【正文】 硬件設(shè)計(jì) 采用 STC89C52RC 單片機(jī)為控制核心，運(yùn)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，而輸出部分則采用的是鎖存器74HC574，和 撥動(dòng) 開關(guān)作為開關(guān)控制 ,完成了 離散量采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。微機(jī)在通用自動(dòng)化、信息處理、信息系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用。在冶金、化工、醫(yī)療等應(yīng)用場(chǎng)合，需要對(duì)很多信號(hào)進(jìn)行采集，預(yù)處理，暫存和 傳輸。 采用RS232 進(jìn)行串口通信， 可以通過電腦來控制繼電器實(shí)現(xiàn)離散量采集方法的控制。 data acquisition system。如今的離散數(shù)據(jù)采集已經(jīng)達(dá)到了一定水平。那么這是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法是達(dá)不到這一要求的，但是利用電腦來采集這些數(shù)據(jù)就可以達(dá)到這樣的要求。通過微型計(jì)算機(jī)所有的軟、硬件資源都可以用來支持系統(tǒng)進(jìn)行工作。 （ 4）在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的可靠性差，對(duì)安放環(huán)境要求高。 （ 2）系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與配置規(guī)模都是以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能要求為原則。 這是一種近年來隨著單片機(jī)出現(xiàn)而在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中迅速發(fā)展的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。 （ 2）系統(tǒng)配置靈活，易構(gòu)成各種大中型測(cè)控系統(tǒng)。在根據(jù)設(shè)計(jì)的的要求就選擇第四種基于混合型計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)。 弱電控制強(qiáng)電技術(shù) 強(qiáng)電和弱電從概念上講，一般是容易區(qū)別的，主要區(qū)別是用途的不同。無線電則以電磁波傳輸。由于現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，弱電 己滲透到強(qiáng)電領(lǐng)域，如電力電子器件、無線遙控等，但這些只能算作強(qiáng)電中的弱電控制部分，它與被控的強(qiáng)電還是不同的 。他們被 用 于自動(dòng)化的測(cè)試中，為其它測(cè)試裝備采集數(shù)據(jù)、控制和循環(huán)檢測(cè)信號(hào)。 20 世紀(jì) 70年代中后期 ， 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) 。 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)得到了極大的發(fā)展 ， 開始出現(xiàn)了通用的沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 。 第二類以數(shù)據(jù)采集卡 、 標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成 ， 例如： STD總線系統(tǒng)就是這一類的典型代表 。 這兩種系統(tǒng)中 ， 如果采集測(cè)試任務(wù)改變 ， 只需將新的儀用電纜接入系統(tǒng) ， 或?qū)⑿驴ㄔ偬砑拥綄Ｓ玫臋C(jī)箱即可完成硬件平臺(tái)重建 。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAS）。該階段并行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、模塊化和 即插即用方向發(fā)展，典型系統(tǒng)有 VXI 總線系統(tǒng)， PCI、 PXI總線系統(tǒng)等 ,數(shù)據(jù)位已達(dá)到 32位總線寬度 ,采樣頻率可以達(dá)到 100MSps[1]。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物理層通信，由于采 用 RS48雙絞線、電力載波、無線和光纖，所以其技術(shù)得到了不斷發(fā)展和完善。 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。軟件部分由 C語言單片機(jī)編程和 VB 編程，單片機(jī)的軟件編程完成 16 路輸入和 16 路輸出。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。由上位機(jī)與下位機(jī)串口數(shù)據(jù)通信來發(fā)送控制指令，來對(duì)數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行控制。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(cuò)誤的必要條件； （ 4） 可擴(kuò)展性； （ 5） 操作性能好，方便用戶使用。 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 上 位 機(jī)離 散 量 采 集電 路單 片 機(jī) 輸 出 圖 方案一設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)框圖 圖 中， 在這一方案中，是單片機(jī)和上位機(jī)一種由上位機(jī)向下位機(jī)的單向傳輸方式。 方案 2 的電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。所以這也是不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)的。所以本設(shè)計(jì)采用方案三。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。 上 位 機(jī)單 片 機(jī)串 口1 6 路 輸 入 緩 存光 電 隔 離多 路 開 關(guān)時(shí) 鐘1 6 路 輸 出 緩存復(fù) 位 電 路電 源 電 路 圖 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 單片機(jī)模塊 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 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(chǔ)器的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 單片機(jī)內(nèi)部功能模塊和引腳圖分別如圖 、圖 所示。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。 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 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。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)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。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。 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。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加12V 編程電源（ VPP）。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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(chǔ)器； (3) 1000 次擦寫周期； (4) 全靜態(tài)操作： 0HZ24HZ； (5) 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； (6) 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM； (7) 32 個(gè)可編程 I/O 接口線； (8) 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； (9) 5 個(gè) 中斷源； (10) 可編程串行 UART 通道； (11) 低功耗空閑和掉電模式。其次選擇 USB 是考慮到它的一下有點(diǎn)： （ 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。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(jī)的情況下才能插拔外圍設(shè)備。 （ 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)?。因此，時(shí)鐘頻率和質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性。 該反相放大器的輸入端為引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。晶振頻率選擇 。 單片機(jī)在啟動(dòng) 運(yùn)行時(shí)，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(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作 ，只要給 RESET 引腳加上 2 個(gè)及其周期以上的高電平信號(hào)，就可使 MCS51 單片機(jī)復(fù)位。 單片機(jī)復(fù)位方式由上電自動(dòng)復(fù)位和手工復(fù)位兩種，本設(shè)計(jì)采用的是手工按鈕復(fù)沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 位，其電路圖如圖 所示。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。 在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用如圖 所示。 其引腳圖、原理圖及功能表分別如圖 、圖 、表 所示。當(dāng)單片機(jī)的 和 口發(fā)出低電平時(shí)，芯片導(dǎo)通，信號(hào)從芯片的輸入端傳到輸出端；當(dāng)發(fā)出高電平時(shí)，芯片呈現(xiàn)高阻態(tài)，信號(hào)暫寄存在芯片74HC541 的輸入端。鎖存器是 把若干個(gè)鐘控D 觸發(fā)器的控制端 CP 連接起來，用一個(gè)公共的控制信號(hào)來控制，而各個(gè)數(shù)據(jù)端仍然是各自獨(dú)立地接收數(shù)據(jù) 的元器件 。通常只有 0和 1 兩個(gè)值。 從功能表中可以看出，當(dāng) ENA 為低， ALE 為上升沿時(shí)芯片導(dǎo)通，當(dāng) ENA 為高時(shí)，芯片則呈現(xiàn)高阻態(tài)。 圖 74HC574 電路圖 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 串口模塊 通信方式介紹 數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。 從通信雙方信息的交互方式看，串行通信方式可以有以下三種： （ 1）單工通信。半雙工通信線路簡(jiǎn)單，有兩條通信線就行了， 這種方式得到廣泛應(yīng)用。通信線至少三條（其中一條為信號(hào)地線），或四條（無信號(hào)地線）。單片機(jī)輸出和輸入為 TTL 電平，其中高電平為 +15V，低電平為 0V。它是由 MAXIM 公司生產(chǎn)的、包含兩路接受器和驅(qū)動(dòng)器的 IC 芯片，它的內(nèi)部有一的電源電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的 +5V 電源電壓變換為 RS232 輸出電平所需的 +10V 電壓。 圖 MAX232 引腳圖 圖 MAX232 原理圖 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 如圖 和圖 所示，芯片上半部分電容 C C C C4 及 V+， V— 是電源變換電路部分。實(shí)際應(yīng)用中 ,T1IN、 T2IN 可直接連接 TTL∕ CMOS 電平的 51 單片機(jī)串行發(fā)送端 TXD； R1OUT、 R2OUT可直接連接 TTL∕ CMOS 電平的 51 單片機(jī)串行接收端 RXD； T1OUT、 T2OUT可直接連接 PC機(jī)的 RS232 串行的接收端 RXD； R1IN、 R2IN可直接連接 PC 機(jī)的 RS232 串口的發(fā)送端 TXD。同時(shí) R1OUT連接單片機(jī)的 RXD引腳， PC機(jī)的 RS232發(fā)送端 TXD 對(duì)應(yīng)接 R1IN 引腳。 表 器件表 器件名稱 型號(hào)／規(guī)格 數(shù)量 萬能板 150*150mm 1 單片機(jī) STC89C52RC 1 晶振 1 陶瓷電容 20P 4 電解電容 10u 2 電容 104 8 電容 10u 1 按鍵 5*5m 4 撥動(dòng)開關(guān) 4 發(fā)光二極管 2 電阻 10K 4 電阻 1K 2 MAX232 16PIN 1 USB 接頭 4PIN 1 74HC541 1 74HC574 1 TLP5214 1 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī) 軟件設(shè)計(jì) 流程 一般 分為 下列步驟： （ 1） 分析系統(tǒng)對(duì)軟件的要求； （ 2） 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)，包括程序整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)即將程序劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊； （ 3） 畫出每一個(gè)專用模塊的詳細(xì)流程圖，并選擇合適的語言編寫程序； （ 4） 按照軟件總體設(shè)計(jì)時(shí)給出的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊連接成一個(gè)完整的 程序 ； 在主程序的設(shè)計(jì)中要合理地調(diào)用各模塊程序，特別注意各模塊的入口、出口及對(duì)硬件的資源占用情況。模塊之間的相互獨(dú)立也有助于研制任務(wù)的分解和設(shè)計(jì)人員之間的分工合作，這樣可提高工作效率和儀表的研制速度。下面是對(duì)這兩種語言的介紹。用 C 語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，以研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。采用 C 語言也不必對(duì)單片機(jī)和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，編譯器可以自動(dòng)完成 變量的存儲(chǔ)單元的分配，編譯者就可以專注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)，大大加快軟件的開發(fā)速度。如需快速控制時(shí)，可用匯編語言，如采樣， A/D 轉(zhuǎn)換等；而用 C 語言編寫數(shù)據(jù)處理程序及人機(jī)界面程序，可以充分利用 C 語言的庫函數(shù)。 下位機(jī) 軟件 方案設(shè)計(jì) 該課題設(shè)計(jì)的單片機(jī)程序見附錄 II。 其通信指令格式如表 所示。 初始化程序設(shè)計(jì)部分 將單片機(jī)先進(jìn)行初始化，清空 輸入和輸出的緩沖區(qū)，定義初始狀態(tài)為命令狀態(tài)，設(shè)置波特率為 9600 的定時(shí)器 1 方式 2 和初始值，啟動(dòng)定時(shí)器，設(shè)置串行口方式，允許中斷。采用中斷技術(shù)，完全消除了 CPU 在查詢方式中的等待現(xiàn)象，大大提高勒 CPU 的工作效率。 其中斷程序流程圖如圖 所示。這三個(gè)部分是互相排斥的，也就是說這三種輸出方式只能選一種來運(yùn)行。選中了一種采集方式后，數(shù)據(jù)就會(huì)按要求實(shí)時(shí)采集進(jìn)來，顯 示在對(duì)應(yīng)的文本框中。結(jié)束按鈕是結(jié)束數(shù)據(jù)的輸出和輸入部分。 Keil 軟件開發(fā)平臺(tái)及介紹 隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普通實(shí)用匯編語言到逐漸實(shí)用高級(jí)語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展。這樣避免了過去先用編輯器進(jìn)行編輯，然后退出編輯狀態(tài)進(jìn)行編譯，調(diào)試后又要調(diào)用編輯器的重復(fù)過程，因此可以縮短開發(fā)周期。 Vision2支持軟件模擬仿真 ，并且 不需要任何單片機(jī)硬件即可完成程序仿 真調(diào)試，極大地提高了開發(fā)效率， 也為 用戶節(jié)省 了 購買昂貴硬件仿真器的費(fèi)用 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 調(diào)試分析 由于整體調(diào)試必須要在軟件調(diào)試成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行，所以首先進(jìn)行軟件調(diào)試。 完成軟件調(diào)試后，方可進(jìn)行整體調(diào)試，這就需要在采集板上進(jìn)行實(shí)際的操作。 調(diào)試分析 本次設(shè)計(jì)的將調(diào)試步驟規(guī)定如下 （ 1） 先對(duì)輸入和輸出模塊進(jìn)行調(diào)試，看是否能正常的輸入輸出數(shù)據(jù)； （ 2） 完成后再往單片機(jī)里寫入一個(gè)簡(jiǎn)單的輸出高電平程序，測(cè)試單片機(jī)是否好用； （ 3） 對(duì)串口通信模塊進(jìn)行調(diào)試，加入串口通信程序，并連接好 RS232 線，用調(diào)試工具收發(fā)信息并調(diào)試； （ 4） 將整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路連接上，程序燒寫到單片機(jī)里，與電腦連接，測(cè)試是否能接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)； （ 5） 將整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路