多路数据采集系统设计

1/17前言随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。随着工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。此外，计算机的发展对通信起了巨大的推动作用.计算机和通信紧密结合构成了灵活多样的通信控制系统，也可以构成强有力的信息处理系统,这样对社会的发展产生了深远的影响。数据通信是计算机广泛应用的必然产物。数据采集系统，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。数据采集系统一般由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印，显示，绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。在本毕业设计中对多路数据采集系统作了基本的研究。本系统主要解决的是怎样进行数据采集以及怎样进行多路的数据采集。第1章任务分析1．1设计任务：设计一个多路数据采集系统，具体指标如下：1采用AT89S51及ADC0809设计多路数据采集系统；2多通道输入信号由+5V电压经分压后至IN0至IN7；3采集处理后的数据由4位数码管动态显示；4必须具有上电自检功能及外接电源、公共地线接口。根据系统基本要求，将本系统划分为如下几个部分：8路模拟信号的产生与A/D转换器2/17显示位数：4位发送端的数据采集与传输控制器数据传输接口电路序编写系统初始化主程序、显示子程序及其他所需要子程。第2章硬件系统设计2．1硬件系统设计原理本系统采用AT89S51单片机为运算和控制的核心,AT89S51有P0、P1、P2、P3四个8位的并行双向I/O口，P0口用于控制LED信号灯的显示，P1口控制信号输入表1数码管显示真值表显示字符012345678共阴极段选码3F065B4F666D7D077F显示字符9ABCDEF-熄灭共阴极选段码6F777C395E797140002．2AT89S51单片机简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：•兼容MCS-51指令系统•4k可反复擦写(1000次）ISPFlashROM•32个双向I/O口•4.5-5.5V工作电压•2个16位可编程定时/计数器•时钟频率0-33MHz•全双工UART串行中断口线•128x8bit内部RAM•2个外部中断源•低功耗空闲和省电模式•中断唤醒省电模式•3级加密位•看门狗（WDT）电路•软件设置空闲和省电功能3/17•灵活的ISP字节和分页编程•双数据寄存器指针2．3硬件系统原理框图硬件系统原理框图由5部分组成：AT89S51、晶振电路、复位电路、控制电路和输出电路。图1硬件系统原理图2．4硬件系统各电路设计2.4.1复位电路设计AT89S51有复位信号引脚RET，用于从外引入复位信号。单片机基本复位电路共有上电复位、按键电平复位、按键脉冲复位3种，本设计采用上电复位。复位电路用于产生复位信号，通过RET引脚送入单片机，进行复位操作。电阻采用10K，电容采用22uF。如图2所示。上电瞬间，RST端的的电位与Vcc相同，随着电容的逐步充电，充电电流减小，RST电位逐渐下降。上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期，在这段时间里，振荡建立时间不超过10ms。复位电路的典型参数为：C取10uF,R取8.2k,故时间常数=RC=101068.2103=82ms图2复位电路2.4.2晶振电路设计AT89S51单片机芯片中的高增益反向放大器，其输入端为引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。通过这两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容器。石英晶体为一感性元件，与电容构成振荡回路，为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器。晶振频率是指晶体的振荡频率，也就是振荡电路的脉冲频率，也称振荡频率。晶振频率是单片机的一项重要性能指标。因为单片机的时钟信号是通过振荡信号分频得到的，所以竞争频率直接影响时钟信号的频率。晶振频率高，系统的时钟频率就高，单片机运行速度也就快。然而晶振频率高对存储器等的速度和印刷图3晶振电路AT89S51单片机晶振电路复位电路控制电路输出电路4/17电路板的工艺要求也高。晶振频率不但影响速度，而且对单片机的工作电流也有一定影响，所以在选择晶振频率是，要兼顾速度、功耗和线路工艺。本设计选用频率为6MHz的晶振，电容选用30pF，具体设计如图3所示。2.4.3A/D转换器的选取ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本题中选用查询方式。A/D转换器有一个转换结束信号（EOC），因此可以用查询方式去定转换是否完成。按原理图所示电路，可以用“JNBP3.3,$”之类的指令来查询由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚得脉冲频率是8051时钟频率的1/6。该题目中单片机时钟频率采用6MHz,则ALE输出的频率是1MHz，符合ADC0809对频率的要求。由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P3口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。通道基本地址为0000H～0007H。其对应关系如表2所示控制信号：将P3.5作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P3.5控制ADC的地址锁存和启动转换。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的P3.5引脚经或非门后，产生正脉冲作为OE信号，用一打开三态输出锁存器。ADDCADDBADDA输入通道号000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表20809输入通道地址5/172.4.4ADC0809内部功能与引脚介绍分辨率和精度在第一章中已作了相应的计算和分析。ADC0809八位逐次逼近式A／D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。其内部结构如图2-2所示。1.ADC0809主要性能逐次比较型CMOS工艺制造单电源供电无需零点和满刻度调整具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容易与各种微控制器接口具有锁存控制的8路模拟开关分辨率：8位功耗：15mW最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）转换时间（500CLKfKHz）128us转换精度：0.4%ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为10～1280kHz。典型时钟频率为640kHz2.引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图5所示。图5ADC0809引脚列各引脚的功能如下：IN0～IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入0～5V待转换的模拟电压。D0～D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。图4ADC0809内部结构6/17A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100～200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100μs。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为＋5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用＋5V单一电源供电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0～D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。2.4.5输出电路设计输出电路采用数码管显示，显示方法为动态显示。显示部分为4个共阴极的7段LED显示器，4个七段LED的a～dp字段的引脚分别由4个OC门同相驱动器驱动。OC门驱动器用三极管。P2口输出位选码，三极管是反向驱动器，P2口正逻辑输出的位控制与共阴极LED要求的低电平点亮正好相反，即当P2口位控制线输出高电平时，点亮一位LED。显示部分的原理图如下图所示。图3显示电路原理图7/17第3章软件系统设计3、1主程序流程图8/173、2A/D转换流程图NY3-2A/D转换子程序流程图开始置数据区指针初值指向通道0置通道数启动A/D转换等待转换完成读以A/D转换结果储存于数据区指向下一个通道修改数据区指针结束8个通道转换完否？9/17查询方式实现A/D转换8路数据采集由于A\B\C选通道只有一路数据，每次只能采集一路数据然后单片机进行数据处理，由数码管输出显示后再进行下一次数据采集。3、3单片机数据处理的程序如下：MMOOVVBB,,##110000DDIIVVAABBMMOOVV5500H