基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要本論文的目的就是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有一定實(shí)用性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文介紹了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。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，它的存在具有非常重要的作用。本文介紹的重點(diǎn)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(jī)。數(shù)據(jù)采集與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單片機(jī)AT89C51來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件部分是以單片機(jī)為核心，還包括A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊，和串行接口電路。本系統(tǒng)能夠?qū)?路模擬量，8路開(kāi)關(guān)量和1路脈沖量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。被測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)TLC0838進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)串行口MA

2、X232傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接受、處理和顯示，并用LCD顯示器來(lái)顯示所采集的結(jié)果。對(duì)脈沖量進(jìn)行采集時(shí)，通過(guò)施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形后再送入單片機(jī)。本文對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信等程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集 AT89C51單片機(jī) TLC0838 MAX232- I -AbstractWe should combine with the structure of concrete hardware and characteristics ofrelevant software to design the system.The purpose of this th

3、esis is to design a practicalreal-time data collection system.This 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.The hardware of the system focuses

4、 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. It has an very important function. The introductive point of this text is a data to collect the system. The part of har

5、dwares core is AT89C51, is also includes A/D conversion module, display module and the serial interface.The system can eight analog, eight digital pulse volume and one for data acquisition8 roads were measured the electric voltage to pass the in general use mold-few conversion of TLC0838,the realiza

6、tion carries on the conversion that imitates to measure the numeral to measure towards the data that collect .Then send the data to the host machine through MAX232.the host machine is responsible for data and display, LCD display is responsible display the data. The software is partly programmed wit

7、h VC+. The software can realize the function of monitoring and controlling the whole system. It designs much program like data-acquisition treatment,date-display and data-communication ect.Keywords Data Acquisition AT89C51 TLC0838 MAX232 目 錄 摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述31.3 論文研究?jī)?nèi)容3第2章 數(shù)

8、據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路52.1 系統(tǒng)主要功能52.2 方案比較52.2.1主從式結(jié)構(gòu)52.2.2單片機(jī)與PC機(jī)相連結(jié)構(gòu)72.3系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)72.4 本章小結(jié)9第3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)103.1 主控制器部分103.1.1 單片機(jī)的組成103.1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)103.1.3 單片機(jī)的選擇113.2 輸入部分的選擇133.2.1 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇133.2.2 開(kāi)關(guān)量的采集143.2.3 脈沖信號(hào)的采集153.3通信部分的選擇153.4 顯示接口部分193.5 鍵盤(pán)接口部分203.6 電源部分的設(shè)計(jì)213.7 單片機(jī)抗干擾電路213.8 本章小結(jié)22第4章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)234

9、.1 軟件總體設(shè)計(jì)框架234.2標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口軟件設(shè)計(jì)244.3 LCD顯示子程序設(shè)計(jì)264.4鍵盤(pán)模塊軟件設(shè)計(jì)274.5 本章小結(jié)28結(jié)論29致謝30參考文獻(xiàn)31附錄A32附錄B35附錄C38附錄D39- 63 -第1章 緒論1.1 課題背景數(shù)據(jù)采集，又稱(chēng)數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們?cè)絹?lái)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(yīng)用于各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等問(wèn)題。它是對(duì)傳感器信號(hào)的測(cè)量與處理, 以微

10、型計(jì)算機(jī)等高技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門(mén)綜合應(yīng)用技術(shù)。數(shù)據(jù)采集也是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過(guò)程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場(chǎng)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(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。盡管現(xiàn)在以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，并且適于通用微機(jī)(如IBM PC 系列) 使用的板卡級(jí)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品也已大量出現(xiàn)，組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)單到只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡,把它插在微

11、機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)，并輔以應(yīng)用軟件,就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會(huì)對(duì)基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因?yàn)閱纹瑱C(jī)功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、靈活性好、開(kāi)發(fā)容易等優(yōu)點(diǎn)，使得基于單片機(jī)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(yīng)用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代，1956年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)，目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿(mǎn)足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。大概在60年代后期，國(guó)內(nèi)外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于

12、專(zhuān)用的系統(tǒng)1。20世紀(jì)70年代后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計(jì)算機(jī)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(guò)了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專(zhuān)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(guò)程中逐漸分為兩類(lèi)，一類(lèi)是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類(lèi)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1。20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類(lèi)，一類(lèi)以?xún)x表儀器和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)組成。這類(lèi)系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也有一定的應(yīng)用。第二類(lèi)以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，這一

13、類(lèi)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。20世紀(jì)80年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了很大變化，工業(yè)計(jì)算機(jī)、單片機(jī)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(qiáng)11。20世紀(jì)90年代至今，在國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機(jī)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(zhuān)門(mén)的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)用要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個(gè)新的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集

14、系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析，計(jì)算，提取等有較好的應(yīng)用。一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要應(yīng)用于：1生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理2多媒體技術(shù)與人機(jī)交互3導(dǎo)航與現(xiàn)代通信技術(shù)4遙感，遙測(cè)的應(yīng)用5人工智能與模式識(shí)別，計(jì)算機(jī)技術(shù)與可視化6雷達(dá)，聲納信號(hào)處理7微弱信號(hào)處理技術(shù)隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，在特定的行業(yè)中要獲得較精確的數(shù)據(jù)，都需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行特殊的要求：如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，很多設(shè)備都是對(duì)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生很大的干擾源，而且一般的采集器都有多路的信號(hào)輸入，他們的地線相連會(huì)導(dǎo)致干擾通過(guò)地線進(jìn)入正在采集的信號(hào)，使得數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確，因此數(shù)據(jù)采集的抗干擾設(shè)計(jì)十分重要。所以，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

15、的發(fā)展過(guò)程中，為滿(mǎn)足特定的要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展前景主要有：1系統(tǒng)抗干擾性。保證獲得的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。2實(shí)時(shí)通信。保證數(shù)據(jù)處理單元能較快的得到需要處理的數(shù)據(jù)，提高主機(jī)的運(yùn)行效率。3高速數(shù)據(jù)采集。一般數(shù)字信號(hào)的獲取需要通過(guò)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，這就需要高速，高性能的A/D轉(zhuǎn)換器。4低功耗性。適合于電池供電和空間受限的工作環(huán)境以及便攜式場(chǎng)合。1.2 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)和顯示。它起始于20世紀(jì)中期，在過(guò)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(zhǎng)足的進(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前社會(huì)的發(fā)展

16、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(xué)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)飛行、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。我國(guó)的數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來(lái)，又成功研制了動(dòng)態(tài)范圍更大、線性度更高、兼容性更強(qiáng)、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(duì)拾震計(jì)輸出的電信號(hào)模擬放大后送至A/D數(shù)字化，A/D采用同時(shí)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(hào)。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、200HZ1。由美國(guó)PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由3部分組成：1傳

17、感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；2計(jì)算機(jī)接口：將來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為25萬(wàn)次/S；3軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。受需求牽引，新一代機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿(mǎn)足飛行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用也在快速地發(fā)展。如愛(ài)爾蘭ACRA公司2000年研發(fā)推出的新一代KAM500機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到了2006年。本系統(tǒng)采用16位(A/D)模擬數(shù)字變換，總采樣率達(dá)500K/S，同步時(shí)間為+/-250ns，可以利用方式組成高達(dá)1000通道的大容量的分布式采集系統(tǒng)。1.3 論文研究?jī)?nèi)容本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以AT89C51為核心，對(duì)8路模擬信號(hào)，8路開(kāi)關(guān)量和1路脈沖信號(hào)進(jìn)行

18、采集。它的主要功能是完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、控制以及與PC機(jī)之間的通信等。在該系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，而 A/D是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，他需要考慮的指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、轉(zhuǎn)換誤差等等。而單片機(jī)是該系統(tǒng)的基本的微處理系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)讀取、處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗械娜蝿?wù)。傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于沒(méi)有上位機(jī)的支持，不管采用什么樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)容量都是有限的，所以不得不對(duì)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋刷新，這樣不利于用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，因而也不能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的把握。本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)采用單片機(jī)為核心，擴(kuò)展電源電路

19、、復(fù)位電路、LCD接口電路等，并配有標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行通信接口。系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需采用硬件和軟件方面的抗干擾措施。第2章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路2.1 系統(tǒng)主要功能本系統(tǒng)對(duì)8路模擬信號(hào)，8路開(kāi)關(guān)信號(hào)和1路脈沖信號(hào)進(jìn)行采集并處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)按鍵，當(dāng)按鍵1按下時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始工作，采集數(shù)據(jù)，當(dāng)按鍵2按下時(shí)，系統(tǒng)檢查是否通過(guò)RS-232連接PC機(jī)，若連接成功，則執(zhí)行傳輸命令，把所采集的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行處理。2.2 方案比較2.2.1主從式結(jié)構(gòu)采用下位機(jī)負(fù)責(zé)模擬數(shù)據(jù)的采集，從單片機(jī)負(fù)責(zé)采集8路數(shù)據(jù)，并應(yīng)答主機(jī)發(fā)送的命令，上位機(jī)即主機(jī)是負(fù)責(zé)處理接

20、受過(guò)來(lái)的數(shù)字量的處理及顯示，從機(jī)負(fù)責(zé)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，并應(yīng)答主機(jī)的命令，主機(jī)和從機(jī)之間用RS-232進(jìn)行通信。用戶(hù)可以在上位機(jī)上編寫(xiě)各種程序?qū)ξ募械臄?shù)據(jù)進(jìn)行有效查詢(xún)和分析。由信號(hào)調(diào)理電路，多路切換電路，采樣保持電路，A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)等組成。具體的設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換器單片機(jī)LCD顯示器鍵盤(pán)MAX232采集信號(hào)單片機(jī)圖2-1 主從式結(jié)構(gòu)但是由于單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理不夠方便，所以不采用這種結(jié)構(gòu)。2.2.2單片機(jī)與PC機(jī)相連結(jié)構(gòu)系統(tǒng)選擇一個(gè)串行的A/D轉(zhuǎn)換芯片，可采集8路的模擬量。開(kāi)關(guān)量采集可以直接用單片機(jī)的I/O，單片機(jī)還有兩個(gè)外部中斷接口，即可用來(lái)測(cè)量脈沖量的輸入，采集其輸入頻率。

21、單片機(jī)可以通過(guò)串口與上位PC機(jī)進(jìn)行通訊，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)上。具體的系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。PC機(jī)有非常強(qiáng)大的運(yùn)算能力，由PC機(jī)處理采集到的數(shù)據(jù)，PC機(jī)處理數(shù)據(jù)速度快，界面友好直接，所以選擇單片機(jī)通過(guò)MAX232與PC機(jī)相連，便于方便地處理數(shù)據(jù)。圖 2-2 單片機(jī)與PC機(jī)相連結(jié)構(gòu)2.3系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2-3所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行自檢，檢查各功能模塊電子器件是否正常工作，檢查完畢后進(jìn)行各功能模塊初始化，掃描鍵盤(pán)，當(dāng)有“按鍵1”按下時(shí)，系統(tǒng)可讀到P1口為低電平，此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行測(cè)量數(shù)據(jù)的工作，將采集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到特定寄存器并將儲(chǔ)存在寄存器中

22、的數(shù)據(jù)組送LCD顯示，當(dāng)有“按鍵2”按下時(shí)，系統(tǒng)檢查是否與上位機(jī)已經(jīng)建立連接，若連接成功則通過(guò)RS-232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。上電系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)采集送LCD顯示示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳送電壓標(biāo)志開(kāi)？傳送電流標(biāo)志開(kāi)？傳送脈沖標(biāo)志開(kāi)？傳送電壓到串口傳送電流到串口傳送脈沖到串口YNYNYN圖2-3 系統(tǒng)主程序流程圖2.4 本章小結(jié)本章將兩種不同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較，選用了單片機(jī)與PC機(jī)相連進(jìn)行通信的結(jié)構(gòu)。介紹了系統(tǒng)的主要功能，分成硬件總體設(shè)計(jì)和軟件總體設(shè)計(jì)兩部分介紹了整個(gè)系統(tǒng)，在硬件總體設(shè)計(jì)方面給出了系統(tǒng)各模塊框圖，軟件設(shè)計(jì)則給出主程序流程圖。通過(guò)本章可以對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。第3章 數(shù)

23、據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 主控制器部分主控制器是本系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集及處理。在本系統(tǒng)中主控制器我選擇了單片機(jī)，單片機(jī)控制功能強(qiáng)，性?xún)r(jià)比優(yōu)異，體積小巧，適用于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3.1.1單片機(jī)的組成單片機(jī)就是單片微型計(jì)算機(jī)，單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)的核心是微處理器MPU，與一般微型計(jì)算機(jī)所不同的是是它將微處理器，內(nèi)存，I/O接口，中斷邏輯，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器集成在一個(gè)集成電路芯片上。3.1.2單片機(jī)的特點(diǎn)1高集成度，體積小，高可靠性 單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單

24、片機(jī)程序指令，常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號(hào)通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故可靠性高。2 控制功能強(qiáng) 為了滿(mǎn)足對(duì)對(duì)象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專(zhuān)門(mén)的控制功能。 3低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 為了滿(mǎn)足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為1.8V3.6V，而工作電流僅為數(shù)百微安。 4易擴(kuò)展 片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件。芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 5優(yōu)異的性能價(jià)格比 單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運(yùn)行效率，單片機(jī)已開(kāi)始使用R

25、ISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)2MB。由于單片機(jī)的廣泛使用，因而銷(xiāo)量極大，各大公司的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)更使其價(jià)格十分低廉，其性能價(jià)格比極高2。3.1.3單片機(jī)的選擇在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用了MCS-51系列：AT89C51芯片。如圖3-1所示。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次，

26、該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。圖3-1 AT89C51引腳 由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。1主要特性：·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源 ·

27、;可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2管腳說(shuō)明：P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。     P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電

28、平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。      P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程

29、和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。     P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD 串行輸入口 P3.1 TXD 串行輸出口 P3.2 /INT0 外部中斷0 P3.3 /INT1 外部中斷1 P3.4 T0 記時(shí)器0外部輸入 P3.5 T1 記時(shí)器1外部輸入 P3.6 /WR 外

30、部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 P3.7 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。3.2 輸入部分的選擇3.2.1A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集8路模擬信號(hào)，選用A/D轉(zhuǎn)換器TLC0838，TLC0838是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。存全8位分辨率下，它允許任意小的模擬電壓編碼間隔。由于TLC0838采用的是串行輸入結(jié)構(gòu)，因此封裝體積小，可節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源，價(jià)格也較適中。其種類(lèi)有商業(yè)級(jí)別，工作環(huán)境為0+70，工業(yè)級(jí)別，工作環(huán)境為40+85。更高的可

31、達(dá)40+125。在實(shí)際運(yùn)用中我們選用的是TL0838I型號(hào)，滿(mǎn)足了實(shí)際需要。TLC0838與單片機(jī)接口如圖3-2所示。圖3-2 TLC0838與單片機(jī)接口TLC0838主要特點(diǎn)如下：18位分辨率；2易于和微處理器接口或獨(dú)立使用；3可滿(mǎn)量程工作；4可用地址邏輯多路器選通8輸入通道；5單5V供電，范圍為05V；6輸入和輸出與TTL、CMOS電平兼容；7時(shí)鐘頻率為250kHz時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為32s；8總調(diào)整誤差為±1LSB。 在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要采集4路電壓模擬量和4路電流模擬量。所以還需要一個(gè)I/V轉(zhuǎn)換電路將電流轉(zhuǎn)換為電壓。有源I/V變換主要是利用有源器件運(yùn)算放大器、電阻組成 如圖3

32、-3所示：利用同相放大電路，把電阻R1上產(chǎn)生的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為：A=1+R4/R3 (3-1)取R3=100K，R4=150K，R1=200，則0100mA輸入對(duì)應(yīng)于05V的電壓輸出。圖3-3 I/V變換電路3.2.2開(kāi)關(guān)量的采集對(duì)開(kāi)關(guān)量的采集電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)量的狀態(tài)只有0和1兩種，所以只要用單片機(jī)的并口就可以了，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用的是P2口，各開(kāi)關(guān)通過(guò)擴(kuò)展輸入口74LS244與單片機(jī)相連。開(kāi)關(guān)合上時(shí)將P2口的相應(yīng)引腳送低電平，反之，開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)送高電平。由于工作現(xiàn)場(chǎng)常有電磁，震動(dòng)，溫度等干擾信號(hào)，以及各類(lèi)執(zhí)行器所要求的開(kāi)關(guān)電壓量級(jí)與功率不同，所以在

33、接口電路中除根據(jù)需要選用不同元器件外，還需要各種緩沖，隔離與驅(qū)動(dòng)措施。74LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅(qū)動(dòng)器。74LS244沒(méi)有鎖存的功能。地址鎖存器就是一個(gè)暫存器，它根據(jù)控制信號(hào)的狀態(tài)，將總線上地址代碼暫存起來(lái)。它主要用于三態(tài)輸出，作為地址驅(qū)動(dòng)器，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和總線驅(qū)動(dòng)器，定向發(fā)送器等。當(dāng)微處理器與存儲(chǔ)器交換信號(hào)時(shí)，首先由CPU發(fā)出存儲(chǔ)器地址，同時(shí)發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE給鎖存器，當(dāng)鎖存器接到該信號(hào)后將地址/數(shù)據(jù)總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數(shù)據(jù)。 鎖存器是一個(gè)很普通的時(shí)序電路。一般的，它在時(shí)鐘上升沿或者下降沿來(lái)的時(shí)候鎖存輸入，然后產(chǎn)生輸出，在其他的時(shí)候輸出都不跟隨輸入變化，

34、這就是所謂邊緣觸發(fā)的D觸發(fā)器。單片機(jī)與74LS244接口的電路圖如圖3-4所示。圖3-4 74LS244與單片機(jī)接口圖 3.2.3脈沖信號(hào)的采集脈沖信號(hào)是周期變化的信號(hào)，AT89C51單片機(jī)有兩個(gè)外部中斷INT0和INT1接口，利用這兩個(gè)外部中斷輸入接口，可以對(duì)脈沖量信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。脈沖量可以直接送到單片機(jī)的外部中斷接口，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形后送入單片機(jī)。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢的周期性信?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。輸入的信號(hào)只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。 當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達(dá)V+時(shí)，輸

35、出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達(dá)V-，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對(duì)于要求一定延遲啟動(dòng)的電路，它是特別適用的6。施密特觸發(fā)器也有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位維持；對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓。對(duì)脈沖量采集的過(guò)程如下：將T0設(shè)置為方式1的定時(shí)方式，且GATE=1，計(jì)數(shù)器初值為0，將TR0置1。當(dāng)INT0引腳上出現(xiàn)高電平時(shí)，加1計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，當(dāng)INT0引腳上信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，停止計(jì)數(shù)，然后讀出TH0、TL0的值，即為脈沖寬度8。3.3通

36、信部分的選擇計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊兩種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。該串行口我選用了標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口，它是電平與TTL電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路。常用的芯片是MAX232，MAX232的優(yōu)點(diǎn)是。1一片芯片可以完成發(fā)送轉(zhuǎn)換和接收轉(zhuǎn)換的雙重功能。2單一電源+5V供電3它的電路設(shè)計(jì)與連接比較簡(jiǎn)單而且功能齊全。在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。 RS-232-C接口(又稱(chēng) EIA RS-232-C)是目前最常用的一種串行通訊接口。它是

37、在1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo) 準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)之間 串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的 DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)的電平加以規(guī)定。MAX232分為三部分。第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 其中13腳、12腳、1

38、1腳、14腳為第一數(shù)據(jù)通道。 8腳、9腳、10腳、7腳為第二數(shù)據(jù)通道。TL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC。1傳輸電纜長(zhǎng)度：由RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長(zhǎng)度應(yīng)為50英尺，其實(shí)這個(gè)4%的碼元畸變是很保守的，在實(shí)際應(yīng)用中，約有99%的用戶(hù)是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)50英尺7。2接口的電氣特性：在RS-2

39、32-C中任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯1，-5 -15V；邏輯0， +5+15V 。噪聲容量為2V。即要求接收器能識(shí)別低至+3V的信號(hào)作為邏輯0，高于-3V的信號(hào)作為邏輯1。3接口的物理結(jié)構(gòu)：RS-232C接口連接器一般使用型號(hào)為DB-25的25芯插頭座，通常插頭在DCE端，插座在DTE端。一些設(shè)備與PC機(jī)連接的RS-232-C接口，因?yàn)椴皇褂脤?duì)方的傳送控制信號(hào)，只需三條接口線，即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號(hào)地”。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。4接口的信號(hào)內(nèi)容：實(shí)際上RS-232-C的25條引線中有許多是很少使用的，在計(jì)算機(jī)與終端通訊中一般只使用3-

40、9條引線。RS-232-C最常用的9條引線的信號(hào)內(nèi)容。見(jiàn)表3-2所示。表3-2 常用引線的信號(hào)內(nèi)容引腳序號(hào)信號(hào)名稱(chēng)符號(hào)流向功能2發(fā)送數(shù)據(jù)TXDDTE->DCEDTE發(fā)送串行數(shù)據(jù)3接收數(shù)據(jù)RXDDTE<-DCEDTE接收串行數(shù)據(jù)4請(qǐng)求發(fā)送RTSDTE->DCEDTE請(qǐng)求DCE將線路切換到發(fā)送方式5允許發(fā)送CTSDTE<-DCEDCE告訴DTE線路已接通可以發(fā)送數(shù)據(jù)6數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好DSRDTE<-DCEDCE準(zhǔn)備好7信號(hào)地信號(hào)公共地8載波檢測(cè)DCDDTE<-DCE表示DCE接收到遠(yuǎn)程載波20數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTRDTE->DCEDTE準(zhǔn)備好22振鈴指示RID

41、TE<-DCE表示DCE與線路接通，出現(xiàn)振鈴當(dāng)PC發(fā)送數(shù)據(jù)1即邏輯高電平時(shí)，該信號(hào)從PC的RS232的串行口連接器CN1的第3腳輸出到MAX232的第8腳，RS232的邏輯1電壓為12V，MAX232將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的邏輯1電壓+5V；當(dāng)PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)0即邏輯低電平時(shí)，該信號(hào)從PC的RS232串行口連接器CN1的第3腳輸出到MAX232的第7腳，RS232的邏輯0電壓為+12V，MAX232將其轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)的邏輯1電壓0V；當(dāng)單片機(jī)需要向PC發(fā)送數(shù)據(jù)1時(shí)，該信號(hào)的電壓為+5V，從TxD輸入到MAX232的第11腳，該電壓經(jīng)過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換為RS232電平后信號(hào)電壓為12V，PC接收到來(lái)

42、自單片機(jī)的數(shù)字1；當(dāng)單片機(jī)需要向PC發(fā)送數(shù)據(jù)0時(shí)，該信號(hào)的電壓為0V，從TxD輸入到MAX232的第11腳，該電壓經(jīng)過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換為RS232電平后信號(hào)電壓為+12V，PC機(jī)接收到來(lái)自單片機(jī)的數(shù)字0。MAX232芯片是美信公司專(zhuān)門(mén)用+5V單電源供電，是為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路， MAX232的引腳圖如圖3-5所示。圖3-5 MAX232引腳圖其中引腳1-6(C1+、V+、C1_、C2+、C2-、V-)用于電源電壓轉(zhuǎn)換，只要在外部接入相應(yīng)電解電容即可；引腳7-10和引腳11-14構(gòu)成兩組TTL信號(hào)電平與RS-232C信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換電路，對(duì)應(yīng)引腳可直接與單片機(jī)串行口的TTL電

43、平引腳和PC的RS-232C電平引腳相連。單片機(jī)與MAX232的連接如圖3-7所示。圖3-6 MAX232與單片機(jī)接口圖3.4 顯示接口部分本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要對(duì)電壓信號(hào)，電流信號(hào)及脈沖信號(hào)進(jìn)行顯示。顯示部分選用的是LCD液晶顯示。選用的芯片是LCM1602。與LED相比，LCD芯片功耗低且價(jià)格低廉。1602是典型的字符點(diǎn)陣LCD，可以顯示16位×2行共32個(gè)字符。驅(qū)動(dòng)電壓為+5.0V/3.3V。背光燈有黃綠色、白色等。1602與單片機(jī)連接圖如圖3-7所示。圖3-7 LCM1602引腳圖1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口。接口定義及功能如表3-3所示。表3-3 1602接口定義及功能表引腳編

44、號(hào)符 號(hào)含 義功 能1VSS接地電源地2VDD接電源電源正極3Vo液晶驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)比度調(diào)整端4RS寄存器選擇高電平：選擇數(shù)據(jù)寄存器低電平：選擇指令寄存器5R/W讀/寫(xiě)信號(hào)高電平：讀低電平：寫(xiě)6EN片選使能EN端電平下降沿觸發(fā)模塊工作714D0D7雙向數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)15BLK背光燈引腳接陰極16BLA背光燈引腳接陽(yáng)極1602的顯示原理是：在其內(nèi)部存儲(chǔ)器中保存字符圖形，通過(guò)控制器向1602寫(xiě)入指定的顯示存儲(chǔ)地址，相應(yīng)地址對(duì)應(yīng)的字符即被顯示到液晶屏幕上。在1602內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)中已經(jīng)儲(chǔ)存了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形。這些字符包括：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)和日文假名等

45、。每個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。1602與單片機(jī)連接如圖所示。圖中利用P2.7和WR，RD邏輯組合后作為L(zhǎng)CM1602的使能控制；P1.0和P1.1分別作為L(zhǎng)CM的RS和R/W的控制信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)對(duì)外部地址7FFFH單元進(jìn)行讀和寫(xiě)操作時(shí)，LCM1602的工作使能端有效，驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)設(shè)置P1.0和P1.1的電平狀態(tài)以選擇LCM1602的命令或數(shù)據(jù)寄存器及LCM1602的讀或?qū)懖僮鳌?602與單片機(jī)接口示意圖如圖3-8所示。圖3-8 顯示部分接口3.5 鍵盤(pán)接口部分鍵盤(pán)是本系統(tǒng)中進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)的接口，是單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入的重要方式。鍵盤(pán)的接法靈活多樣，最簡(jiǎn)單的方式為獨(dú)立式接法，即利用單片機(jī)讀取I/O口

46、的電平高低來(lái)判斷是否有鍵按下。這里所說(shuō)的按鍵采用金屬接觸方式，開(kāi)關(guān)的原理是觸電導(dǎo)通或斷開(kāi)。在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)按鍵開(kāi)啟/關(guān)閉鍵和數(shù)據(jù)傳送鍵。分別與單片機(jī)的P3.4和P3.5口相連。如圖3-9所示。圖3-9鍵盤(pán)接口3.6 電源部分的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)使用5V電源供電，故需要一個(gè)電源轉(zhuǎn)換電路。電路輸入220v交流電，經(jīng)過(guò)全橋整流，穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的5V直流電。變壓器后面由4個(gè)二極管組成一個(gè)橋式整流電路，整流后就得到一個(gè)電壓波動(dòng)很大的直流電源，所以在這里接一個(gè)330uF/25V的電解電容。 變壓器輸出端的9V電壓經(jīng)橋式整流并電容濾波，在電容C兩端大約會(huì)有11V多一點(diǎn)的電壓，假如從電容兩端直接接一個(gè)負(fù)載

47、，當(dāng)負(fù)載變化或交流電源有少許波動(dòng)都會(huì)使C兩端的電壓發(fā)生較大幅度的變化，因此要得到一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓，在這里接一個(gè)三端穩(wěn)壓器的元件。 三端穩(wěn)壓器是一種集成電路元件，內(nèi)部由一些三極管和電阻等構(gòu)成，在分析電路時(shí)可簡(jiǎn)單的認(rèn)為這是一個(gè)能自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻的元件，當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻自動(dòng)變小，而當(dāng)負(fù)載電流變小時(shí)三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻又會(huì)自動(dòng)變大，這樣就能保持穩(wěn)壓器的輸出電壓保持基本不變。 因?yàn)橐敵?V的電壓，所以選用7805。三端穩(wěn)壓器后面接一個(gè)105的電容，這個(gè)電容有濾波和阻尼作用。最后在C兩端接一個(gè)輸出電源的插針。電源的設(shè)計(jì)圖如圖3-10所示。圖3-10電源設(shè)計(jì)電路3.7 單片機(jī)抗干擾電路為了保證

48、數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，硬件電路選用看門(mén)狗電路。本系統(tǒng)采用MAX706和單片機(jī)構(gòu)成的“看門(mén)狗”硬件電路，MAX706是一種性能優(yōu)良的低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片，其內(nèi)部電路由上電復(fù)位、可重觸發(fā)“看門(mén)狗”定時(shí)器及電壓比較器等組成。MAX706只要在1.6秒時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到WCI引腳有高低電平跳變信號(hào)，則“看門(mén)狗”定時(shí)器清零并重新開(kāi)始計(jì)時(shí)；若超出1.6秒后，WCI引腳仍無(wú)高低電平跳變信號(hào)，則“看門(mén)狗”定時(shí)器溢出，WDO引腳輸出低電平，進(jìn)而觸發(fā)MR手動(dòng)復(fù)位引腳，使MAX706復(fù)位，從而使“看門(mén)狗”定時(shí)器清零并重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，WDO引腳輸出高電平，MAX706的RST復(fù)位輸出引腳輸出大約200毫秒寬度的低電平脈沖，

49、使單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠復(fù)位，重新投入正常運(yùn)行。電路如圖3-11。圖3-11 看門(mén)狗電路3.8 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各硬件模塊的設(shè)計(jì)思路及過(guò)程，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，脈沖量采集模塊，開(kāi)關(guān)量采集模塊；其中電源電路采用LM7805CK穩(wěn)壓芯片，抗干擾電路采用看門(mén)狗電路；系統(tǒng)輸入輸出模塊及系統(tǒng)與PC機(jī)通信模塊等相關(guān)模塊的各芯片電路連接。 第4章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件總體設(shè)計(jì)框架本軟件系統(tǒng)有一個(gè)主程序，七個(gè)子程序，七個(gè)子程序分別為向串口發(fā)送數(shù)據(jù)子程序、鍵盤(pán)掃描子程序、LCD數(shù)據(jù)顯示子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、開(kāi)關(guān)量采集子程序、脈沖量采集子程序。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行自檢，檢查各功能模塊電子

50、器件是否正常工作，檢查完畢后進(jìn)行各功能模塊初始化，掃描鍵盤(pán)，當(dāng)有“按鍵1”按下時(shí)，系統(tǒng)可讀到P0口為低電平，此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行測(cè)量數(shù)據(jù)的工作，將采集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到特定寄存器，當(dāng)有“按鍵2”按下時(shí)，系統(tǒng)將檢查是否與上位機(jī)已經(jīng)建立連接，若連接成功則通過(guò)RS-232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。主程序的流程圖如圖4-1所示。主程序：#include <iom64v.h>#include"key.h"#include"LCD.h"#include"define.h"#include"rs232.h"void main()vo

51、id main(void) /初始工作 unsigned int i = 0；init_devices()；/系統(tǒng)初始化，寄存器的初值設(shè)置，中斷設(shè)置等 while(1) Read ADCON()_；/調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序lcd_display()；/送顯示/ 對(duì)采集值進(jìn)行存儲(chǔ)I2C_write(i，temperature)；/最大每組存儲(chǔ)1000個(gè)數(shù)值I2C_write(i+1,humidity)；I2C_write(i+2,manometer)；if(i>=3000) i = 0； 圖4-1 主程序流程圖4.2標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口軟件設(shè)計(jì)串口通訊過(guò)程的順利完成，通訊雙方不但要在硬件接口

52、標(biāo)準(zhǔn)上共同遵守某種約定，而且還必須對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問(wèn)題作出統(tǒng)一的規(guī)定，即通訊協(xié)議，而這些工作是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。RS232傳輸流程圖如圖4-2所示。圖4-2 RS232傳輸示意圖單片機(jī)采用方式1，雙工通訊，波特率1200時(shí)計(jì)算得T1的值為E6H，單片機(jī)工作，匯編語(yǔ)言編程如下：COMM ： MOV TMOD， #20H ；T1方式2MOV TH1， #0E6HMOV TL1， #0E6H ；T1時(shí)間常數(shù)SETB TR1 ；啟動(dòng)T1MOV SCON， #50H ；串行口工作方式1MOV R0， #38H ；R0指示發(fā)送緩沖區(qū)首址MOV R7， #

53、7 ；R7發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)NEXT：MOV SBUF，R0 ；發(fā)送數(shù)據(jù)JNB TI， $ ；等待發(fā)下一幀數(shù)據(jù)CLR TI ；一幀發(fā)完清TIINC R0DJNZ R7， NEXTSJMP $ ；延時(shí)程序4.3 LCD顯示子程序設(shè)計(jì)1602是典型的字符點(diǎn)陣LCD，其硬件電路連接簡(jiǎn)單，對(duì)1602的顯示控制通過(guò)指令代碼實(shí)現(xiàn)。1602共有11條指令，各指令說(shuō)明如下：指令1：清屏。清屏?xí)r光標(biāo)復(fù)位到00H。指令2：復(fù)位光標(biāo)。光標(biāo)返回到地址00H。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置。I/D為光標(biāo)移動(dòng)方向，1右移，0左移。指令4：顯示開(kāi)關(guān)控制。D為1表示開(kāi)顯示，0為關(guān)顯示；C為1表示右光標(biāo)，0表示無(wú)光標(biāo)；B為1表示光標(biāo)閃爍

54、，0為不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位；S/C為1時(shí)移動(dòng)顯示的文字，0時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令，DL為1時(shí)為4位總線，0時(shí)為8位總線；N為1時(shí)雙行顯示，0時(shí)為單行顯示。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。指令8：DDRAM地址設(shè)置。指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址BF為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示忙。1602模塊必須在不忙時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作。指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。1602的顯示原理是：在其內(nèi)部存儲(chǔ)器中保存字符圖形，通過(guò)控制器向1602寫(xiě)入指定的顯示存儲(chǔ)地址，相應(yīng)地址對(duì)應(yīng)的字符即被顯示到液晶屏幕上。程序流程圖如圖4-3所示。 圖4-3 LCD

55、工作示意圖4.4鍵盤(pán)模塊軟件設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)的基本接口，是單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入的重要方式。鍵盤(pán)的接法靈活多樣，最簡(jiǎn)單的方式為獨(dú)立式接法，即利用單片機(jī)讀取I/O口的電平高低來(lái)判斷是否有鍵按下。這里所說(shuō)的按鍵采用金屬接觸方式，開(kāi)關(guān)的原理是觸電導(dǎo)通或斷開(kāi)，通常采用銅片彈簧作為彈性材料。在外型上有圓形、方形等形狀。在使用單片機(jī)對(duì)鍵盤(pán)處理時(shí)，必須消除鍵盤(pán)抖動(dòng)的影響。這里說(shuō)的抖動(dòng)是鍵盤(pán)的機(jī)械抖動(dòng)，此過(guò)程持續(xù)時(shí)間為10200ms。消除鍵盤(pán)抖動(dòng)可以使用硬件去抖或軟件去抖方法。軟件去抖實(shí)際上采用的是延時(shí)的方法，避開(kāi)按鍵的抖動(dòng)部分時(shí)間。獨(dú)立式按鍵的接法是在單片機(jī)的I/O口上接一個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)單片機(jī)的一個(gè)輸入端口，按鍵的另一端接電源或者數(shù)字地。為了保證電平的有效性，對(duì)每一路的按鍵都需要加一個(gè)上拉電阻。程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 鍵盤(pán)工作示意圖4.5 本章小結(jié)本章主要說(shuō)明了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序及各功能模塊軟件設(shè)計(jì)。為了便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展，采用了模塊化結(jié)構(gòu)，除RS-232接口通信程序采用匯編語(yǔ)言編程外，其他均采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。本章包括主程序設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)，通信程序設(shè)計(jì)