【正文】 數(shù)據(jù)采集設(shè)備聯(lián)在一起，以實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在線實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。 課題任務(wù)離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能為：完成16路離散量采集輸入，16路輸出。離散量采集系統(tǒng)的組成：離散采集系統(tǒng)由硬件，軟件兩大部分組成。硬件由下位機，上位機兩部分組成。下位機由52單片機，單片機最小系統(tǒng)（晶振電路、復(fù)位電路、電源電路），緩沖器，鎖存器，MAX232，串口電路組成，開關(guān)，光電耦合。上位機程序為VB編程。軟件部分由C語言單片機編程和VB編程，單片機的軟件編程完成16路輸入和16路輸出。設(shè)計的目標(biāo)：（1） 硬件設(shè)備選型，軟件編程；（2） 需要考慮各種意外因素，例如人為因素，斷電等；（3） 要求用protel原件設(shè)計出系統(tǒng)的原理圖；（4） 制作出兩路的演示電路板；（5） 保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的措施。本課題主要是完成離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，其中下位機接受來自上位機發(fā)出的指令，來按照上位機的要求來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，具體內(nèi)容安排如下：第1章為緒論，著重介紹了基于單片機數(shù)據(jù)采集器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。提出了本課題的研究意義，說明了本文所要研究的問題及目標(biāo)；第2章為系統(tǒng)整體方案設(shè)計，詳細(xì)介紹制作初期對各個組成部分方案的論證和選擇，不同方案的優(yōu)缺點都做了一定的介紹，對所選擇的方案做了比較詳細(xì)的說明；第3章是硬件設(shè)計，根據(jù)任務(wù)書的要求，主要介紹了控制電路的設(shè)計，電路原理，以及它在整個系統(tǒng)中的地位和作用；第4章是軟件設(shè)計部分，介紹了軟件設(shè)計所用的C語言、系統(tǒng)的主流程圖和子函數(shù)的流程圖。具體程序見附錄；第5章是系統(tǒng)調(diào)試部分，分部分介紹了系統(tǒng)調(diào)試的過程以及調(diào)試過程中遇到的問題，解決的方法等；第6章是結(jié)論，總結(jié)了本課題中所研究的問題和不足之處。2 系統(tǒng)方案設(shè)計離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計是有上位機與下位機之間通過電腦串行數(shù)據(jù)口相連。上位機發(fā)出指令，控制下位機采集數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)自動化的采集數(shù)據(jù)方式。由上位機與下位機串口數(shù)據(jù)通信來發(fā)送控制指令，來對數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行控制。 離散數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本次設(shè)計方案應(yīng)符合以下原則：（1）經(jīng)濟(jì)合理。系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，一定要注意在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能的減少成本；（2）安全可靠。選擇元器件時要考慮到周圍環(huán)境的影響，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠；（3）有足夠的抗干擾能力。有完善的抗干擾能力，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件；（4）可擴展性；（5）操作性能好，方便用戶使用。 方案選擇根據(jù)課題的要求，本系統(tǒng)是通過上位機給下位機發(fā)指令，讓下位機開始以某種方式采集離散量。本文設(shè)計了3套方案，并分析了各種方案的優(yōu)缺點，最后給出了合適的方案。 方案一設(shè)計電路結(jié)構(gòu)框圖，在這一方案中，是單片機和上位機一種由上位機向下位機的單向傳輸方式。那么這樣下位機可以接收到由上位機發(fā)來的指令，開始遵照上位機的指令開始工作，如開始以某種方式接收離散量數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。該方案的優(yōu)點是電路比較簡單，操作方便，但是該方案的缺點也很明顯，單片機接受到數(shù)據(jù)之后不能返還給上位機，那么這樣上位機就不能得到數(shù)據(jù)，就不能對數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，計算，暫存以及各種處理等。不能很好達(dá)到課題設(shè)計要求。 方案二設(shè)計電路結(jié)構(gòu)框圖，是由下位機與上位機的一種單向傳輸。這樣可以彌補上一個方案采集數(shù)據(jù)發(fā)送不到上位機上的弊端，但是這個方案的缺點也是很明顯的。就是它忽視了上位機更重要的用途，即對下位機的控制功能。所以這也是不能達(dá)到設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)的。 方案三設(shè)計電路結(jié)構(gòu)框圖方案3是一個比較成熟的方案，它通過MAX232實現(xiàn)下位機和上位機的雙向連接，實現(xiàn)了下位機與上位機的一種雙向傳輸方式。即可以讓下位機接收到上位機發(fā)來的命令指令和控制指令，也可以上下位機采集到的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)缴衔粰C，讓上位機可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的處理。所以本設(shè)計采用方案三。本文所設(shè)計的離散量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件體積小、精度高、性能穩(wěn)定、操作方便、運行操作簡單、設(shè)計成本較低。由于采用的器件都是已經(jīng)非常普遍的器件，大多數(shù)已經(jīng)批量生產(chǎn)，并且價格也十分低廉，如STC89C52RC單片機、74HC5474HC574和MAX232等。這就意味著所選擇使用的器件功能比較強大、穩(wěn)定，尤其是本次設(shè)計的核心元件STC89C52RC單片機，軟件配合度高，并具有種類齊全的支持芯片。這類微處理器既可用作控制器又適合于做數(shù)據(jù)處理，而且成本也甚是低廉。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)課題要求，設(shè)計采用STC公司的STC89C52RC單片機為處理器，運用TLP521進(jìn)行光電隔離，采用八位三態(tài)同相輸出總線緩沖器74HC541為輸入緩沖部分，而輸出緩沖部分則采用的是鎖存器74HC574，由撥動開關(guān)作為開關(guān)控制。另外，作為下位機系統(tǒng)，需要與上位機進(jìn)行通信，共同制定通信標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計采用的是RS232來進(jìn)行串口通信，MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。整體設(shè)計的方案原理圖見附錄1。 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 STC89C52RC介紹STC89C52RC（如圖210所示）是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中。為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。、。 51單片機內(nèi)部功能塊P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(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門電流。P1口管腳寫入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平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，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，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)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“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。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時當(dāng)8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0R7）的狀態(tài)。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。主要性能參數(shù)介紹如下：(1) 與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；(2) 4K字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃爍存儲器；(3) 1000次擦寫周期；(4) 全靜態(tài)操作：0HZ24HZ； (5) 三級加密程序存儲器；(6) 128*8字節(jié)內(nèi)部RAM；(7) 32個可編程I/O接口線；(8) 2個16位定時/計數(shù)器；(9) 5個中斷源；(10) 可編程串行UART通道；(11) 低功耗空閑和掉電模式。 51單片機引腳圖 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)由電源電路、晶振電路及復(fù)位電路構(gòu)成，它是單片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)的核心部分，也單片機平臺開發(fā)的基礎(chǔ)。其余的外部功能電路都是在這個最小電路的基礎(chǔ)上再開發(fā)出來的。電源電路 電源電路本設(shè)計的電源通過計算機的USB口供給，使用套件提供的USB,A轉(zhuǎn)B口電纜連接計算機USB口與設(shè)計板即可。其次選擇USB是考慮到它的一下有點：（1）USB為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于使用的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。這樣一來就簡化了USB外設(shè)的設(shè)計，同時也簡化了用戶在判斷哪個插頭對應(yīng)哪個插槽的任務(wù)，實現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。（2）整個的USB的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源。（3）USB支持熱插拔和PNP，也就是說在不關(guān)閉PC的情況下可以安全的插上的斷開USB設(shè)備，計算機系統(tǒng)動態(tài)地檢測外設(shè)的插拔，并且動態(tài)地加載驅(qū)動程序。其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn)，如SCSI設(shè)備等必須在關(guān)掉主機的情況下才能插拔外圍設(shè)備。（4）USB在設(shè)備供電方面提供了靈活性。USB直接連接到Hub或者是連接到Host的設(shè)備可以通過USB電纜供電，也可以通過電池或者其他的電力設(shè)備來供電，或者用兩種供電方式的組合，并且支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。（5）。（6）為了適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求，USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸、中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步傳輸?shù)取＃?）USB的端口具有很靈活的擴張性。時鐘電路 晶振電路時鐘電路用于產(chǎn)生MCS51單片機工作時所必須的時鐘信號。時鐘是時序的基礎(chǔ)，為保證同步工作方式的實現(xiàn)，單片機應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下，嚴(yán)格地按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。因此，時鐘頻率和質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有內(nèi)部時鐘和外部時鐘方式。本系統(tǒng)使用的是內(nèi)部時鐘方式。單片機片內(nèi)由一個反向放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時鐘。該反相放大器的輸入端為引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳外接石英晶體振蕩器作為定時元件，內(nèi)部反向放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘。C1，C2對頻率有微調(diào)作用。C1和C2值選擇為30PF。在實際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近。 復(fù)位電路RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，高電平有效。復(fù)位是單片機的初始化操作。單片機在啟動運行時，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，只要給RESET引腳加上2個及其周期以上的高電平信號，就可使MCS51單片機復(fù)位。復(fù)位相當(dāng)于系統(tǒng)的重新啟動，可以擺脫系統(tǒng)錯誤或死鎖狀態(tài)。只要該引腳保持高電平，單片機便循環(huán)復(fù)位，當(dāng)該引腳變低后，單片機由ROM的0000H開始執(zhí)行程序。復(fù)位操作不影響內(nèi)部RAM的內(nèi)容。單片機復(fù)位方式由上電自動復(fù)位和手工復(fù)位兩種，本設(shè)計采用的是手工按鈕復(fù)位。 復(fù)位電路 輸入輸出模塊 光電隔離模塊光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號,，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強弱電接口，特別是在微機系統(tǒng)的