【文章內容簡介】 點,使得基于單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領域得到了廣泛的應用.傳統(tǒng)的基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于沒有上位機的支持,不管采用什么樣的數(shù)據(jù)存儲器,它的存儲容量都是有限的,所以不得不對存儲的歷史數(shù)據(jù)進行覆蓋刷新,這樣不利于用戶對數(shù)據(jù)進行整體分析,因而也不能對生產過程的狀況進行準確的把握。本系統(tǒng)采用下位機負責模擬數(shù)據(jù)的采集,從單片機負責采集八路數(shù)據(jù)，并應答主機發(fā)送的命令，上位機即主機是負責處理接受過來的數(shù)字量的處理及顯示，主機和從機之間用PL2303或RS232進行通信。這樣用戶可以在上位機上編寫各種程序對文件中的數(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。該系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機，此芯片功能比較強大，能夠滿足設計要求。 采用的方法實際PCF8591是8路8位AD，最大數(shù)位255，它外部有一個基準電壓，調節(jié)所測電壓范圍，我們所測外部模擬電壓范圍為05V，0V對應為0,5V就對應255，外部所測電壓經模數(shù)轉換AD變化為數(shù)字量0255，數(shù)碼管也就顯示此值十進制轉化值（（AD/255）*5）。然后通過PL2303或RS232轉換送到PC機上顯示，顯示界面為我們送的串口調試界面。 實現(xiàn)步驟用Protel99se作圖軟件畫出電路的PCB圖和SCH圖。用Keil uvision3軟件編寫，通過串口調試助手將編寫程序下載的主芯片中。用LED顯示所測電壓值的數(shù)字量。用USB接口與電腦相連，實現(xiàn)PC機與下位機相連。從而實現(xiàn)PC機與單片機的同 步顯示。 預期成果 分析階段：單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求分析。根據(jù)基于C51單片機采集系統(tǒng)要完成的數(shù)據(jù)采集工作，明確本系統(tǒng)要做什么，撰寫需求說明書。設計階段：分為概要設計和詳細設計，解決系統(tǒng)怎樣做的問題。包括功能設計和電路布線設計；設計本系統(tǒng)的各個功能模塊：按鍵、LED顯示、A/D模數(shù)轉換等功能，并設計各模塊間的接口，完成數(shù)據(jù)傳輸及采集工作。實現(xiàn)階段：采用C語言及匯編語言編碼，采用KeiluVision3軟件完成，并用Protel 99 SE軟件進行電路圖的繪制，用數(shù)據(jù)線串行來實現(xiàn)更為完整的系統(tǒng)功能。測試階段：基于C51單片機采集系統(tǒng)進行上位機與下位機的數(shù)據(jù)采集，測試本系統(tǒng)是否能達到預期的設想，是否能完成數(shù)據(jù)采集工作，針對發(fā)現(xiàn)的問題或新的要求及時完善本系統(tǒng)。完成階段：撰寫《基于C51單片機采集系統(tǒng)的設計報告》及畢業(yè)論文。第二章 開發(fā)環(huán)境及開發(fā)工具 在本設計中用到了Protel99se對單片機板子原理圖元件庫元件圖、單片機板子原理圖、單片機板子PCB圖元件庫元件圖、單片機板子PCB圖進行了畫圖；用到了KeilUvision3編寫了電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的代碼，進行了編譯并產生了一個HEX文件；用到了Microsoft Visual Studio 2005軟件編寫了一個PC機電壓數(shù)值顯示界面； 選好COM口后就會顯示電壓數(shù)據(jù)的十六進制顯示。 Protel99se介紹Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源地層和16個機加工層。 按照系統(tǒng)功能來劃分，Protel99se主要包含以下倆大部分和6個功能模塊。電路工程設計部分(1)電路原理設計部分（Advanced Schematic 99）：電路原理圖設計部分包括電路圖編輯器（簡稱SCH編輯器）、電路圖零件庫編輯器（簡稱Schlib編輯器）和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關電路圖和零件庫的各種報表?！　。?）印刷電路板設計系統(tǒng)（Advanced PCB 99）：印刷電路板設計系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器（簡稱PCB編輯器）、零件封裝編輯器（簡稱PCBLib編輯器）和電路板組件管理器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件?！　。?）自動布線系統(tǒng)（Advanced Route 99）：本系統(tǒng)包含一個基于形狀（Shapebased）的無柵格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實現(xiàn)PCB設計的自動化。電路仿真與PLD部分（1）電路模擬仿真系統(tǒng)（Advanced SIM 99）：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個數(shù)字/模擬信號仿真器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號和模擬信號，以便對電路原理圖進行信號模擬仿真，從而驗證其正確性和可行性。　?。?）可編程邏輯設計系統(tǒng)（Advanced PLD 99）：可編程邏輯設計系統(tǒng)包含一個有語法功能的文本編輯器和一個波形編輯器（Waveform）。本系統(tǒng)的主要功能是；對邏輯電路進行分析、綜合；觀察信號的波形。利用PLD系統(tǒng)可以最大限度的精簡邏輯部件，使數(shù)字電路設計達到最簡化。　?。?）高級信號完整性分析系統(tǒng)（Advanced Integrity 99）：信號完整性分析系統(tǒng)提供了一個精確的信號完整性模擬器，可用來分析PCB設計、檢查電路設計參數(shù)、實驗超調量、阻抗和信號諧波要求等。 Protel99SE的功能特性開放式集成化的設計管理體系　超強功能的、修改與編輯功能　強大的設計自動化功能 Microsoft Visual Studio 2005介紹 Microsoft Visual Studio 。它同時也能開發(fā)跨平臺的應用程序，如開發(fā)使用微軟操作系統(tǒng)的手機的程序等。總體來說是一個非常龐大的軟件，甚至包含代碼測試功能。這個版本的Visual Studio 包含有眾多版本，分別面向不同的開發(fā)角色。 Microsoft Visual Studio 2005 開發(fā)系統(tǒng)是一個完整的開發(fā)工具系列，旨在為Microsoft Windows 操作系統(tǒng)、Web和移動設備快速構建和部署各種應用程序。Microsoft Visual Studio 2005 產品能為各類開發(fā)人員提供更廣闊的開發(fā)空間和更先進的設計體驗。其特點有： 支持 Visual Basic、C、C++ 和 J 語言。 開發(fā)和部署基于客戶端服務器結構的 Windows 應用程序、Web 應用程序、SmartPhone 和 Pocket PC 應用程序。 幾乎適用于任何類型應用程序的“拖放式”用戶界面設計器。 包含一個用于測試 Web 應用程序的內置 Web 服務器，無需 IIS。 支持母板頁，用于跨 Web 應用程序維護一致的外觀。 用于簡單、直觀地進行調試的“編輯并繼續(xù)”功能 KeilUvision3介紹KeilSoftware公司推出的uVision3是一款可用于多種8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，該IDE同時也是PK51及其它開發(fā)套件的一個重要組件。除增加了源代碼、功能導航器、模板編輯以及改進的搜索功能外，uVision3還提供了一個配置向導功能，加速了啟動代碼和配置文件的生成。此外其內置的仿真器可模擬目標MCU，包括指令集、片上外圍設備及外部信號等。uVision3提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于MCUI/O引腳和外設狀態(tài)變化下的程序變量。 Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（UVISION）將這些組合在一起。Keil有以下幾個特點： 全功能的源代碼編輯器； 器件庫用來配置開發(fā)工具設置； 項目管理器用來創(chuàng)建和維護用戶的項目； 集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應用；1 所有開發(fā)工具的設置都是對話框形式的；1 真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調試器；1 高級GDI(AGDI)接口用來在目標硬件上進行軟件調試以及和 Monitor51 進行通信 其它 單片機下載驅動軟件：將Keil軟件編程代碼通過USB接口下載到主芯片STC89C52中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓數(shù)據(jù)采集工作。 ：，能設置校驗、數(shù)據(jù)位和停止位，能以ASCII碼或十六進制接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)或字符（包括中文），可以任意設定自動發(fā)送周期,并能將接收數(shù)據(jù)保存成文本文件，能發(fā)送任意大小的文本文件。硬件連接方面，傳統(tǒng)臺式PC機支持標準RS232接口，當下帶有串口的PC很少見，所以需要usb/232轉換接口，并且安裝相應驅動程序。 第三章 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內部的一個接口。數(shù)據(jù)采集技術廣泛引用在各個領域。70年代初，隨著計算機技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是微處理器及高速A/D轉換器的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構發(fā)生了重大變革。原來由小規(guī)模集成的數(shù)字邏輯電路及硬件程序控制器組成的采集系統(tǒng)被微處理器控制的采集系統(tǒng)所代替。由微處理器去完成程序控制，數(shù)據(jù)處理及大部分邏輯操作，使系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大地提高，系統(tǒng)硬件成本和系統(tǒng)的重建費用大大地降低。在該系統(tǒng)中需要將模擬量轉換為數(shù)據(jù)量，而 A/D是將模擬量轉換為數(shù)字量的器件，他需要考慮的指標有：分辨率、轉換時間、轉換誤差等等。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?。在該系統(tǒng)中采用的是PCF8591系列的單片機。雙機通信有兩種方式：RS232標準接口串行通信和PL2303 USB—UART通信，由芯片RS232實現(xiàn)雙機的通信。而數(shù)據(jù)的顯示則采用的是LED數(shù)碼管，該器件比較簡單，在生活中接觸也較多。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調理電路，多路切換電路，采樣保持電路，A/D,單片機等組成。：A/D轉換器單片機單片機LED顯示器滑動變阻器調節(jié)按鍵RS232或PL2303采集信號 系統(tǒng)框圖 方案論證 A/D模數(shù)轉換的選擇A/D轉換器的種類很多，就位數(shù)來說，可以分為8位、10位、12位和16位等。位數(shù)越高其分辨率就越高，價格也就越貴。A/D轉換器型號很多，而其轉換時間和轉換誤差也各不相同。(1)逐漸逼近式A/D轉換器：它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉換器，其轉換時間在幾微秒到幾百微秒之間。(2)雙積分A/D轉換器：它是一種間接式的A/D轉換器，優(yōu)點是抗干擾能力強，精度比較高，缺點是數(shù)度很慢，適用于對轉換數(shù)度要求不高的系統(tǒng)。(3)并行式A/D轉換器：它又被稱為flash（快速）型，它的轉換數(shù)度很高，但她采用了很多個比較器，而n位的轉換就需要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轉換器等數(shù)度特別高的領域。鑒于上面三種方案，在價格、轉換速度及應用程度等多種標準考量下，在本設計選用的是逐漸逼近式A/D轉換器——PCF8591單片機是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計算機中的一個重要的分支。此系統(tǒng)是由CPU、隨即存取數(shù)據(jù)存儲器、只讀程序存儲器、輸入輸出電路（I/O口），還有可能包括定時/計數(shù)器、串行通信口、USB接口、顯示驅動電路（LCD和LED驅動電路）、脈寬調制電路、模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一個單塊芯片上，構成了一個最小但完善的計算機任務。單片機要使用特定的組譯和編譯軟件編譯程序，再用Keiluvision3把程序下載到單片機內。而本設計選用的是STC89C52. 串行口的選擇串行口我選用了標準RS232C接口，它是電平與TTL電平轉換驅動電路。常用的芯片是MAX232，MAX232的優(yōu)點是：（1）一片芯片可以完成發(fā)送轉換和接收轉換的雙重功能。（2）單一電源+5V供電（3）它的電路設計與連接比較簡單而且功能齊全。我們還采用了USBUART轉換電路進行通行，USB接口既可以為單片機提供電源也可以實現(xiàn)單片機與PC機的的連接從而實現(xiàn)電壓值的接受與轉換。 LED顯示部分LED數(shù)碼顯示管是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED顯示管，其中7個用于顯示字符，1個用來顯示小數(shù)點，故通常稱之為八段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。對LED數(shù)碼顯示器的控制可以采用按時間向它提供具有一定驅動能力的位選和段選信號。LED數(shù)碼顯示有動態(tài)掃描顯示法和靜態(tài)顯示。在單片機中，為了節(jié)省硬件資源，多采用動態(tài)掃描顯示法。 按鍵 單片機中的復位方式有三種：手動按鈕復位、上電復位、積分型上電復位。我們采用的是手動復位，把單片機內部電路設置成為一個確定的狀態(tài)，所有的寄存器初始化。通過復位可以瞬間讓單片機處于初始狀態(tài)，轉動滑動變阻器后按復位鍵，電壓值會相應的變?yōu)檎_的電壓值。 通信方式 計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。 RS232C接口（又稱 EIA RS232C）是目前最常用的一種串行通訊接口。 常用的串行通信方式有：UART異步串行通信、I2C總線串行同步通信、SPI串行總線同步通信。本實驗中我們采用的是I2C通信。 1） UART是單片機與PC之間的最簡單的通信方式之一，也是單片機之間常用通信。2） I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種特殊類型信號， 它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。 SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有SCL信號為低電平期間，SDA狀態(tài)才允許變化。如圖所示： 3）該設計采用的是I2C通信的方式