【正文】 33 江 IV 附錄 2 程序清單 ..................................... 34 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 1 1 緒論 研究背景及其目的意義 近年來，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們越來越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了模塊化的設(shè)計，數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了單片機(jī) AT89C52 來實現(xiàn)，硬件部分是以單片機(jī)為核心，還包括 A/D 模 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊和串行接口部分。 本文介紹的重點是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而該系統(tǒng)硬件部分的重心在于單片機(jī)。軟件部分應(yīng)用 VC++編寫控制軟件，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信等程序進(jìn)行了設(shè)計。大概在 60 年代后期，國外市場就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備出現(xiàn) [1]。 20 世紀(jì) 80 年代計算機(jī) 的高速發(fā)展和在生活中的應(yīng)用，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得了較快的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了自動測試系統(tǒng)與通用的數(shù)據(jù)采集。 20世紀(jì) 80 年代中后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了驚人的變化，單片機(jī)、大規(guī)模集成電路和工業(yè)計算機(jī)的組合，用軟件來完成管理任務(wù)，使系統(tǒng)的體積變小，成本降低，功能大大增強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理能力倍增 [3]。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，通過簡單的增加和更改模塊，江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 2 并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可以擴(kuò)展和修改系統(tǒng)，迅速組成一個新的系統(tǒng)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號，并進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲和顯示。近年來，又成功研制了動態(tài)范圍更大、線性度更高、兼容性更強(qiáng)、低功耗可靠性的 TDE324C 型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如愛爾蘭 ACRA 公司 2022 年研發(fā)推出的新一代 KAM500 機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到了 2022 年。數(shù)據(jù)采集也是從一個或多個信 號獲取對象信息的過程。 傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是因為沒有上位機(jī)的支持 ,所以 無論使用什么樣的數(shù)據(jù)存儲器 ,它都只有有限的存儲容量 ,所以不得不覆蓋刷新歷史數(shù)據(jù) ,這樣一來不利于用戶整體分析數(shù)據(jù) ,因而也不能準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)過程的狀況并做出適當(dāng)?shù)挠媱潯? 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 4 2 數(shù)據(jù)采集總體設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計的基本要求 （ 1） 將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成方便處理的數(shù)字量。 （ 5） 給出具體的硬件和軟件。 （ 4） 系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。原來由硬件程序控制器組成的采集系統(tǒng)及小規(guī)模集成的數(shù)字邏輯電路變?yōu)楸挥晌⑻幚砥骺刂频牟杉到y(tǒng)所代替。在該系統(tǒng)中采用的是 8051 系列的單片機(jī)。由于采集的信號多種多樣，需要多種轉(zhuǎn)換器把信號轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號，本文就不不作介紹。 通信模塊：采用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)間的通信 。但在實際工程設(shè)計中必不可少。 AT89C52 單片機(jī) 美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C52 是低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 256 bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）和 8K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (EEPROM)，器件不僅采用 ATMEL 公司的非易失性、高密度存儲技術(shù)生產(chǎn)，而且兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品的引腳，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元， AT89C52 單片機(jī)的強(qiáng)大功能，能適合于許多比較復(fù)雜的控制應(yīng)用場合。空閑方式體制 CPU 的工作，但允許 RAM、定時 /計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 單片機(jī)的時鐘電路連接圖如圖 33 所示 ,18 引腳和 19 引腳接時鐘電路 ,在單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器， XTAL1 接外部晶振和微調(diào)電容的一端 ,在片內(nèi)它是高增益反相放大器的輸入 ,XTAL2 接外部晶振和微調(diào)電容的另一端 ,在片內(nèi)它是高增益反相放大器的輸出，所以這樣就構(gòu)成了自激振蕩器。 另外計算機(jī)系統(tǒng)在工作的時候，有時會不可避免地受到一些外界的干擾，如電源的波動、電磁場的干擾、現(xiàn)場環(huán)境的干擾等，這些都可能造成系統(tǒng)“死機(jī)”或程序跑飛，使系統(tǒng)不能正常 工作。為此，在單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)中引入自動監(jiān)視技術(shù)，即俗稱的看門狗技術(shù)（ WatchDog）。這些操作是系統(tǒng)自動檢測和進(jìn)行的，不需要人為干預(yù)，可保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地工作。 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的 種類很多，就位數(shù)來說，可以分為 8 位、 10 位、 12 位和 16位等。 (1)逐漸逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器：它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間從幾微秒到幾百微秒。 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 10 下面就具體的介紹一下 ADC0809 的工作原理。轉(zhuǎn)換時間為 100μ s。當(dāng) CBA=000 時， IN0 輸入，當(dāng)CBA=111 時， IN7 輸入。三態(tài)輸 出， D7 是最高位， D0 是最低位。上升沿后高電平有效。 A/D 轉(zhuǎn)換開始使 EOC 端輸出低電平； A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束， EOC 輸出高電平。 A/D 轉(zhuǎn)化模塊對模擬量進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，要用到一個 ADC0809，又因為它們之間的時鐘頻率不一樣，所以需要用 74LS74 對其進(jìn)行一個二分頻的工作，這里只需要將 74LS74 的第 3 根引腳 CLK1 與單片機(jī) AT89C52 的第 30 根 ALE 引腳相連，將 74LS74 的第 9 根引腳 Q2 與 ADC0809 的時鐘信號 CLK 引腳相連。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用低電平的讀信號 RD，產(chǎn)生的正脈沖作為 OE 信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。 該部分的連接圖如圖 36 所示 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40JP2AT89C52GNDCLKSTEOCRDLE11Q21D32D42Q53Q63D74D84Q9OE115Q125D136D146Q157Q167D178D188Q19U674LS573VCCSTRDCLR11D12CLK13PR14Q15Q16GND7Q28Q29PR210CLK211D212CLR213VCC14U274LS74GNDVCCALECLKALEVCC11IN31IN42IN53IN64IN75D38OE9CLK10START6EOC7REF+12REF16IN026IN127IN228D114D215D017D418D519D620D721ALE22ADDC23ADDB24ADDA25GND13U4ADC0809VCCEOCVCC 圖 36 ADC0809 與單片機(jī)的連接圖 鍵盤模塊 鍵盤是一種常見的輸入設(shè)備，用戶可以向計算機(jī)輸入數(shù)據(jù)或命令。 獨立按鍵接口 在單片機(jī)中，如果所需的按鍵較少，可采用獨立式鍵盤。無按鍵按下時， ~ 線上均輸入高電平。如采用矩陣式按鍵方式，則只需要 9 個 I/O 口。 LED 數(shù)碼管顯示模塊 在小型控制裝置和數(shù)字化儀器儀表中，往往只要幾個簡單的數(shù)字顯示或字狀態(tài)便可滿足現(xiàn)場的需求，而顯示數(shù)碼管 LED 因其成本低廉、配置靈活、與計算江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 14 機(jī)接 口方便等特點，在小型微機(jī)控制系統(tǒng)中得到極為廣泛的應(yīng)用 [12]。 8 段 LED 有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖 39圖 393 所示。 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 15 表 32 LED 段選碼 字型 共陰極字形代碼 字型 共陰極字形代碼 字型 共陰極字形代碼 0 3FH 6 7DH C 39H 1 06H 7 07H d 5EH 2 5BH 8 7FH E 79H 3 4FH 9 6FH F 71H 4 66H A 77H 滅 00H 5 6DH b 7CH 顯示驅(qū)動芯片 74LS573 74LS573 的八個鎖存器都是透明的 D 型鎖存器，當(dāng)使能端為 1 時， Q 輸出端和數(shù)據(jù)端 的輸入相同。特別適用于緩沖寄存器， I/O 通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器 [14]。 RS232 雖然 是 現(xiàn)在 最常用的串行通訊接口。 傳輸距離 短 ，最大傳輸距離 的 標(biāo)準(zhǔn)值 是 50 英尺，實際 傳輸距離僅 在 50米 以內(nèi) [16]。 MAX485接口芯片是 Maxim 公司的一種 RS－ 485接 口芯片。它可以實現(xiàn)將 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS－ 485電平的功能。只需要一個信號控制 MAX485的接收和發(fā)送即可。首先從菜單中的工程中“新建工程”，建立我們將要做的工程項目： 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 20 接下來 Keil 環(huán)境要求我們?yōu)?12 工程選擇一個單片機(jī)型號；我們選擇 Ateml公司的 89C52。根據(jù)題意，在文檔中寫入代碼，寫完后再檢查一下，然后保存，然后再將保存好的文檔添加到工程中，具體做法如下： 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 22 程序文件添加完畢后，對其進(jìn)行編譯當(dāng)前程序、編譯修改過的文件并生成應(yīng)用程序、重新編譯所有文件并生成應(yīng)用程 序后，再點擊 TARGET，則其頁面為： 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 23 再點擊圖案上的 Output 鍵 接下來就是點擊上圖中的 select folder for objects 鍵，得到下圖將其產(chǎn)生的 HEX 文件存儲在 E 盤 zh 文件夾中。當(dāng)沒有鍵按下時，則送一個數(shù) F 給 LED 顯示器。其流程圖如圖 43 所示 開 始選 定 通 道 號開 始 轉(zhuǎn) 換結(jié) 束轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束 將 得 到 的 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 串 口 圖 43 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖 （ 4） 鍵盤掃描子程序 Keys_Scan() 該程序是先將行選好，然后再選定列就可以確定到具體的哪一個按鍵。然后調(diào)用延時，接著將 、 口置 0，下面是重復(fù)上面的過程，直到要顯示的數(shù)字全部顯示在數(shù)碼上。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀 況的微型機(jī)，一般是指 PLC/單片機(jī)之類的。 現(xiàn)代化集中管理需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析、制表、打印、繪圖、報警等 ,同時 ,又要求對現(xiàn)場裝置進(jìn)行實時控制，完成各種規(guī)定操作，達(dá)到集中管理的目的。由于單片機(jī)具有價格低廉 、 體積小、 適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等 特點 ,分布式系統(tǒng)大多 使 用單片機(jī)作為下位機(jī)來 完成 數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制 的任務(wù) 。 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 30 6 結(jié)論 本系統(tǒng)具有 成本低廉 、結(jié)構(gòu)簡單 、 實時性強(qiáng)、可靠性高及抗干擾能力較強(qiáng)等特點的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用戶只需加入相應(yīng)的溫度、濕度及壓力等傳感器，即可實現(xiàn)相應(yīng)的多路數(shù)據(jù)采集監(jiān)測功能。在此 次設(shè)計的整體過程中， 我始終保持積極態(tài)度和韌性。在此，本人由衷的表示的感謝！ 感謝江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院的老師們在這四年里不僅在專業(yè)的學(xué)習(xí)上給予我的幫助，更感謝他們在我的為人處事上給予的教誨。 sbit 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