【正文】 電器之類(lèi)的開(kāi)關(guān)設(shè)備 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于 20世紀(jì) 50年 代 ， 1956年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng) ， 目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件 ， 由非熟練人員進(jìn)行操作 ， 并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的 。 由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良 ， 超過(guò)了傳 統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 因此獲得了驚人的發(fā)展 。 該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類(lèi) ， 一類(lèi)以?xún)x器儀表和采集器 、 通用接口總線(xiàn)和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成 。 這種接口系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu) 。 顯然 ， 這種系統(tǒng)比專(zhuān)用系統(tǒng)靈活得多 。目前有的（ DAS）產(chǎn)品精度已達(dá) 16 位，采集速度每秒達(dá)到幾十萬(wàn)次以上。由于采用了高密度，屏蔽型，針孔式的連接器和卡式模塊，可以充分保證其穩(wěn)定性及可靠性，但其昂貴的價(jià)格是阻礙它在自動(dòng)化領(lǐng)域普及的一個(gè)重要因素。 其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。硬件由下位機(jī)，上位機(jī)兩部分組成。 設(shè)計(jì)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(jì)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。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 離散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是有上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)電腦串行數(shù)據(jù)口相連。 上 位 機(jī) 數(shù) 據(jù) 采 集 電 路單 片 機(jī) 圖 離散數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 方案設(shè)計(jì)原則 本 次設(shè)計(jì)方案應(yīng)符合以下原則： （ 1） 經(jīng)濟(jì)合理。 方案選擇 根據(jù)課題的要求，本系統(tǒng)是 通過(guò) 上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)指令，讓下位機(jī)開(kāi)始以某種方式采集離散量 。那么這樣下位機(jī)可以接收到由上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令，開(kāi)始遵照上位機(jī)的指令開(kāi)始工作，如開(kāi)始以某種方式接收離散量數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。 上 位 機(jī)離 散 量 采 集電 路單 片 機(jī) 輸 出 圖 方案二設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)框圖 如圖 所示這樣，是由下位機(jī)與上位機(jī)的一種單向傳輸。 方案 3 的電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 本文所設(shè)計(jì)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(yùn)行操作簡(jiǎn)單、 設(shè)計(jì)成本較低。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)采用 STC 公司的 STC89C52RC 單片機(jī)為處理器，運(yùn)用TLP521 進(jìn)行光電隔離，采用 八位三態(tài) 同 相輸出總線(xiàn)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(dòng) 開(kāi)關(guān)作為開(kāi)關(guān)控制。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(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線(xiàn)系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)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。 CPURO M串行接口并行 I / O 口定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器RA M時(shí)鐘電路中斷系統(tǒng)P 0 P 1 P 2 P 3 T XD RX D I NT 0I NT 1 圖 51 單片機(jī)內(nèi)部功能塊 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)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(mén)電流。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。然而，初始復(fù)位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài) 。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 圖 51 單片機(jī)引腳圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)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(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)的核心部分，也單片機(jī)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。這樣一來(lái)就簡(jiǎn)化了 USB 外設(shè)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了用戶(hù)在判斷哪個(gè)插頭對(duì)應(yīng)哪個(gè)插槽的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。 （ 4） USB 在設(shè)備供電方面提供了靈活性。 （ 7） USB 的端口具有很靈活的擴(kuò)張性。常用的時(shí)鐘電路有內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘方式 。這兩個(gè)引腳 外 接石英晶體振蕩器作為定時(shí)元件，內(nèi)部反向放大器自激振蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。在實(shí)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(jī)芯片靠近。復(fù)位相當(dāng)于系統(tǒng)的重新啟動(dòng)，可以擺脫系統(tǒng)錯(cuò)誤或死鎖狀態(tài)。 圖 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(hào) ,對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離 .因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長(zhǎng)、體積小耐沖擊等好處，使其在強(qiáng) 弱電接口，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。 在本設(shè)計(jì)的電路中，光電耦合的輸入引腳接撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，輸出引腳接 74HC541 緩沖器 圖 TLP5214 電路圖 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 輸入模塊 在輸入模塊中，本次設(shè)計(jì)用的是 八位三態(tài) 同 相輸出總線(xiàn)緩沖器 74HC541 芯片，它能很好的 將外設(shè)送來(lái)的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放，以便處理器將它取走 。 圖 74HC541 引腳圖 圖 74HC541 原理圖 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 表 74HC541 功能表 輸入 輸出 OE1 OE2 An Yn L L L L L L H H X H X Z H X X Z L 為低電平 ； H 為高電平 ； X 為任何電平 ； Z 為高阻態(tài) 。主要起到協(xié)調(diào)和 緩沖作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。鎖存器是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。典型的邏輯電路是 D 觸發(fā)器。在本次設(shè)計(jì)中， ENA 引腳接地， ALE 引腳接單片機(jī)的 P2口， 2 個(gè) 74HC574 芯片對(duì)應(yīng)接 和 口，通過(guò)單片機(jī)發(fā)出的指令來(lái)控制74HC574 芯片的導(dǎo)通與阻斷。 （ 1）并行通信 并行通信時(shí)數(shù)據(jù)的各個(gè)位同時(shí)傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。只有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。 （ 3）全雙工通信。 串行通信中，傳輸速率用每秒中傳送的位數(shù)（位 /秒）來(lái)表示，稱(chēng)之為波特率（ bps）。計(jì)算機(jī)的串口為RS232C 電平，其中高電平為 12 V，低電平為 +12V。 所以，采用沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需要單一的 +5V 電源就可以了。在實(shí)際應(yīng)用中，器件對(duì)電源噪聲很敏感，因此 VCC必須要對(duì)地加去耦電容 C5，其值為 F。 現(xiàn)從 MAX232 芯片中兩路發(fā)送，接受中選擇一路作為接口。 其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如下： MAX232 的 11 引腳 T1IN 接單片機(jī) TXD 端 ， TTL電平從單片機(jī)的 TXD 端發(fā)送，經(jīng)過(guò) MAX232 轉(zhuǎn)換為 RS232 電平后從 MAX232 的14 引腳 T1OUT發(fā)出，在連接到實(shí)驗(yàn)板上串口座的 3 引腳，在經(jīng)過(guò)交叉串口線(xiàn)后，連接至 PC 機(jī)的串口座的第 2 引腳 RXD 端，至此計(jì) 算機(jī)接收到數(shù)據(jù)。 采用模塊化設(shè)計(jì)方法以后 ， 依據(jù)系統(tǒng)的功能要求將軟件的初始化模塊、 中斷模塊、主程序 模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，然后把它們連接起來(lái)，進(jìn)行總調(diào)。上述各種研制調(diào)試完成之后，還需要將它們按一定的方法連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 輸入 、傳輸、處理和輸出等各種功能。 C 語(yǔ)言介紹 軟件設(shè)計(jì)是技術(shù)的關(guān)鍵，簡(jiǎn)潔的硬件配置是靠軟件來(lái)支撐的，軟件編制一般按沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 功能來(lái)劃分，做到標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，并便于功能的擴(kuò)充。用 C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。采用 C 語(yǔ)言可以很容易地進(jìn)行單片機(jī)的程序移植工作，有利于產(chǎn)品中單片機(jī)的重新選型。 VB 介紹 VB是 Visual Basic 的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由美國(guó)微軟公司于 1991年開(kāi)發(fā) 的一種可視化的、沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，可用于開(kāi)發(fā) Windows 環(huán)境下的各類(lèi)應(yīng)用程序。根據(jù)系統(tǒng)功能，將整體程序劃分為主程序、初始化和中斷三部分。 表 通信指令格式 指令 功能 舉例 舉例 發(fā)送 返回 備注 0x010x30 按位讀輸入 0x0A 是輸入第 10 通道 0x01 0x00 或0x01 0x310x34 按字節(jié)讀輸入 0x31是讀 18通道組成的字節(jié) 0x31 一個(gè)字節(jié) 第一通道對(duì)應(yīng)字節(jié)最低位 0x35 讀所有通道 0x37 讀所有通道 0x37 六個(gè)字節(jié) 0x710x80 按位輸出置零 0x71是把輸出通道 1置低 0x71 無(wú) 0x810x90 按位輸出置一 0x81是把輸出通道 1置高 0x81 無(wú) 0x910x92 按字節(jié)輸出 0x91是輸出 18通道組成的字節(jié) 0x91+一個(gè)字節(jié) 無(wú) 第一通道對(duì)應(yīng)字節(jié)最低位 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 指令 功能 舉例 舉例 發(fā)送 返回 備注 0x93 按字節(jié)輸出所有 0x93 是輸出 116 通道的兩個(gè)字節(jié) 0x93+兩個(gè)字節(jié) 無(wú) 第一通道對(duì)應(yīng)第一字節(jié)最低位，第九通道對(duì)應(yīng)第二字節(jié)最低位 主程序設(shè)計(jì)部分 主程序主要是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。初始化流程圖如圖 所示。本次設(shè)計(jì)的中斷系統(tǒng)主要執(zhí)行的單片機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)操作準(zhǔn)備。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 中 斷 入 口當(dāng) 前 是 否 為 命 令 狀 態(tài)當(dāng) 前 值 是 否 小 于 0 x 3 6Y當(dāng) 前 值 是 否 等 于 0 x 3 5Y讀 所 有 輸 入通 道返 回當(dāng) 前 值 是 否 小 于 0 x 8 1N按 位 寫(xiě) 輸 出 0當(dāng) 前 值 是 否 小 于 0 x 9 1NY按 位 寫(xiě) 輸 出 1Y當(dāng) 前 值 是 否 小 于 0 x 9 3一 個(gè) 字 節(jié) 寫(xiě)輸 出Y輸 入 值 是 否 大 于 0 x 1 0NY按 字 節(jié) 讀 輸入YN按 位 讀 輸 入兩 個(gè) 字 節(jié) 寫(xiě)輸 出NN將 參 數(shù) 狀 態(tài)下 的 輸 入 值賦 給 w r B U F FN更 改 為 命 令狀 態(tài) 圖 中斷程序設(shè)計(jì)流程圖 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 上位機(jī)軟件方案設(shè)計(jì) 圖 VB 界面設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的 VB 界面主要分為三 個(gè)部分，第一個(gè)是數(shù)據(jù)輸出部分，第二個(gè)是數(shù)據(jù)采集部分，第三個(gè)是系統(tǒng)運(yùn)行的按鈕部分。在按位輸出這種輸出方式中，只要在 DO 0—DO 15 的文本框中寫(xiě) 入 1 或 0 就可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)的對(duì)應(yīng)接口中。 最后是運(yùn)行部分，運(yùn)行部分有發(fā)送按鈕、運(yùn)行按鈕、結(jié)束按鈕。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 5 系統(tǒng)集成與調(diào)試 調(diào)試的任務(wù)主要包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和整體聯(lián)調(diào)。 Keil是目前最流行的 51 單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件。 美 國(guó) Keil Software 公司多年來(lái)致力于單片機(jī) C 語(yǔ)言編譯器的研究，該公司開(kāi)發(fā)的 Keil Cx51 是一種專(zhuān)門(mén)為單片機(jī)設(shè)計(jì)的高效率 C 語(yǔ)言編譯器，符合 ANSI 標(biāo)準(zhǔn)，生成的程序代碼運(yùn)行效率極高，所需要的存儲(chǔ)器空間極小，完全可以和匯編語(yǔ)言相媲美。軟件部分包括 主 程序、 初始化 程序、 中斷 程序 等 。縱觀整個(gè)電路板，主要分為 四 大部分，分別是單片機(jī)部分、 輸入部分、輸出 部分 和電平轉(zhuǎn)換部分 ，其他就是輔助的小規(guī) 模電路。 故障調(diào)試及解決方法 （ 1） 檢測(cè)單片機(jī)的 TXD 和 RXD 引腳時(shí)沒(méi)有信號(hào) ； 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 原因分析及解決方法：電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 與串口連線(xiàn)錯(cuò)誤，未能進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 （ 4） 不能采集到從輸入部分傳來(lái)的信號(hào) ； 原因分析及解決方法：光電耦合器的 COM 接地端沒(méi)有接地，懸空。在上位機(jī)發(fā)來(lái)指令后，下位機(jī)可以根據(jù)上位機(jī)的指令來(lái)采集數(shù)據(jù)。將 PC 機(jī)作為上位機(jī)，對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 參考文獻(xiàn) [1] 馬忠梅 籍順心 張凱 馬巖 . 單片機(jī)的 C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì) . 北京航空航天大學(xué)出版社 . 20xx [2] 譚浩強(qiáng) . 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