多通道電壓信號(hào)采集器

1、. . . . 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 單片機(jī)與接口技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目：多通道電壓信號(hào)采集器院（系）： 電氣工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué) 號(hào)： 100301016 學(xué)生： 軼楠 指導(dǎo)教師：（簽字）起止時(shí)間：2013.6.17-2013.6.28課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)與評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué) 號(hào)100301016學(xué)生軼楠專(zhuān)業(yè)班級(jí)測(cè)控101設(shè)計(jì)題目多通道電壓信號(hào)采集器課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有很多檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出為模擬電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠針對(duì)16路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行巡回檢測(cè)和現(xiàn)實(shí)的裝置。設(shè)計(jì)任務(wù)1以單片機(jī)為控制核心，對(duì)16路電壓信號(hào)進(jìn)行采集；2設(shè)計(jì)

2、相應(yīng)信號(hào)采集電路和切換電路；3設(shè)計(jì)4位按鍵，用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)的切換和設(shè)定；4采用6位數(shù)碼管進(jìn)行顯示；設(shè)計(jì)要求：1、分析系統(tǒng)功能，盡可能降低成本，選擇合適單片機(jī)、數(shù)碼管顯示方式、按鍵電路和信號(hào)采集電路等；2、應(yīng)用專(zhuān)業(yè)繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，其中程序開(kāi)發(fā)要有詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的工作過(guò)程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上。技術(shù)參數(shù)116路電壓信號(hào)中，每一路的巡檢周期為1s；2電壓變化圍010V，檢測(cè)精度為1%；3數(shù)碼管前1位顯示通道號(hào)，后3位顯示當(dāng)前通道電壓值。工作計(jì)劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天，分散完成）2、選

3、擇液位傳感器、單片機(jī)等元器件型號(hào)。（1天，實(shí)驗(yàn)室完成）3、繪制硬件電路圖。（1天，實(shí)驗(yàn)室完成）4、按系統(tǒng)的控制要求，編寫(xiě)軟件程序。（3天，分散2天，實(shí)驗(yàn)室1天）5、上機(jī)調(diào)試、修改程序、答辯。（2天，實(shí)驗(yàn)室完成）6、撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（1天，分散完成）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)與成績(jī)平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績(jī)： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘要隨著電子科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，電壓測(cè)量成為廣大電子領(lǐng)域中必須掌握的過(guò)程，并且對(duì)測(cè)量的精度和采集功能的要求也越來(lái)越高，而電壓的測(cè)量與顯示系統(tǒng)甚為重要。本文介紹的重點(diǎn)是電壓數(shù)據(jù)的采集與顯示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集與

4、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MCS-51系列單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件部分是以單片機(jī)為核心，還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊，和串行接口部分，還有一些簡(jiǎn)單的外圍電路。本設(shè)計(jì)的目的是對(duì)16路輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳輸、顯示。本設(shè)計(jì)是將輸入的電壓通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)。經(jīng)單片機(jī)分析處理后，將處理數(shù)據(jù)傳輸給顯示系統(tǒng)，即由6位數(shù)碼管顯示。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換；6位數(shù)碼管16 / 20目錄第1章緒論11.1 簡(jiǎn)介與應(yīng)用11.2 設(shè)計(jì)概述1第2章課程設(shè)計(jì)方案22.1 系統(tǒng)概述22.2 系統(tǒng)構(gòu)成2第3章硬件設(shè)計(jì)43.

5、1 A/D轉(zhuǎn)換43.2 單片機(jī)系統(tǒng)53.3 輸出顯示7第4章軟件設(shè)計(jì)84.1 程序設(shè)計(jì)流程圖84.2流程圖介紹8第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)10參考文獻(xiàn)11附錄12附錄12第1章 緒論1.1簡(jiǎn)介與應(yīng)用在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，常常需要采集大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度、氣壓等，并將這些數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)上進(jìn)行處理，由主機(jī)根據(jù)這些處理的結(jié)果，將控制信號(hào)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。在數(shù)據(jù)采集與處理行業(yè)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。國(guó)外各種數(shù)據(jù)采集器的先后問(wèn)世，將數(shù)據(jù)采集帶入了一個(gè)全新的時(shí)代。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求有不同的定義，這使得多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展尤為重要。數(shù)據(jù)

6、采集是智能儀表，自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的部分。如果單片機(jī)本身帶A/D,D/A功能，則不必進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。如果芯片本身不帶這種功能，則必須擴(kuò)展A/D,D/A接口，則必須擴(kuò)展存儲(chǔ)系統(tǒng)程序EPROM，以構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。芯片的選取應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需要或?qū)嶒?yàn)條件進(jìn)行，一般在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中制作的采樣系統(tǒng)由于條件有限，其精度要求不能提高，如選ADC0809,DAC590與EPROMZ764等進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。1.2設(shè)計(jì)概述本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器對(duì)16路電壓信號(hào)進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后由數(shù)碼管進(jìn)行顯示。另外在系統(tǒng)中加入4個(gè)按鍵用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互完成手動(dòng)和自動(dòng)的切換。第

7、2章 課程設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)16路電壓信號(hào)的采集，全面鞏固A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、鍵盤(pán)和顯示的應(yīng)用。系統(tǒng)功能：通過(guò)對(duì)多路電壓的采集實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示以了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。應(yīng)用場(chǎng)合：需要對(duì)多路電壓信號(hào)采集分析的場(chǎng)合。2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 本設(shè)計(jì)主要由四部分構(gòu)成：A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、鍵盤(pán)和顯示。設(shè)計(jì)構(gòu)成圖如下A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)數(shù)碼管顯示鍵盤(pán)圖 2.1 系統(tǒng)組成AD轉(zhuǎn)換器的16個(gè)接口分別和外部16路電壓相連接，當(dāng)任何一個(gè)接口的電壓信號(hào)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器后則開(kāi)始轉(zhuǎn)換，輸入電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號(hào)。方案一是將16路電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)后，然后由輸出端傳給一個(gè)

8、AD轉(zhuǎn)換器，再由轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)。方案二是直接將16路電壓信號(hào)和一個(gè)16路AD轉(zhuǎn)換器相連接，然后輸出給單片機(jī)。 方案一考慮了經(jīng)濟(jì)方面的因素，但電路連接比方案二復(fù)雜，而且增加了器件，使得整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素增加，另外造成了AD轉(zhuǎn)換器的接口的浪費(fèi)。方案二雖然采用的轉(zhuǎn)換器價(jià)格比一要昂貴，但整體利用率高，同時(shí)選用的器件的數(shù)量少，系統(tǒng)的可靠性較高。所以綜合考慮選用方案二。在轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后，單片機(jī)的控制端給出信號(hào)使轉(zhuǎn)換器輸出通道打開(kāi)，然后將數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。再由單片機(jī)處理后并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成BCD碼輸出給鎖存器，當(dāng)鎖存器鎖存信號(hào)允許打開(kāi)時(shí)由鎖存器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。顯示部分由四位數(shù)碼管組成并采用動(dòng)態(tài)

9、顯示，第一位用來(lái)顯示通道，其余三位則用來(lái)顯示數(shù)值。系統(tǒng)共設(shè)置四個(gè)按鍵則用來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)功能的切換，四個(gè)按鍵和單片機(jī)端口連接，通過(guò)給入按鍵信號(hào)分別實(shí)現(xiàn)不同的功能包括：跳轉(zhuǎn)至上一個(gè)顯示、跳轉(zhuǎn)至下一個(gè)顯示、一直顯示當(dāng)前位、跳轉(zhuǎn)至起始顯示，當(dāng)單片機(jī)掃描到按鍵按下時(shí)則程序跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的程序，由單片機(jī)分析處理后給輸出部分，然后由顯示部分顯示用戶(hù)所需要的數(shù)據(jù)。第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換部分是16路電壓信號(hào)通過(guò)一個(gè)ADC0816進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將輸出的八位數(shù)字量通過(guò)輸出端傳輸給AT89S51。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器的工作頻率大約為500KHz，而由單片機(jī)ALE口輸出信號(hào)的頻率為2MHz，所以要將ALE的

10、輸出通過(guò)一個(gè)四分頻電路。分頻電路的組成如圖3.1。其中U6的CP端接單片機(jī)的ALE。電路是采用兩個(gè)74LS74進(jìn)行四分頻，輸出端的頻率信號(hào)給ADC0816的CLOCK端，用以提供ADC0816的工作頻率。圖 3.1 分頻器電路圖圖3.2是ADC0816和單片機(jī)的接線圖。IN0-IN15為16路電壓輸入端，23-31引腳是8位數(shù)據(jù)輸出端和單片機(jī)的P0口連接，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由AD輸出后從P0口進(jìn)入單片機(jī)。轉(zhuǎn)換器的地址控制端即ADD A-ADD D和單片機(jī)的P1.4-P1.7連接，單片機(jī)的四個(gè)輸出口輸出的數(shù)據(jù)改變時(shí)相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器的不同的通道會(huì)打開(kāi)使外部信號(hào)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器，然后把輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)

11、換器的START用來(lái)控制轉(zhuǎn)換的開(kāi)啟，轉(zhuǎn)換開(kāi)啟是手單片機(jī)的P3.5控制的，當(dāng)P3.5輸出一個(gè)高電平時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后要輸出，但輸出允許控制位要受單片機(jī)控制的P3.6控制，只有當(dāng)OE允許時(shí)AD轉(zhuǎn)換器才會(huì)把數(shù)據(jù)輸出給單片機(jī)。圖 3.2 RETZ R7,$01于本人初涉單片機(jī)也無(wú)法確保AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)連接圖3.2 單片機(jī)系統(tǒng)圖3.3為振蕩器和復(fù)位電路的電路圖。單片機(jī)工作時(shí)是需要時(shí)鐘電路的，雖然單片機(jī)部有時(shí)鐘電路，但自己本身不會(huì)工作，必須要在外部給予振蕩源。單片機(jī)的復(fù)位是靠外部復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位可以使單片機(jī)初始化，也可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)。在復(fù)位電路過(guò)按下SW鍵10ms以

12、上的時(shí)間便可以使單片機(jī)可靠的復(fù)位,當(dāng)RET從高電平變?yōu)榈碗娖胶髥纹瑱C(jī)會(huì)從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。圖 3.3 晶振和復(fù)位電路圖為單片機(jī)子系統(tǒng)的組成原理圖。單片機(jī)子系統(tǒng)以MCS-51系列單片機(jī)8031為核心，外足存儲(chǔ)控制程序和采集數(shù)據(jù)量的要求。從采集數(shù)據(jù)量來(lái)看，最大數(shù)據(jù)量發(fā)生在第一通道擴(kuò)8K*8的RAM6264和8K*8的ROM。這兩種芯片都具有較高的性能/價(jià)格比，同時(shí)也能滿(mǎn)的衰減振蕩持續(xù)時(shí)間為最長(zhǎng)時(shí)的情形。為保證精度和波形的復(fù)現(xiàn)，當(dāng)取樣頻率為5KHz時(shí)，對(duì)于持續(xù)時(shí)間為0.4S的衰減振蕩，為采集其完整的信號(hào)則需要采集2000點(diǎn)。若每點(diǎn)用8位來(lái)量化，則要求RAM至少應(yīng)大于2K字節(jié)容量。其他三路信

13、號(hào)是慢變化信號(hào)，而且有數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，所以占用RAM的容量很少。因此選用6264完全能滿(mǎn)足要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔恳员憬窈筮M(jìn)一步擴(kuò)展功能。圖 3.4 MCS-51系列單片機(jī)80313.3 輸出顯示圖3.5是輸出顯示部分，是由鎖存器和數(shù)碼管兩部分組成。單片機(jī)P2口輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器所存并驅(qū)動(dòng)后面的數(shù)碼管，則相應(yīng)的字符便會(huì)得到顯示。鎖存器74LS273為上升沿所存，當(dāng)單片機(jī)的控制信號(hào)給CLK高電平時(shí)，鎖存器鎖存輸出的數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)由Q端輸出，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。當(dāng)需要顯示下一個(gè)字符時(shí)則控制端再次給以一個(gè)上升沿。數(shù)碼管的控制端用于控制位選，四位數(shù)碼管的位選控制端是和譯碼器74HC139的四個(gè)輸出端連接的，當(dāng)位

14、選端給低電平時(shí)是數(shù)碼管點(diǎn)亮，高電平時(shí)則熄滅。系統(tǒng)的顯示采用的是動(dòng)態(tài)顯示，即每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管亮，通過(guò)循環(huán)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)16路電壓的顯示。圖3.5 數(shù)碼管顯示第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 程序設(shè)計(jì)流程圖圖4 主程序流程圖4.2 流程圖介紹整個(gè)流程圖是從外部輸入給AD的電壓開(kāi)始，電壓經(jīng)AD入口進(jìn)入轉(zhuǎn)換器，同時(shí)單片機(jī)控制地址輸入信號(hào)使要選擇的轉(zhuǎn)換通路打開(kāi)，然后控制信號(hào)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)控制輸出允許打開(kāi)，則轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)。單片機(jī)處理后將得到的數(shù)轉(zhuǎn)化成BCD碼然后輸出給鎖存器，鎖存器控制端控制鎖存信號(hào)并通過(guò)輸出端輸出，然后由數(shù)碼管顯示。顯示時(shí)間1s后控制AD地址輸入端輸入下一個(gè)地址，然后下一

15、路電壓信號(hào)進(jìn)入。當(dāng)16路電壓信號(hào)全部顯示一遍后跳轉(zhuǎn)至起始地址，從新開(kāi)始進(jìn)行16路電壓的顯示。16路電壓的循環(huán)顯示則由程序中的判斷語(yǔ)句執(zhí)行。每次執(zhí)行完一次顯示后進(jìn)行一次判斷，不滿(mǎn)16是則順序往下執(zhí)行，到達(dá)16時(shí)程序跳轉(zhuǎn)至開(kāi)始，重新開(kāi)始新一輪的轉(zhuǎn)換和顯示。第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)以MCS-51系列單片機(jī)8031為核心部件，單片機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)電表信號(hào)的采集、處理、顯示等功能，利用匯編語(yǔ)言編制相應(yīng)的控制和顯示程序以達(dá)到對(duì)16路電壓信號(hào)采集的目的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓我了解了更多關(guān)于單片機(jī)的知識(shí)，為今后的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是適用性強(qiáng)，用戶(hù)只需對(duì)界面參數(shù)進(jìn)行觀察來(lái)判斷系統(tǒng)的運(yùn)行情況；并且

16、同時(shí)對(duì)多路電壓監(jiān)測(cè)，提高了效率；可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自控的切換便于操作；采用動(dòng)態(tài)顯示的方法降低了功耗；系統(tǒng)成本低廉，操作非常簡(jiǎn)單。但是本設(shè)計(jì)只能對(duì)小圍的電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在使用上受到了一定的限制；按鍵控制方面比較簡(jiǎn)單只能實(shí)現(xiàn)一些基本功能，上下循環(huán)顯示、本位顯示、起始顯示，對(duì)于一些手動(dòng)要求比較多并且較復(fù)雜的場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)在功能實(shí)現(xiàn)上就會(huì)帶來(lái)一定的困難。我很感學(xué)校和老師提供的課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我始終認(rèn)認(rèn)真真，真正做到每個(gè)字，每個(gè)圖都盡可能盡善盡美，盡可能以較高的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成本次設(shè)計(jì)，為以后的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)都打下良好的基礎(chǔ)，讓自己學(xué)到的知識(shí)日益完善?？傊?，這次課程設(shè)計(jì)使我受益非淺，為我今后

17、的專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也為我自己樹(shù)立了信心，對(duì)我所學(xué)的知識(shí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，相信自己可以學(xué)好今后的課程。參考文獻(xiàn)1 梅麗鳳.單片機(jī)原理與接口技術(shù).：清華大學(xué)，2009。2 周立功.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐. ：航空航天大學(xué)，2004。3 武慶生,仇梅.單片機(jī)原理與應(yīng)用.電子科技大學(xué)出版，1998。4 王楚.電子線路.：大學(xué)，2003。5 宋錦河.電工電子學(xué).：科學(xué)，2004。6 王秀珍編.微型計(jì)算機(jī)A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).：清華大學(xué)，1999。7 Okazoe H,Shimizu K,Watanabe Y.et al. Develop-ment of a Full-Flo

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20、9年第11-3期。15肖立中.邵志清.通用串行總線與其開(kāi)發(fā).2010年第5卷3-11期。附錄 圖（4）總體電路圖附錄 CLR P3.5 CLR P3.6CLR P1.4 CLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7SETB P3.5LCALL DEL AD轉(zhuǎn)換需要大概10-50us設(shè)置一個(gè)延遲SETB P3.6CLR P3.5 CLR P3.6AD轉(zhuǎn)換通道0的轉(zhuǎn)換程序CLR P1.4 CLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7SETB P3.5 LCALLDELSETBP3.6CLR P3.5CLR P3.6AD轉(zhuǎn)換通道1的轉(zhuǎn)換程序LOOP:CLR P3.3 MOV P2,#data1 第一位數(shù)碼管給值 CLR P3.0CLR P3.1LCALL DEL