多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1、前 言隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個領(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，往往需要隨時檢測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時，還要對某一檢測點任意參數(shù)能夠進(jìn)行隨機查尋，將其在某一時間段內(nèi)檢測得到的數(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)采集勢必將得到越來越多的應(yīng)用，為適應(yīng)這一趨勢，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學(xué)研究中，運用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，也是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和生成知識的重要手段之一。總之，不

2、論在哪個應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理將直接影響工作效率和所取得的經(jīng)濟(jì)效益。 此外，計算機的發(fā)展對通信起了巨大的推動作用.計算機和通信緊密結(jié)合構(gòu)成了靈活多樣的通信控制系統(tǒng)，也可以構(gòu)成強有力的信息處理系統(tǒng),這樣對社會的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。數(shù)據(jù)通信是計算機廣泛應(yīng)用的必然產(chǎn)物。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴(yán)格的意義上來說，應(yīng)該是用計算機控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實行存儲、處理、分析計算以及從檢測的數(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)存儲與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個部分組成。輸入通道要實現(xiàn)對被測對象的檢測，采樣和信號轉(zhuǎn)換等工作。

3、數(shù)據(jù)存儲與管理要用存儲器把采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，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，提取出反映被測對象特征的重要信息。另外，就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，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)行輸出和顯示。在本畢業(yè)設(shè)計中對多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作了基本的研究。本系統(tǒng)主要解決的是怎樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及怎樣進(jìn)行多路的數(shù)據(jù)采集。第1章 任務(wù)分析11設(shè)計任務(wù)： 設(shè)計一個多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體指標(biāo)如下：1 采用AT89S51及ADC0809設(shè)計

4、多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2 多通道輸入信號由+5V電壓經(jīng)分壓后至IN0至IN7；3 采集處理后的數(shù)據(jù)由4位數(shù)碼管動態(tài)顯示；4 必須具有上電自檢功能及外接電源、公共地線接口。根據(jù)系統(tǒng)基本要求，將本系統(tǒng)劃分為如下幾個部分：8路模擬信號的產(chǎn)生與A/D轉(zhuǎn)換器顯示位數(shù)：4位發(fā)送端的數(shù)據(jù)采集與傳輸控制器數(shù)據(jù)傳輸接口電路序編寫系統(tǒng)初始化主程序、顯示子程序及其他所需要子程。 第2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計21 硬件系統(tǒng)設(shè)計原理 本系統(tǒng)采用 AT89S51 單片機為運算和控制的核心 , AT89S51有P0、P1、P2、P3四個8位的并行雙向I/O口，P0口用于控制LED信號燈的顯示，P1口控制信號輸入表1 數(shù)碼管顯示真值表顯

5、示字符012345678共陰極段選碼3F065B4F666D7D077F顯示字符9ABCDEF-熄滅共陰極選段碼6F777C395E7971400022 AT89S51單片機簡介AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4kBytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的

6、解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適

7、應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性： 兼容MCS-51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(>1000次）ISP Flash ROM 32個雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 2個16位可編程定時/計數(shù)器 時鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口線 128x8bit內(nèi)部RAM 2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級加密位 看門狗（WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針23 硬件系統(tǒng)原理框圖 硬件系統(tǒng)原理框圖由5部分組成：AT89S51、晶振電路、復(fù)位電路、控制電路和輸出電路。AT89S51單片機晶振電路復(fù)位電路控制電路輸出電路

8、 圖1 硬件系統(tǒng)原理圖24 硬件系統(tǒng)各電路設(shè)計2.4.1 復(fù)位電路設(shè)計 AT89S51有復(fù)位信號引腳RET，用于從外引入復(fù)位信號。單片機基本復(fù)位電路共有上電復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、按鍵脈沖復(fù)位3種，本設(shè)計采用上電復(fù)位。復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號，通過RET引腳送入單片機，進(jìn)行復(fù)位操作。電阻采用10K，電容采用22uF。如圖2所示。 上電瞬間，RST端的的電位與Vcc相同，隨著電容的逐步充電，充電電流減小，RST電位逐漸下降。上電復(fù)位所需的最短時間是振蕩器建立時間加上二個機器周期，在這段時間里，振蕩建立時間不超過10ms。復(fù)位電路的典型參數(shù)為：C取10uF,R取8.2k,故時間常數(shù)=RC=10108.

9、210=82ms 圖2 復(fù)位電路2.4.2 晶振電路設(shè)計 AT89S51單片機芯片中的高增益反向放大器，其輸入端為引腳XTAL1,輸出端為引腳XTAL2。通過這兩個引腳在芯片外并接石英晶體振蕩器和兩只電容器。石英晶體為一感性元件，與電容構(gòu)成振蕩回路，為片內(nèi)放大器提供正反饋和振蕩所需的相移條件，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振頻率是指晶體的振蕩頻率，也就是振蕩電路的脈沖頻率，也稱振蕩頻率。晶振頻率是單片機的一項重要性能指標(biāo)。因為單片機的時鐘信號是通過振蕩信號分頻得到的，所以競爭頻率直接影響時鐘信號的頻率。晶振頻 率高，系統(tǒng)的時鐘頻率就高，單片機運行速度也就快。然而晶振頻率高對存儲器等的速度和印

10、刷 圖3 晶振電路電路板的工藝要求也高。 晶振頻率不但影響速度，而且對單片機的工作電流也有一定影響，所以在選擇晶振頻率是，要兼顧速度、功耗和線路工藝。本設(shè)計選用頻率為6MHz的晶振，電容選用30pF，具體設(shè)計如圖3所示。2.4.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選取ADC0809是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8位的逼近型的ADC部分，并提供一個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)計提供了很大的方便。用它可直接將8個單端模擬信號輸入，分時進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點巡回監(jiān)測、過程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛,所以本設(shè)計中選用該芯片作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心。ADC0809與MCS-51系列

11、單片機的接口方法ADC0809與8051單片機的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式，本題中選用查詢方式。A/D轉(zhuǎn)換器有一個轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（EOC），因此可以用查詢方式去定轉(zhuǎn)換是否完成。按原理圖所示電路，可以用“JNB P3.3,$”之類的指令來查詢由于ADC0809無片內(nèi)時鐘，時鐘信號可由單片機的ALE信號經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。ALE引腳得脈沖頻率是8051時鐘頻率的1/6。該題目中單片機時鐘頻率采用6MHz,則ALE輸出的頻率是1MHz，符合ADC0809對頻率的要求。由于ADC0809內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，所以通道地址由P3口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相

12、連。通道基本地址為0000H0007H。其對應(yīng)關(guān)系如表2所示控制信號：將P3.5作為片選信號，在啟動A/D轉(zhuǎn)換時，由單片機的寫信號和P3.5控制ADC的地址鎖存和啟動轉(zhuǎn)換。由于ALE和START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用單片機的P3.5引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖作為OE信號，用一打開三態(tài)輸出鎖存器。ADDCADDBADDA輸入通道號000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表2 0809輸入通道地址2.4.4 ADC0809內(nèi)部功能與引腳介紹分辨率和精度在第一章中已作了相應(yīng)的計算和分析。

13、ADC0809八位逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，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個單端模擬信號中的任何一個。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖4 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.ADC0809主要性能u 逐次比較型u CMOS工藝制造u 單電源供電u 無需零點和滿刻度調(diào)整u 具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與TTL兼容u 易與各種微控制器接口u 具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)u 分辨率：8位u 功耗：15mWu 最大不可調(diào)誤差小于±1LSB（最低有效位）u 轉(zhuǎn)換時間（）128usu 轉(zhuǎn)換精度：u ADC0809沒有內(nèi)部時鐘，必須由外部提

14、供，其范圍為101280kHz。典型時鐘頻率為640kHz2.引腳排列及各引腳的功能，引腳排列如圖5所示。 圖5 ADC0809引腳列各引腳的功能如下：IN0IN7：8個通道的模擬量輸入端?？奢斎?5V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時，IN0輸入；當(dāng) CBA=111時，IN7輸入。ALE：地址鎖存信號輸入端。該信號在上升沿處把A、 B、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路模擬信號中的某一路。START：啟動轉(zhuǎn)換信號輸入端。從START端輸入一個正脈沖，其下降沿啟動ADC0809

15、開始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于100200ns。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。啟動A/D轉(zhuǎn)換時它自動變?yōu)榈碗娖健E：輸出允許端。CLK：時鐘輸入端。ADC0809的典型時鐘頻率為640kHz，轉(zhuǎn)換時間約為100s。REF(-)、REF(+)：參考電壓輸入端。ADC0809的參考電壓為5V。VCC、GND：供電電源端。ADC0809使用5V單一電源供電。當(dāng)ALE為高電平時，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START上升沿時，所有的內(nèi)部寄存器清零，在下降沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，此期間START應(yīng)保持低電平。在START下降沿后10us左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號變?yōu)榈碗娖剑珽OC為低電

16、平時，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE為低電平時，D0D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。2.4.5 輸出電路設(shè)計輸出電路采用數(shù)碼管顯示，顯示方法為動態(tài)顯示。顯示部分為4個共陰極的7段LED顯示器，4個七段LED的adp字段的引腳分別由4個OC門同相驅(qū)動器驅(qū)動。OC門驅(qū)動器用三極管。P2口輸出位選碼，三極管是反向驅(qū)動器，P2口正邏輯輸出的位控制與共陰極LED要求的低電平點亮正好相反，即當(dāng)P2口位控制線輸出高電平時，點亮一位LED。顯示部分的原理圖如下圖所示。 圖3 顯示電路原理圖第3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 3、1 主程序流程圖 3、2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖開始結(jié)束8個通道轉(zhuǎn)換完

17、否？修改數(shù)據(jù)區(qū)指針指向下一個通道儲存于數(shù)據(jù)區(qū)讀以A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果等待轉(zhuǎn)換完成啟動A/D轉(zhuǎn)換置通道數(shù)指向通道0置數(shù)據(jù)區(qū)指針初值 NY3-2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖查詢方式實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換8路數(shù)據(jù)采集由于ABC選通道只有一路數(shù)據(jù)，每次只能采集一路數(shù)據(jù)然后單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由數(shù)碼管輸出顯示后再進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采集。3、3單片機數(shù)據(jù)處理的程序如下：MOV B,#100DIV ABMOV 50H,AMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV 51H,AMOV 52H,BMOV A,52HMOV B,#2MUL ABMOV B,#10DIV ABMOV 52H,BMOV 53H,AMOV A,51HM

18、OV B,#2MUL ABADD A,53HMOV B,#10DIV ABMOV 51H,BMOV 54H,AMOV A,50HMOV B,#2MUL ABADD A,54HMOV 50H,ARET3、4 LED顯示程序MOV DPTR,#NUMTABMOV R0,#2DP1: MOV R2,#150LOOP3:MOV A,#01HMOV P0,AMOV A,R1MOVC A,A+DPTRMOV P2,A開始返回指向A口取位選碼指定顯示位指向B口取顯示字符查七段碼段選碼B口送出調(diào)用1ms延時子程準(zhǔn)備顯示下一位位選YN8位顯示完畢？圖3-3 LED顯示程序流程圖ACALL DIMSCLR P0.

19、0SETB P0.1MOV A,50HMOVC A,A+DPTRMOV P2,AACALL DIMSCLR P0.1SETB P0.2MOV A,51HMOVC A,A+DPTRMOV P2,AACALL DIMSCLR P0.2SETB P0.3MOV A,52HMOVC A,A+DPTRMOV P2,AACALL DIMSCLR P0.3DJNZ R2,LOOP3DJNZ R0,DP1RETLED顯示電路的流程圖 3、5多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理圖和PCB圖3、6多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序：ST BIT P3.5OE BIT P3.4 EOC BIT P3.3ORG 00HLJMP START O

20、RG 30H START: MOV R5,#0 SET: MOV A,R5 MOV R1,A MOV 50H,A MOV 51H,A MOV 52H,A LCALL DISPLAY INC R5 CJNE R5,#10,SET LOP: MOV R1,#0 MOV P1,#00H LOOP1: MOV P3,R1 CLR ST SETB ST CLR ST SETB EOC WAIT: JNB EOC,WAIT SETB OE MOV A,P1 CLR OE LCALL LOOP2 LCALL DISPLAY INC R1 CJNE R1,#8,LOOP1 LJMP LOP LOOP2: MO

21、V B,#100 DIV AB MOV 50H,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV 51H,A MOV 52H,B MOV A,52H MOV B,#2 MUL AB MOV B,#10 DIV AB MOV 52H,B MOV 53H,A MOV A,51H MOV B,#2 MUL AB ADD A,53H MOV B,#10 DIV AB MOV 51H,B MOV 54H,A MOV A,50H MOV B,#2 MUL AB ADD A,54H MOV 50H,A RET DISPLAY: MOV DPTR,#NUMTAB mov R0,#2 DP1: MO

22、V R2,#150 LOOP3: MOV A,#01H MOV P0,A MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV P2,A ACALL DIMS CLR P0.0 SETB P0.1 MOV A,50H MOV DPTR,#DD MOVC A,A+DPTR MOV P2,A ACALL DIMS CLR P0.1 SETB P0.2 MOV A,51H MOVC A,A+DPTR MOV P2,A ACALL DIMS CLR P0.2 SETB P0.3 MOV A,52H MOVC A,A+DPTR MOV P2,A ACALL DIMS CLR P0.3 DJNZ R2,LOOP3 DJNZ R0,DP1 RET DIMS: MOV R7,#00 DJNZ R7,$ RET NUMTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH DD: DB BFH,86H,DBH,CFH,E