【正文】 代 電子技術(shù) .2020,第 19 期 . [2] 張曉鄉(xiāng) .89C51 單片機(jī)實(shí)用教程 [Z].天津：電子工業(yè)出版社 2020 [3] 李朝青 .單片機(jī)原理及串行外設(shè)接口技術(shù) [Z].北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2020 [4] 李剛 . 新概念單片機(jī)教程 [Z].天津：天津大學(xué)出版社 2020 [5] 康一梅 . 嵌入式軟件設(shè)計(jì) [Z].天津：機(jī)械工業(yè)出版社 2020 [6] 劉文秀 .單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)仿真的研究 [J].北京：現(xiàn)代電子技術(shù) .2020, 第 286 期 [7] 張友德 .單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn) [M].上海 ：復(fù)旦大學(xué)出版社， ～ 256. [8] 李光飛 .單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ,96～ 100. [9] 胡漢才 .單片機(jī)原理及其接口技術(shù) [M]. 北京：清華大學(xué)出版社， ～ 110. [10] 楊立民 .單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用 [M].西：安西安電子科技大學(xué)出版社 .～ 120. 畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作： 1. 完成該數(shù)據(jù)采集和超限報(bào)警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ； 2. 完成同步串行總線的 A/D 轉(zhuǎn)換通道硬件電路； 3. 完成同步串行總線 的 A/D 轉(zhuǎn)換通道軟件程序設(shè)計(jì)； 4. 學(xué)習(xí)并掌握 標(biāo)準(zhǔn)的同步串行總線的通信方式； 5. 采用 89C51 匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程； 實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)試、下載、固化工作 ； 6. 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。數(shù)據(jù)采集也是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過(guò)程。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機(jī)具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，能夠開發(fā)出能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。該系統(tǒng)以單片機(jī) 89C51 為核心，進(jìn)行 16 路模擬量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和 超限報(bào)警處理。在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后 MAX187 可使用外部串行時(shí)鐘或內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)完成逐次逼近轉(zhuǎn)換。變換必須在較短時(shí)間內(nèi)完成 ,否則 采樣 /保持電容器上電壓的降低可能導(dǎo)致變換結(jié)果精度的降低 ,如果時(shí)鐘周期超過(guò) 10s,或者由于串行時(shí)鐘的中斷使得變換時(shí)間超過(guò) 120s,則要使用內(nèi)部時(shí)鐘方式。在 SSTRB 變?yōu)楦唠娖街蟮南乱粋€(gè)時(shí)鐘下降沿轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位將出現(xiàn)在 DOUT 端。 指導(dǎo)教師簽字： 日期： 年 月 日 6. 系意見： 簽字： 系（蓋章） 日期： 年 月 日 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查情況表 姓名 學(xué)號(hào) 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)題目 基于單片 機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) — A/D 轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì) 目前已完成的工作： 總體方案設(shè)計(jì)；硬件設(shè)計(jì)、制作；熟悉了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX187；其中包括前向通道、后向通道、人機(jī)對(duì)話通道各部分的硬件選擇，以 89C51為核心進(jìn)行 16路模擬量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和超限報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 指導(dǎo)教師建議與意見： 按時(shí)完成了進(jìn)度計(jì)劃中的要求。 簽字： 年 月 日 系意見： 系（蓋章） 年 月 日 北京交通大學(xué)業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱意見 姓名 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師 職稱 單位 畢業(yè)設(shè) 計(jì)題目 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) — A/D 轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì) 對(duì)論文的評(píng)語(yǔ)： 是否同意安排論文答辯：同意 論文成績(jī)： 84 分 評(píng)閱教師（簽名）： 年 月 日 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 小組評(píng)議意見 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) — A/D 轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì) 答 辯 小 組 成 員 : 姓 名 職 稱 工作單位 備注 答辯小組評(píng)語(yǔ)： 該同學(xué)能對(duì)基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) — A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本人簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)使用授權(quán)書 本人完全了解北京交通大學(xué)海濱學(xué)院有關(guān)保管、使用論文的規(guī)定，其中包括：①學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；②學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存論文；③學(xué)?？稍试S論文被查閱或借閱；④學(xué)校可以學(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；⑤學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)總體方案和硬件電路，設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制程序。 89C51。由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。從 70 年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(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，這一類在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到 了廣泛的應(yīng)用。 我國(guó)的數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)主要采用 TDE124C型 TDE224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 由美國(guó) PASCO 公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由 3 部分組成：（ 1）傳感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；（ 2）計(jì)算機(jī)接口：將來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最 高為 25 萬(wàn)次 /S；（ 3）軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。 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(chǔ)、處理以及控制等問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。 這里，主要包括 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ，應(yīng)用多路模擬開關(guān) 4067 和 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187。 在對(duì)應(yīng)用對(duì)象論證、分析的基礎(chǔ)上，確定總體方案，合理地安排系統(tǒng)軟件、硬件的技術(shù)要求。程序固化后，系統(tǒng)運(yùn)行，投入正常的 工作中，開發(fā)工作完成。 單片機(jī)按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為 4 位、 8 位、 16 位及 32 位單片機(jī)。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成 單片機(jī)本身是綜合了 CPU、儲(chǔ)存器、 I/O 接口，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等計(jì)算機(jī)基本組成的半導(dǎo)體芯片，而且程序可以固化在單片機(jī)芯片中，因此對(duì)于一般的應(yīng)用，只需要單片機(jī)加上少量的器件就可以構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)的硬件部分，開發(fā)出相應(yīng)的支持程序就可以容易地完成應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 （ 2）后向通道 (輸出部分 )： 數(shù)字量、開關(guān)量、模擬量信號(hào) (D/A )的輸出。設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程要借助專用的開發(fā)器、仿真器或開發(fā)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行。要從電路設(shè)計(jì)、軟件程序等加以考慮。要在專門的編程器或下載設(shè)備中完成。 4) 合理地劃分硬件和軟件兩部分的功能要求。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 這 5 個(gè)部分不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互依靠 、互相制約的。 89C51單片機(jī)的引腳 89C51 單片機(jī)是 CMOS 的低功耗芯片，圖 24 所示為它的引腳圖。 ? Vss （ 20 腳）：接地端，接 +5V 電源地端。 控制信號(hào)引腳： RST、 ALE、 PSEN、 EA ? RST（ 9腳）：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)：作為鎖存 P0口低 8位地址的控制信號(hào)。 ? EA/VPP（ 31腳）：外部程序存儲(chǔ)器地址使能輸入 /編程電壓輸入端。 輸入 /輸出端口引腳 P0、 P P P3 ? P0口： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 ? P1口： P1口是一個(gè)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。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。 CMOS 模擬開關(guān)是一種可控開關(guān)，它不 像 繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場(chǎng)合，只適于處理幅度不超過(guò)其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號(hào)。 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187 MAX187簡(jiǎn)介 MAX187 是美信公司推出的 具有串行接口的 12 位 精度的 A／ D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部含有采樣／保持電路，單 5 V 操作電源，轉(zhuǎn)換速度為 ，具有片上 V 參考電壓，模擬量輸入范圍為 0～ VBEF。 MAX187 有 2 種操作模式：正常模式和休眠模式 ， 將置為低電平進(jìn)入休眠模式 ， 這時(shí)的電流消耗降到 10μA以下。 4腳為參考端接一個(gè) 電容 ， 這是使用內(nèi)部 。 如圖 26 所示為 MAX187 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 圖 26 MAX187 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 MAX187 為 8 個(gè)引腳雙列直插封裝，其引腳圖見圖 27 所示： 圖 27 MAX187 引腳圖 其中： 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 ? VDD（ 1 腳）： +5V 電源。 ? VREF（ 4 腳）：參考電壓。 ? DOUT（ 6 腳）：串行數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)在 SCLK 的下降沿改變。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 3 串行通信總線 最新推出的單片機(jī)很多都有符合總線的標(biāo)準(zhǔn)接口，所以使用起來(lái)非常方便。 SPI 串行外設(shè)接口總線 SPI (Serial Peripheral Interface)總線是 Freescale 公司 (原 Motorola 公司半導(dǎo)體部 )推出的同步串行外設(shè)接口總線。 接口設(shè)備工作于從機(jī)模式時(shí)，從主機(jī)獲取時(shí)鐘和片選信號(hào)，選中的從機(jī)和主機(jī)通信，沒有被選中的從機(jī)將其數(shù)據(jù)線處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。 SPI 總線除了可以用來(lái)連接一個(gè)處理器（系統(tǒng)主機(jī)）和多個(gè) SPI 接口外部設(shè)備（ SPI 從機(jī)）以外，還可以應(yīng)用于一個(gè)主處理器和多個(gè)從處理器之間的通信，用于多個(gè)處理器和若干個(gè) SPI 接口外部設(shè)備之間的連接。在圖中，它們都是同名端相連。 SPI 串行總線典型的工作時(shí)序如圖 32 所示。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷绞歉呶唬?MSB）在前，低 位 (LSB)在后。在異步通信中，起始位占用一位（低電平），用來(lái)表示字符開始 。 串行通信中，每秒傳送的數(shù)據(jù)位稱為波特率。 89C51和 MAX187的連接 MAX187 是具有 SPI 總線接口的 E2PROM 芯片，是一個(gè)可以電改寫的只讀存儲(chǔ) 器。 MAX187 的 SCLK、 CS、 DOUT 端直接與單片機(jī)的通用 I/ O 口相連，不需要任何接口變換。 主頻： 。 開關(guān)量輸出： 8 路開關(guān)量輸出，可作繼電器開關(guān)，或超限報(bào)警控制。 并行 I/O 接口： 8255A 并行 I/O 接口電路。 軟件：程序固化在 89C51 單片機(jī)中，采用匯編語(yǔ)言編程。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 42 為采用內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，外部晶體和微調(diào)電容的連接圖， C C2取 30pF。是振蕩脈沖經(jīng)內(nèi)部二分頻后提供的狀態(tài)信號(hào)。 89C51 的指令周期由 4 個(gè)機(jī)器周期組成。 ROM和 RAM安排在獨(dú)立的地址空間，地址可以重疊。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 片內(nèi) 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間 ， 用 8 位地址尋址 。 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要復(fù)位操作，使 CPU 及系統(tǒng)的各個(gè)部件都處于確定的初試狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作。上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位都是必需的，圖 44所示為常用的二者組合的電路。連續(xù)執(zhí)行方式是單片機(jī)的正常工作方式，單步執(zhí)行方式是為程序調(diào)試而設(shè)定的一種工作方式。通過(guò)通用接口的信號(hào)線，利用軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn) MAX187和 89C51之間的通信。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 45 模擬量輸入和 A/D 轉(zhuǎn)換控制電路 模擬量輸入是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，采集的信號(hào)是 連續(xù)變化的物理量 。這里，主要應(yīng)用了多路選擇器 4067 和 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187。 操作的過(guò)程簡(jiǎn)述如下： （ 1）選擇模擬輸入通道。保持 SCLK()為低，將 CS()由高 變低。保持 CS ()為低電平，連續(xù)由 SCLK 時(shí)鐘信號(hào)，最少 13個(gè)時(shí)鐘周期。在經(jīng)過(guò) 13個(gè) SCLK 的下降沿后，將 CS 信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，結(jié)束本次操作。 I/O0— I/O15為 16路模擬量輸入端，數(shù)字信號(hào)輸入端 D、 C、 B、 A用來(lái)選擇其中一路和公共輸出端 C