多路數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制設(shè)計

1、計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書多路數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名:學(xué) 院:專 業(yè):指導(dǎo)教師: 學(xué)號：中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院電氣工程及其自動化2013年01月學(xué)院:專業(yè)：學(xué)生姓名：課程設(shè)計題目：起迄日期: 課程設(shè)計地點: 指導(dǎo)教師: 系主任：中北大學(xué)計算機控制課程設(shè)計任務(wù)書2012/2013 學(xué)年第一學(xué)期信息商務(wù)學(xué)院電氣工程及其自動化學(xué)號：多路數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)設(shè)計12月24日 01月04日電氣工程系軟件實驗室下達任務(wù)書日期：2012年12月24日課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計日的：本設(shè)計包括確定控制任務(wù)、系統(tǒng)總體方案設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件程序的設(shè)計等， 使學(xué)生進一步學(xué)習(xí)與理解計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、接口電

2、路與應(yīng)用程序，鞏固與綜 合專業(yè)基礎(chǔ)知識和相關(guān)專業(yè)課程知識，提高學(xué)生運用理論知識解決實際問題的實踐技能。設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：設(shè)計一由微機控制的A/D數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，該卡具有對8個通道上05V的模 擬電壓進行采集的能力，且可用鍵盤選擇轉(zhuǎn)換通道，選擇ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器芯 片。并在顯示器上動態(tài)顯示采集的數(shù)據(jù)。設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書（論文）、圖紙、 實物樣品等）：根據(jù)題目要求的指標，通過查閱有關(guān)資料，確定系統(tǒng)設(shè)計方案，并設(shè)計其硬件電 路圖。畫出電路原理圖，分析主要模塊的功能及他們之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制關(guān)系。軟件設(shè)計，給出流程

3、圖及源代碼并加注釋。用proteus軟件繪制硬件電路原理圖及調(diào)試軟件進行仿真分析。課 程設(shè)計任務(wù)書主要參考文獻：顧德英.計算機控制技術(shù)（第二版）.北京郵電大學(xué)出版社,2005李順增，吳國東.微機原理及接口技術(shù).機械工業(yè)出版社，2004李朝青.單片機原理及接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.2005設(shè)計成果形式及要求：電路原理圖軟件流程圖和程序清單編寫課程設(shè)計報告。工作計劃及進度：12月24日12月25日查找資料，確定方案12月26日12月29日設(shè)計硬件電路，繪制電路原理圖12月27日12月31日 軟件設(shè)計，并調(diào)試通過01月01日01月04日 編寫課程設(shè)計報告，答辯或成績考核系主任審查意見：簽字：

4、年 月 日內(nèi)容摘要:Li隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛。數(shù)據(jù)采集是工業(yè) 控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)過程中，往往需要隨時檢測各個環(huán)節(jié)的 溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時，還要對某個檢測點的任意參數(shù)進行隨機 查詢，將所得到的檢測結(jié)果提取出來以便進行比較做出決策，調(diào)整控制方案。此 外，在科研過程中，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)的重要手段之一。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)字信號，該系統(tǒng)的 目的是便于對一些物理量進行監(jiān)視、控制。即將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行處理、傳 輸、顯示、存儲等操作。換言之，其主要功能就是把模擬信號變成數(shù)字

5、信號，并 進行分析、處理、存儲和顯示。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。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。數(shù)據(jù)輸出及顯示 就是把數(shù)據(jù)以適當?shù)男问竭M行輸出和顯示。本次設(shè)計課題為多路數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)，是利用ATMEL公司的AT89S51單片機 和ADC0809芯片設(shè)計采集模擬電壓信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)處理后由4位數(shù)碼 管動態(tài)掃描

6、顯示。關(guān)鍵字： ADC0809芯片數(shù)據(jù)采集 AT89S51 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 1概述1 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 1.1設(shè)計數(shù)據(jù)采集器的意義1 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 1.2擔任工作1 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 1.3數(shù)據(jù)采集器的主要功能 1 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 2

7、系統(tǒng)總體方案2 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 2.1設(shè)計任務(wù)要求2 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 2.2系統(tǒng)方案設(shè)計 2 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 2.3系統(tǒng)框圖2 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 3硬件電路設(shè)計及描述 2 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 3.1硬件系統(tǒng)設(shè)計原理 2 HYPERLINK l bookmark98

8、o Current Document 3.2硬件系統(tǒng)各個電路的設(shè)計 3 HYPERLINK l bookmark125 o Current Document 4軟件設(shè)計流程及描述 84.1主程序流程圖 84.2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖 9 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 5源程序代碼9 HYPERLINK l bookmark131 o Current Document 6體會14 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 參考文獻151概述1.1設(shè)計數(shù)據(jù)采集器的意義數(shù)據(jù)采集器是一種具有現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集

9、、處理功能的自動化設(shè)備。具備實 時采集、自動存儲、即時顯示、即時反饋、自動處理、自動傳輸功能。為現(xiàn)場數(shù) 據(jù)的真實性、有效性、實時性、可用性提供了保證。數(shù)據(jù)采集器在各個領(lǐng)域中都有廣泛的運用，以后和有可能接觸到這些設(shè)備， 有必要深入的分析其工作原理，電路原理。同時設(shè)計一個簡單，實用的數(shù)據(jù)采集 器。完成這個課程設(shè)計也是讓我們在學(xué)習(xí)了模擬電路、數(shù)字電路、微機原理、單 片機等相關(guān)課程理論知識有一個融會貫通的過程。加深對理論知識的理解，以及 學(xué)會理論知識實際應(yīng)用的處理方法。為設(shè)計一個電子系統(tǒng)吸取經(jīng)驗，為今后的電 氣工程綜合設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下堅固的基礎(chǔ)。同時也是為了培養(yǎng)我們的動手能力，我們在即將畢業(yè)的前期積

10、累寶貴的實踐經(jīng) 驗。為以后工作培養(yǎng)良好的工作態(tài)度。以分組的形式，更是讓的我們深入理解了 團隊合作的重要性。1.2擔任的工作在題目分配下來以后，我們小組的人都非常積極，把課余時間都用在查閱資 料上，常常是穿梭在圖書館和寢室之間，努力為該課題查找有用的資料。課程設(shè)計正式開始以后我負責(zé)基本硬件部分的設(shè)計以及仿真電路圖的設(shè)計， 同時參與了部分程序的編寫。在仿真結(jié)果出來以后。參與了電路硬件的焊接。在 整個小組一直積極的參與這次設(shè)計。1.3數(shù)據(jù)采集器的主要功能我們的數(shù)據(jù)采集器采用的主要元件是AT89S51和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。其 主要功能是模擬采集信號，并對信號進行處理，最終顯示出來采集結(jié)果。首先

11、我 們的模擬信號采用電位器產(chǎn)生，供給ADC0809, ADC0809有8路數(shù)據(jù)輸入，也就 是8路模擬電壓信號。在AT89S51的控制下，實現(xiàn)按鍵轉(zhuǎn)換要求通道的電壓值。 通過AT89S51的計算輸出結(jié)果，顯示在4為共陽極數(shù)碼管上。2系統(tǒng)總體方案2.1設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計一由微機控制的A/D數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，該卡具有對8個通道上05V 的模擬電壓進行采集的能力，且可用鍵盤選擇轉(zhuǎn)換通道，選擇ADC0809作為A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。并在顯示器上動態(tài)顯示采集的數(shù)據(jù)。2.2系統(tǒng)方案設(shè)計ADC0809將05V模擬信號轉(zhuǎn)換為00FF數(shù)字信號并傳送51單片機，然 后由51單片機進行數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理，最終由LED顯

12、示器顯示。完成對模擬 信號的采集。如圖所示：圖2-2系統(tǒng)電路圖2.3系統(tǒng)框圖圖2-3系統(tǒng)框圖3硬件電路設(shè)計及描述3.1硬件系統(tǒng)設(shè)計原理A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809將05V模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳給AT89S51單片 機，然后由51單片機進行數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理，最終由數(shù)碼管顯示，從而完成 對模擬信號的采集。其硬件系統(tǒng)原理框圖如下圖所示：8 路模擬信號ADC0809A/D轉(zhuǎn)換單片機AT89S51數(shù)碼管 顯示圖3-1硬件系統(tǒng)原理框圖本系統(tǒng)中，以AT89S51單片機為運算和控制的核心，它具有4個8位并行 的I/O端P0P3，其中由P0 口控制數(shù)碼管顯示，P1 口控制信號輸入。8路模擬 量采集由A/D

13、轉(zhuǎn)換器ADC0809完成。3.2硬件系統(tǒng)各個電路的設(shè)計3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計1、A/D轉(zhuǎn)換器的選取選擇A/D轉(zhuǎn)換器件主要是從速度、精度和價格上考慮。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換 器在精度、速度和價格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。ADC0809是TI公 司生產(chǎn)的8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一個8位的逼近型的ADC部分，并帶 有8通道的模擬多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件，可以和單 片機直接接口，為模擬通道的設(shè)計提供了很大的方便。所以本設(shè)計中選用該芯片 作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心。2、ADC0809主要性能a）逐次比較型；b）CMOS工藝制造；c）單一電源供電；d）無需零點和

14、滿刻度調(diào)整；e）具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與TTL兼容；f）易與各種微控制器接口；g）具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)；h）分辨率：8位；i）功耗：15mW；j）最大不可調(diào)誤差小于1LSB （最低有效位）；k）轉(zhuǎn)換時間（fcLK 500KHz）128us;3、ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其特性ADC0809是CMOS工藝，采用逐次逼近法的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，28引腳雙列 直插封裝，片內(nèi)除8位A/D轉(zhuǎn)換部分外，還有8路模擬開關(guān)、三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存譯碼器等。它可以分別對8路05V模擬量輸入信號進行轉(zhuǎn)換，輸出 量由三態(tài)鎖存緩沖，可直接連到單片機的數(shù)據(jù)總線上。其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如下圖 所示：j+l I

15、STAET CLE0E20191881514IT4、ADC0809的引腳功能ADC0809的引腳圖如下圖所示:NS 風(fēng)一1N1虬一START EOC 小一 OE CLK REFGND 2-T IK,ADD AADD BADD CALE2J (MSB)II 12 13 141918J715丁3f 白(LSB) REF (-) 一華圖3-2-1-4 ADC0809的引腳圖1、AT89S51單片機的簡介AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k BytesISP（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ATME

16、L公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準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)供給高性價 比的解決方案。2、AT89S51引腳及功能介紹AT89S51引腳圖如下圖所示：PDIPP1.0E VCC140P1.1 匚239 PO.O ADO)P1.2 匚330 P0.1 fAD1；iP1.3E437 P0.2 (AD2)P1.4 匚536 P0.3 fAD3；i(MOSI) P1.5 匚635 P0.4 (AD4；i(MISO) P1.GE734 P0.5 fAD

17、5；i(SCK) P1.7E833 P0.6ADE)RSTE932 P0.7 (AD7)(RXD) P3.0C1031 EA-VPP(TXD) P3.1 E1130 ALE/PROG(INTO) P3.2 匚1229 PSEN(INT1) P33 匚1328 P2.7 (A15)(TO) P3.4 匚1427 PZ6 A 14)(T1) P3.5 匚152S PZ5 A 13)(WR) P3.6E1G25 P2.4 A12)(RD) P3.7E1724 P2.3 (A11；iXTAL2 匚1823 P2.2 (A10)E.L修-2-2-2 AT89引腳配置朋）GND匚2021 P2.0 fA8

18、j3、復(fù)位電路設(shè)計RES引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù) 24個振蕩周期（即兩個機器周期）以上。若使用頻率為6MHz的晶振，則復(fù)位信 號持續(xù)時間應(yīng)超過4us，才能完成復(fù)位。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù) 位兩種方式。本設(shè)計采用上電復(fù)位，如圖所示：圖3-2-2-3復(fù)位電路4、晶振電路設(shè)計AT89S51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器 的輸入端為XTAL1,輸出端為XTAL2,兩端跨接石英品體及兩個電容就可以構(gòu)成穩(wěn) 定的自激振蕩器，如圖所示。電容器C1和C2通常取30pF左右，可穩(wěn)定頻率并對 振蕩頻率有微調(diào)作用。本設(shè)計中采用6MHz的晶振

19、構(gòu)成單片機的時鐘電路。晶振 頻率也就是振蕩電路的脈沖頻率，也稱振蕩頻率。(振蕩脈沖頻率范圍為0式和等待延時方式，本設(shè)計采用查詢方式。通道基本地址為0000H0007H。模 擬量直接由ADC0809的IN0IN7 口輸入，數(shù)字量由ADC0809的2-1 (D0)2-8(D7) 輸出，并直接接到AT89S51單片機的I/O 口的P1 口，其他引腳連接如下圖所示:, 圖3-2-3 ADC0809與AT89S51單片機的硬件接口方式8路數(shù)據(jù)采集由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809完成，它具有8路模擬輸入端，05V 的直流信號送給ADC0809后，地址線（A、B、C端）決定對哪一路模擬輸入作A/D 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)

20、據(jù)由AT89S51單片機的P0 口讀入。3.2.4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)掃描顯示。顯示部分的原理圖如 下圖所示。顯示部分為4個共陽極的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PNP。顯示的 位數(shù)由P0.0P0.3 口控制。P2 口輸出位選碼，三極管是反向驅(qū)動器，當P2 口 位控制線輸出低電平時，點亮一位LED。PNPPNPALE-,.I，EM 5|EqcADDPLD 1Pl 6 7Pl.7 8NT 14RESET 9803110 ADD-A11 ADD B30 CLOdKPNPHEADER 9PNPVC

21、L：HEADER 9RESETb com4com3 g com2 c f dp a dF10FllP12P14P15P16INTIINTO阪D TXD ALE/PPSENcomlPOOP01P02P03P04P05P06P20P21P22P23P25P26圖3-2-4顯示部分的原理圖4、軟件設(shè)計流程及描述4.1主程序流程圖圖4-2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖5源程序代碼主程序：ORG 0100HMAIN： MOV SP,#60H;給堆棧指針賦初值MOV SCON,#50H;設(shè)置串口方式1控制字MOV TMOD,#21H;設(shè)置波特率為9600MOV TH1,#0FDHMOV TL1,#0FDH;給定

22、時器賦初值SETB TR1;啟動定時器CLR P1.7;清空 P1.7 口SETB P1.6;置 1P1.6LOOP： MOV R0,#0FFH;在寄存器R0中寫入FFMOV R4,#00H;清空寄存器R4LOOP1： MOV A, R4;將寄存器R4的值送入累加器ASWAP A；交換A中的值A(chǔ)NL A, R4;將A與R4中的值相與MOV R2, A;將A的值放入寄存器R2,發(fā)送指令內(nèi)容MOV TDH,R4LCALL FAS ;調(diào)用發(fā)送子程序LCALL SJCLMOV R7,#064HXH: LCALL DISPLAYDJNZ R7,XH ;調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序INC R0INC R4CJNE

23、 R4,#08H,LOOP1AJMP LOOP數(shù)碼管顯示子程序：DISPLAY: MOV DPTR,#DISTABMOV R3,#01HMOV R1,#TDHDPLOP: MOV A,R1MOVC A,A+DPTRMOV P2,R3MOV P0,ACJINE R3,#02H,DPNEXTSETB P0.7DPNEXT: MOV A,R3RL AMOV R3,AINC R1LCALL DS1MCLR P0.7CJINE R3,#10H ,DPLOPMOV P0,#00H ;一次顯示結(jié)束，P0 口復(fù)位MOV P2,#00H ;P2 口復(fù)位RET發(fā)送子程序：FAS： SETB P1.7MOV A,

24、R2MOV SBUF,A;發(fā)送數(shù)據(jù)LCALL DSIMCLR P1.7CLR TR0MOV TH0,#3CHMOV TL0,#0B0HSETB TR0;啟動定時器0S1： JB R1,S2CLR TI;等待接受JNB TF0,S1CLR TF0CLR TR0MOV TH0,#3CHMOV TL0,#BOH;給定時器0設(shè)初值SETB TR0S0： DJNZ CUOWU,FASMOV CUOWU ,#04HLCALL BAOJING;跳到報警程序S2： MOV A, SBUFMOV ZCI,ACLR RICLR TR0CLR TF0MOV TH0,#3CHMOV TL0,#0B0HSETB TR0S3：JB RI ,S4JNB TF0, S3CLR TF0CLR TR0MOV TH0,#3CHMOV TL0,#0B0HSETB TR0DJNZ CUOWU,FASMOV CUOWU,#04HLCALL BAOJING ；跳到報警程序S4：MOV A,SBUFMOV ZC2,ACLR RICJNE A,ZC1,S