毕业设计(论文)-基于单片机的多路数据采集系统设计.doc
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1、毕 业 论 文(设 计) 中文题目:中文题目:基于单片机的多路数据采集系统的设计基于单片机的多路数据采集系统的设计 英文题目:英文题目:TheThe DesignDesign ofof Multi-channelMulti-channel DataData AcquisitionAcquisition SystemSystem BasedBased onon SingleSingle ChipChip MicrocomputerMicrocomputer 姓姓 名名 XXXXX 学学 号号 XXXXXXXXX 专业班级专业班级 XXXXXXXXXXXXX 指导教师指导教师 XXXXXXX 提交
2、日期提交日期 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX I 基于单片机的多路数据采集系统的设计基于单片机的多路数据采集系统的设计 摘摘 要要 数据采集的方式很多,随着科技的快速发展,单片机的应用正在不断地走 向深入,同时也带动数据采集系统日新月异地更新。本系统采用 MSC-51 系列单 片机 AT89C52 为核心器件来进行数据采集系统的设计,利用 AT89C52 控制 ADC0809 来将模拟信号转换为数字信号,并将转换得到的数据反馈给 AT89C52 进行数据采集,并通过 AT89C52 控制 LED 数码管显示模拟电压值。本系统成本 低、实用性强、操作简单。 II
3、 关键词关键词 数据采集 单片机控制器 设计 目 录 1 前言.1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 数据采集系统概述.2 2 系统的总体设计.3 2.1 设计要求.3 2.2 设计方案的确定.3 3 系统原理和硬件电路设计 4 3.1 正弦信号发生模块设计 4 3.1.1 精密波形发生器 ICL8038.5 3.1.2 信号放大整形器件 LM358.6 3.2 频率电压变换模块设计 6 3.2.1 F/V 转换器 LM331 .7 3.2.2 信号调理器件 LM324.8 3.3 模数转换模块设计 8 3.3.1 A/D 转换 ADC0809 .9 3.3.2 分频器 .10 3.4 控制
4、器模块设计 .11 3.4.1 AT89C52RC 单片机 11 3.4.2 AT89C52RC 单片机主要性能参数 11 3.4.3 AT89C52RC 单片机最小系统的设计 13 3.4.4 单片机时钟电路14 3.4.5 单片机复位电路14 3.5 LED 数码管显示模块的设计 15 3.5.1 LED 数码管显示器的结构原理 15 3.5.2 显示驱动芯片 74HC573 16 4 软件设计 .18 4.1 程序整体设计 .18 4.2 按键及其程序设计 .19 4.3 AD 转换程序设计.19 5 系统调试及总结 .20 5.1 硬件调试 .20 5.1.1 数码管显示测试20 5.
5、1.2 AD 转换测试 .21 5.1.3 整体电路测试21 5.2 软件调试 .22 III 5.3 总结 .23 致谢 .24 参考文献 .25 附件一 程序 27 附件二 产品原理及实物图 37 0 1 1 前言前言 1.11.1 研究背景及意义研究背景及意义 近年来,数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注,数据采集系统 也有了迅速的发展,它可以广泛的应用于各种领域。 数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代,1956 年美国首先研究了用在军事上 的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非成熟人员进行操作, 并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系
6、统 具有高速性和一定的灵活性,可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测 试任务,因而得到了初步的认可。大概在 60 年代后期,国内外就有成套的数据 采集设备和系统多属于专用的系统。 20 世纪 70 年代后期,随着微型机的发展,诞生了采集器、仪表同计算机 融为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良,超过了传统的 自动检测仪表和专用数据采集系统,因而获得了惊人的发展。从 70 年代起,数 据采集系统发展过程中逐渐分为两类,一类是实验室数据采集系统,一类是工 业现场数据采集系统。 20 世纪 80 年代随着计算机的普及应用,数据采集系统得到了很大的发展, 开始出现了通用的数据采集与自
7、动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两 类,一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应 用于实验室,在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总 线和计算机构成,这一类在工业现场应用较多。20 世纪 80 年代后期,数据采 集发生了很大的变化,工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合,用软件 管理,是系统的成本减低,体积变小,功能成倍增加,数据处理能力大大加强。 20 世纪 90 年代至今,在国际上技术先进的国家,数据采集系统已成功的 运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术 的不断提高,出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统(
8、DAS) 。数据采集 技术已经成为一种专门的技术,在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据 采集系统采用模块式结构,根据不同的应用要求,通过简单的增加和更改模块, 并结合系统编程,就可扩展或修改系统,迅速组成一个新的系统。 1 尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到 了迅速的发展,而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡,把它插在 微机的扩展槽内并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于 单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限 制,单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点,而 单片机又具有精度较高、转换
9、速度快、能够对多点同时进行采集,因此能够开 发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统,这 就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。 1.21.2 数据采集系统概述数据采集系统概述 数据采集,又称数据获取,是利用一种装置,从系统外部采集数据并输入 到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。 数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。现代测量中,远距离 多路测量已成为日益重要的测量技术,广泛应用于粮库、油田、矿井以及饭店 等需要同时监控多路温度、湿度、瓦斯含量等场合。随着微型计算机技术的飞 速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测
10、技术。数据采集是工业控 制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作 为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。使用 单片机进行控制可提高系统智能化、可靠性、实用性。 70 年代初,随着计算机技术及大规模集成电路的发展,特别是微处理器及 高速 A/D 转换器的出现,数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集 成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系 统所代替。由微处理器去完成程序控制,数据处理及大部分逻辑操作,使系统 的灵活性和可靠性大大地提高,系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。 在该系统中需要将模拟量转换为数
11、据量,而 A/D 是将模拟量转换为数字量 的器件,他需要考虑的指标有:分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机 是该系统的基本的微处理系统,它完成数据读取、处理及逻辑控制,数据传输 等一系列的任务。在该系统中采用的是 8051 系列的单片机。而数据的显示则采 用的是 LED 数码管。 2 数据采集系统一般由信号调理电路,多路切换电路,采样保持电路,A/D, 单片机等组成。 2 2 系统的总体设计系统的总体设计 2.12.1 设计要求设计要求 设计实现一种基于单片机的多路数据采集系统。要求:具有现场采集和显 示功能。采集方式可控制。现场模拟产生一正弦波信号,实现频率到电压的变 换,从而供给单片机
12、进行数据采集和显示,采集可控制,通道可选择,能够同 时显示地址和相应的数据。要求熟悉单片机电路和编程、A/D 转换和动态显示 等知识。 2.22.2 设计方案的确定设计方案的确定 方案一 : 该方案系统原理框图如图 2-1 所示,它能基本完成所要求实现的功能。 ATMEL 单片机的 ATMEGA16 芯片,该芯片自带有一个 10 位的逐次逼近型 ADC。但 是存在不足之处是:外接器件太多,接线不方便,编程不方便,RS232 接口编程 不方便。 图 2-1 方案一 方案二: 系统原理框图如图 2-2 所示,它能完成所要求实现的全部功能。ADC0809 逐 渐逼近式 A/D 转换器:它是一种速度快
13、、精度较高、成本较低的直接式转换器, 3 能对 8 路单端输入电压进行采样,实现数据采集和 A/D 转换的功能。此方案具 有结构简单,成本低廉元件少、实时性强等优点。 其中: AT89C52 ( 主控芯片) : CPU 作为该系统的核心控制芯片, 起采集、控制 显示的作用。 显示模块:采用单个和四位一体共阴 LED 数码管各一个,分别用来显示通 道号和采集到的数值。 模数转换模块:采用 ADC0809 进行模拟信号到数字信号的转换,以供给单 片机采集数据。 F/V 转换模块:频率到电压的转换,采用精密的频率电压(F/V)转换器 LM331。 信号发生模块:高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲
14、的波形发生器 ICL8038。 正弦波发生正弦波发生 器器 ICL8038 MCU 89C52 信号放大及信号放大及 整形整形 其他其他 6 路电路电 阻分压信号阻分压信号 F/V 转换转换 LM331 数码管显示数码管显示按键控制按键控制 电源电源 模数转换模数转换 ADC0809 信号放大及信号放大及 调理调理 图 2-2 方案二 鉴于上面两种方案,在价格、转换速度、实用等多种标准考量下,本设计 选用方案二。 3 3 系统原理和硬件电路设计系统原理和硬件电路设计 3.13.1 正弦信号发生模块设计正弦信号发生模块设计 设计要求制作一个正弦波发生器,控制振荡频率在 200Hz 到 2000H
15、z 范围变 4 化,并达到尽可能好的 R/F 线性度,从而保证经 F/V 变换后,使 R/V 之间具有 良好的线性度关系。 正弦信号发生模块主要采用集成函数发生器 ICL8038,ICL8038 函数发生器 是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片,具有电源电压 范围宽、稳定度好、精度高等优点,可同时产生方波、三角波和正弦波。 ICL8038 及外围电路如图 3-1 所示,由 8 脚输入外部控制电压,调节电位 器 P1 即可使 2 脚输出的正弦波信号频率发生变化,实现外部压控振荡。10,11 脚之间接 001 F 的振荡电容,4,5 脚接电阻和电位器,调节正弦波失真。 图 3-1
16、 ICL8038 及外围电路 3.1.13.1.1 精密波形发生器精密波形发生器 ICL8038ICL8038 图 3-2 为 ICL8038 的管脚图,下面介绍各引脚功能。 脚 1、12(Sine Wave Adjust):正弦波失真度调节 Du;脚 2(Sine Wave Out):正弦波输出;脚 3(Triangle Out):三角波输出;脚 4、5(ty Cycle Frequency):方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称 调节;脚 6(V):正电源10V18V;脚 7(FM Bias):内部频率调节偏 置电压输;脚 8(FM Sweep):外部扫描频率电压输入;脚 9(Squar
17、e Wave Out):方波输出,为开路结构;脚 10(Timing Capacitor):外接振荡电容; 脚 11(VorGND):负电原或地;脚 13、14(NC):空脚。 5 图 3-2 ICL8038 管脚图 3.1.23.1.2 信号放大整形器件信号放大整形器件 LM358LM358 图 3-3 为采用 LM358 设计的信号放大整形及调理电路。图 3-1 中由 ICL8038 产生的正弦波信号先经过 1 F 电容高通滤波,再经 LM358 反向放大 2 倍,然后经比较器,输出对应频率的方波信号,作为 LM331 的输入。 图 3-3 放大整形电路 3.23.2 频率电压变换模块设计
18、频率电压变换模块设计 频率电压变换模块的设计采用集成芯片 LM331,LM331 采用新的温度补偿能 隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到 5O V 电源电压下都有极高的精度。 LM331 的动态范围宽,可达 100 dB;线性度好,最大非线性失真小于 O01,工作频率低到 01 Hz 时尚有较好的线性度;转换精度高,数字分辨 6 率可达 12 位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成 VF 或 FV 等变换电路,并且容易保证转换精度。 本系统中的所设计的频率电压变换电路如图 3-4 所示。电路中的电位器 P1 调节零点,使频率为 200Hz 时输出为 1V;电位器 P1 调节满度
19、,使频率为 2000Hz 时输出为 5V,重复调节数次即可调整好。 图 3-4 LM331 外围电路 3 3.2.1.2.1 F/VF/V 转换器转换器 LM331LM331 图 3-5 为 LM331 的内部逻辑图,下面介绍各引脚功能。 图 3-5 LM331 的内部逻辑图 7 LM331 可用作精密的频率电压(F/V)转换器、A/D 转换器、线性频率调制 解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331 为双列直插式 8 脚芯片, LM331 内部有(1)输入比较电路、 (2)定时比较电路、 (3)R-S 触发电路、 (4)复零晶体管、 (5)输出驱动管、 (6)能隙基准电路、 (7)精密
20、电流源电路、 (8)电流开关、 (9)输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式,因此 可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,从而适应 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的逻辑电路。此外,LM331 可采用单/双电源供电,电 压范围为 440V,输出也高达 40V。引脚 1 为电流源输出端,在引脚 3 输出逻 辑低电平时,电流源输出对电容 CL 充电。引脚 2 为增益调整,改变 RS 的值可 调节电路转换增益的大小。引脚 3 为频率输出端,为逻辑低电平,脉冲宽度由 Rt 和 Ct 决定。引脚 4 为电源地。引脚 5 为定时比较器正相输入端。引脚 6 为 输入比较器反相
21、输入端。引脚 7 为输入比较器正相输入端。引脚 8 为电源正端。 3.2.23.2.2 信号调理器件信号调理器件 LM324LM324 200 Hz2 kHz 的方波信号经过 LM331 频率电压变换芯片后,产生的信号 Vo 为 O22222 V,为符合 200 Hz2 kHz 对应于 15 V,故需对 Vo 进行 调理,方案中的运算电路如图 3-6 所示。 图 3-6 放大整形电路 3.33.3 模数转换模块设计模数转换模块设计 ST 为转换启动信号。当 ST 上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时, 8 开始进行 A/D 转换;在转换期间,ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。 当
22、EOC 为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行 A/D 转换。OE 为输 出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1, 输出转换得到的数据;OE0,输出数据线呈高阻状态。V0 是正弦波经 F/V 转 换后得到的电压信号,其他 IN1-IN6 为电阻分压信号,IN7 待用。D7D0 为数 字量输出线,输出到单片机的 P2.0 口。CLK 为时钟输入信号线。因 ADC0809 的 内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为 500KHZ, 由单片机 ALE 口接出,经过 74LS74 四分频以后接到 ADC0809 的 CLK 口。 图3-7 A/
23、D转换模块 3.3.13.3.1 A/DA/D转换转换ADC0809ADC0809 AD0809 的逻辑结构:ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器。它由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器 组成(见图 1) 。多路开关可选通 8 个模拟通道,允许 8 路模拟量分时输入,共 用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量,当 OE 端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 9 图3-8 ADC0809 内部结构 ADC0809 的工作原理:IN0IN7:8 条模拟量输入通道;ADC0809 对输
24、入 模拟量要求:信号单极性,电压范围是 05V,若信号太小,必须进行放大; 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入 前增加采样保持电路。地址输入和控制线:4 条;ALE 为地址锁存允许输入线, 高电平有效。当 ALE 线为高电平时,地址锁存与译码器将 A, B,C 三条地址 线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A,B 和 C 为地址输入线,用于选通 IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道选择 表如下表所示。 C B A 选择的通道: 表3-1 通道选择编码 CBAINCBAIN 000IN0100IN4 001IN1101IN5
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