【正文】 圖 33 單片機時鐘和復(fù)位電路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 在我們所采集的信號中大多是連續(xù)變化的物理量，而要對各種信號進行處理 ,則需要將其轉(zhuǎn)換為計算機能處理的數(shù)字量， A/D 轉(zhuǎn)換器就是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計算機能接受的數(shù)字量。看門狗定時器就會產(chǎn)生計數(shù)溢出信號，該信號和處理器的復(fù)位引腳相連，因此就會自動復(fù)位微處理器，應(yīng)用系統(tǒng)重新啟動和繼續(xù)工作。這樣，就要求單片機或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)能夠自動檢測到并能自動重新復(fù)位或啟動系統(tǒng)，保障應(yīng)用系統(tǒng)正常工作。第 9 引腳為復(fù)位輸入端 ,接上電容 ,電阻構(gòu)成上電復(fù)位電路。 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 7 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40JP2AT89C52 圖 31AT89C52 單片機的引腳圖 AT89C52 單片機時鐘和復(fù)位電路 的設(shè) 計 AT89C52 單片機為 40 引腳雙列直插芯片 ,有四個 I/O 口 P0,P1,P2,P3, MCS51 單片機共有 4 個 8 位的 I/O 口（ P0、 P P P3），每一條 I/O 線都能獨立地作輸出或輸入。同時， AT89C52 降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式。單片機要使用特定的組譯和編譯軟件編譯程序，再用 keiluvision2 把程序下載到單片機內(nèi)。由于此處輸入信號 多種多樣 ， 不能一一列舉， 所以本文并 未 詳細討論。 顯示模塊： 采用四位一體共陰 LED 數(shù)碼管用來顯示采 集到的數(shù)值。 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集八路模擬信號。而單片機是該系統(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)。 70 年代初，隨著大規(guī)模集成電路及計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是微處理器及高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的誕生，數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的改變。 （ 3） 應(yīng)將硬件結(jié)構(gòu)和軟件相結(jié)合。 （ 4） 該系統(tǒng)要具有準確性、可靠性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)采用的是 AT89C52單片機，此芯片功能比較強大，能夠滿足設(shè)計要求。作為測控系統(tǒng)至關(guān)重要的部分 ,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能直接影響到整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。它是對傳感器信號的測量與處理 , 以微型計算機等高技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。 受需求牽引，新一代機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿足飛行實驗應(yīng)用也在快速地發(fā)展。 我國的數(shù)字地震觀測系統(tǒng)主要采用 TDE124C 型 TDE224C 型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這就使得以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集技術(shù)儼然已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 [4]。第二類以標準總線、數(shù)據(jù)采集卡和計算機構(gòu)成，這一類主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。從 70 年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在以后發(fā)展過程中逐漸演變成為兩類，一類是工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一類是實驗室的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [2]。由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)具有高速和靈活等特性，可以滿足許多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務(wù)，因而得到了人們的初步認可。 8 路被測電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串行口 RS485 傳輸?shù)缴衔粰C，由上位機負責(zé)數(shù)據(jù)的接受、處理和顯示，并用 LED 數(shù)碼顯示器來顯示所采集的結(jié)果。 存檔日期： 存檔編號： 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 論 文 題 目： 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 姓 名： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級 、 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 江 I 摘 要 本文介紹了基于單片機的 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，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，它的存在具有著非常重要的作用。 本系統(tǒng)下位機負責(zé)數(shù)據(jù)采集并應(yīng)答主機的命令。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于 20 世紀 50 年代， 1956 年美國最先在軍事上研究的數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，目標是測試過程中不依靠相關(guān)的測試文件，由非熟練人員進行操作，并且是由測試設(shè)備自動控制高速完成測試任務(wù)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)良的性能，超過了傳統(tǒng)的專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動檢測儀表，因而獲得了高速的發(fā)展。這類系統(tǒng)不僅在實驗 室獲得了較多的應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)中也有一定程度的應(yīng)用。隨著集成電路制造技術(shù)的提高，出現(xiàn)了高性能、可靠性較高的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAS）。相較于數(shù)據(jù)采集板卡功能和成本的限制，單片機具高效率、高性能、低電壓、 低功耗、低價格、多功能等優(yōu)點，而雙單片機又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c同時進行采集，因此能夠開發(fā)出能滿足實際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。多數(shù)領(lǐng)域都用到了數(shù)據(jù)采集，在飛機飛行、石油勘探、科學(xué)實驗、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。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、 200HZ [5]. 美國 PASCO 公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實驗的嶄新系統(tǒng)，它主要由 3 部分組成： （ 1） 傳感器：利用先進的傳感技術(shù)可實時采集物理實驗中各種物理量； （ 2） 計算機接口：將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號輸入計算機，采樣速率最高為 25 萬次 /S； （ 3） 軟件：英文及中文的應(yīng)用軟件 [6]。 該課題研究的主要內(nèi)容 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、處理以及控制等問題。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)不可缺少的 環(huán)節(jié) ,大多 采用一些功能相對獨立的專用單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)其控制功能。這樣用戶可以在上位機上編寫各種程序?qū)ξ募械臄?shù)據(jù)進行有效查詢和分析 ,有利于工業(yè)過程的長期正常運行和檢查。 （ 3） 能夠控制信號的采集、處理、顯示等。 （ 2） 系統(tǒng)外圍設(shè)備的配置要滿足系統(tǒng)的功能要求，留有余地，以便進行改進。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。 在本系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而 A/D 是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，它需要考慮的指標有：分辨率、轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換誤差等等。而數(shù)據(jù)的顯示則采江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 5 用的是 LED 數(shù)碼管，該器件比較簡單，在生活中接觸也較多。 其中： AT89C52 ( 主控芯片 ) : CPU 作為該系統(tǒng)的核心控制芯片 , 起采集、控制顯示的作用。 系統(tǒng)框圖如圖 21 所示： 信號采集電路A / D轉(zhuǎn)換單片機R S 4 8 5P C鍵 盤顯 示 圖 21 系統(tǒng)框圖 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 6 3 硬件部分 信號采集過程中，被測量一般由傳感器供給，常為微弱信號，需要對其進行適當?shù)恼{(diào)整。此系統(tǒng)是由 CPU、 輸入輸出電路（ I/O 口），還包括定時 /計數(shù)器、串行通信口、顯示驅(qū)動電路（ LCD 和 LED 驅(qū)動電路）、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一個單塊芯片上，構(gòu)成了一個最小但完善的計算機任務(wù)。 AT89C52 單片機 主要 特性 AT89C52 提供以下標準功能： 8k 字節(jié) FLASH 閃速存儲器， 256 字節(jié)片 內(nèi)RAM， 32 個 I/O 口線，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)， 2 個 16 位定時 /計數(shù)器，一個全雙工串行通信口，時鐘電路及片內(nèi)振蕩器。 AT89C52 單片機的引腳如圖 31 所示 [99]。 復(fù)位電路是完成單片機片內(nèi)電路的初始化，使單片機從一種確定的狀態(tài)下開始運行。在單片機和嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)用的對象對可靠性的要求更高，特別在無人值守、 24 小時連江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 8 續(xù)工 作的場合，如火災(zāi)報警系統(tǒng)、安全防盜報警系統(tǒng)等應(yīng)用中，決不允許應(yīng)用系統(tǒng)“死機”或程序跑飛。一旦處理器“死機”或程序跑飛，處理器就不 能向看門狗定時器發(fā)出清除脈沖。 89C52 的 連接到 X5045 的 SI 端， 連接到 X5045 的SCK， 連接到 X5045 的 SO端和 CS/WDI 端， X5045 的 RESET 輸出信號連接到 89C52 的復(fù)位輸入端 RST 上，電路圖如圖 32 所示 [9]。 A/D 轉(zhuǎn)換器型號很多，而其轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換誤差也各不相同。 (3)并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器：它又被稱為 flash（快速）型，它的轉(zhuǎn)換速度很高，但她采用較多的比 較器，而 n 位的轉(zhuǎn)換就需要 2n1 個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也很貴，只適用于視頻 A/D 轉(zhuǎn)換器等數(shù)度特別高的領(lǐng)域 [10]。由單一的 5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 選 1 的模擬開關(guān)。 它的引腳 的排列見圖 34 VCC11IN31IN42IN53IN64IN75D38OE9CLK10START6EOC7REF+12REF16IN026IN127IN228D114D215D017D418D519D620D721ALE22ADDC23ADDB24ADDA25GND13u4ADC0809 圖 34 ADC0809 的引腳圖 IN7~IN0 ：八個通道的模擬輸入量。 START：轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效。 CLK：時鐘信號，最高頻率為 640KHZ。 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 11 Vref：參考電壓 [11]。 OE 為讀出數(shù)據(jù)允許信號， OE 端為高電平時，可以讀出轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。地址譯碼引腳 C、 B、 A 分別與地址總線低三位 、 、 相連，用來選通 IN0~IN7 中的一個通道。而低電平的寫信號 WR 則表示轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。通過硬件識別的鍵盤稱編碼鍵盤；通過軟件識別的鍵盤稱為非編碼鍵盤。如圖 37 所示。 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 13 S?SWPBS?SWPBS?SWPBS?SWPBGND 圖 37 獨立按鍵接口圖 在單片機中需要的按鍵較多時，通常把鍵排成矩陣形式，這樣可以節(jié)省硬件資源。單片機系統(tǒng)中的非編碼式鍵盤程序主要由判別是否有鍵按下子程序、鍵的識別子程序、找到閉合鍵后，讀入相應(yīng)的鍵值，再轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理程序幾個部分組成。 LED 的伏安特性類似于普通二極管，正向壓降為 2V左右，工作電流一般在 10mA~20mA 之間較為合適一個 8 段 LED 顯示器的結(jié)構(gòu)如圖 391 所示。當共陰極 LED 的 COM 端接高電平，則某個發(fā)光管的陰極加上低電平時，則該管有電流流過因而點亮發(fā)光。輸出控制影響不到鎖存器的內(nèi)部工作，就是以前的數(shù)據(jù)可以保持不變，甚至當輸出被關(guān)閉時，新的數(shù)據(jù)也可以存入鎖存器。當鎖存器使能變低時，符合建立時間和保存時間的數(shù)據(jù)會被保存。 傳輸速率 比 較低，在異步傳輸時，波特率 僅 為 20Kbps。 RS485接口在總 線允許的情況下最多可連接 128 個收發(fā)器，即一個處理 器可處理 l28 個采集點的信號采集， 達到 實現(xiàn) 數(shù)據(jù)高速遠距離傳送的目的，這是其他串口通信方式 (如 I2C 總線和 RS232 等 )所 做不到的 [19]。MAX485具有不受限制的驅(qū)動器擺率，可以實現(xiàn)最高 的傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸。 DI 和 RO 端分別為驅(qū)動器的輸入端和接收器的輸出端，它們與單片機的連接僅需分別與單片機的TXD 和 RXD 相連； RE 和 DE 端分別為接收和發(fā)送的使能端，當 RE 為邏輯 0時，器件處于接收狀 態(tài)；當 DE 為邏輯 1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為 MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可； A 端和 B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端 ,當 A 引腳的電平