自動循環(huán)檢測，當 按下開關(guān)2， 系統(tǒng)數(shù)字加1,當按下開關(guān)3,系統(tǒng)數(shù)字減1。第六章電路PCB設計6.1多路數(shù)據(jù)采集器PCB設計: 一個完整的PCB電路板設計必須遵循以下基本原則：電氣連接正確：電路板設計好后，必須保證電路板上各元器件電氣連接正確； 符合電路設計者的意圖；符合電路板安裝的要求：電路板設計、 安裝、調(diào)試好后，一般都要安裝到某一 機箱中，因此電路板的外形、安裝孔的大小、安裝孔放置的位置等應當事先設計 好；元器件布局合理：元器件布局應當從機械結(jié)構(gòu)、散熱、 電磁干擾、將來布線方 便性等方面進行綜合考慮；電路