【文章內(nèi)容簡介】 ，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令。因此提高了運(yùn)行速度。 PIC 系列單片機(jī)的 I/O 腳增加了用于設(shè)置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器從而解決了 51系列 I/O 腳為高電平時(shí)同為輸入和輸出的狀態(tài)。當(dāng)置位 1 時(shí)為輸入狀態(tài)， 且不管該腳呈高電平或低電平，對外均呈高阻狀態(tài)；置位 0 時(shí)為輸出狀態(tài)，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態(tài)，有一定的驅(qū)動(dòng)能力，低電平吸入電流達(dá) 25mA，高電平輸出電流可達(dá) 20mA。 相對于 51 系列而言，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，它可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。具有在線調(diào)試及編程（ ISP）功能。精度較 51 也有明顯的改善。 具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 缺點(diǎn)：該系列單片機(jī)的專用寄存器（ SFR）并不像 51 系列那樣都集中在一個(gè)固定的地址區(qū)間內(nèi) (80～ FFH)，而是分散在四個(gè)地址區(qū)間內(nèi)，即存儲體0（ Bank0： 00～ 7FH）、存儲體 1(Bank1 ： 80～ FFH)、存儲體 2(Bank2 ：100～ 17FH)、存儲體 3(Bank3 ： 180～ 1FFH)。只有 5 個(gè)專用寄存器 PCL、STATUS、 FSR、 PCLATH、 INTCON 在 4 個(gè)存儲體內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)。在編程過程中，得反復(fù)地選擇對應(yīng)的存儲體這多少給編程帶來了一些麻煩。 PIC 單片機(jī)的瓶頸現(xiàn)象嚴(yán)重。數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運(yùn)算基本上都得通過工作寄存器 W（相當(dāng)于 51 系列的累加器 A）來進(jìn)行，而 51 系列的還可以通過寄存器相互之間直接傳送 (如： MOV 30H， 20H；將寄存器 20H的內(nèi)容直接傳送至 寄存器 30H 中 )，因而 PIC 單片機(jī)的瓶頸現(xiàn)象比 51 系列還要嚴(yán)重。 AVR 系列 優(yōu)點(diǎn)：高性能、高速度、低功耗。與 PIC 系列相當(dāng)。它取消機(jī)器周期，以時(shí)鐘周期為指令周期，實(shí)行流水作業(yè)。 AVR 的專用寄存器集中在 00～ 3F 8 地址區(qū)間，無需像 PIC 那樣得先進(jìn)行選存儲體的過程，使用起來比 PIC 方便。 AVR 的 I/O 腳類似 PIC，它也有用來控制輸入或輸出的方向寄存器，在輸出狀態(tài)下，高電平輸出的電流在 10mA 左右，低電平吸入電流 20mA。雖不如 PIC，但比 51 系列強(qiáng)。邏輯運(yùn)算速度快。在 51 系列中，所有的邏輯運(yùn)算都必須在 A 中進(jìn) 行；而 AVR 卻可以在任兩個(gè)寄存器之間進(jìn)行，省去了在 A 中的來回折騰，這些都比 51 系列強(qiáng)。 缺點(diǎn)：通用寄存器少通用寄存器 R0～ R31 就顯得不夠用；而 51 系列的通用寄存器多達(dá) 128 個(gè)（為 AVR 的 4 倍），編程時(shí)就不會有這種感覺。系統(tǒng)穩(wěn)定性不強(qiáng)。 ARM 系列 隨著電子設(shè)備智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度的不斷提高， ARM 單片機(jī)以其低功耗和高性價(jià)比逐漸占領(lǐng)了市場成為市場的主流產(chǎn)品。 優(yōu)點(diǎn)：片內(nèi)集成了答容量的 RAM 和 FLASH 存儲器，無需擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)大型程序的應(yīng)用。片內(nèi)裝載程序?qū)崿F(xiàn) ISP 和 IAP，大大提高了編程效率。片內(nèi)集 成了多個(gè) 32 位的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，可滿足對精度的要求。體積小，功耗低，集成度高。使用了流水線技術(shù)，是的處理器和存儲系統(tǒng)連續(xù)工作，有效地地提高了處理器的利用率。 結(jié)合 設(shè)計(jì)的需求 ，我選擇了 51 單片機(jī)。 設(shè)計(jì)中單片機(jī)不需要處理大量的數(shù)據(jù)，要求的精度不是很高，并不需要更高性能的單片機(jī)。同時(shí)，根據(jù)價(jià)格，資料，知識方面，選擇 51 單片機(jī)比較合適。 串行通信方式 和接口 選擇 串口通信方式選擇 串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線上傳輸?shù)?，先由具有幾位總線的計(jì)算機(jī)內(nèi)的發(fā)送設(shè)備，將幾位并行數(shù)據(jù)經(jīng)并一串轉(zhuǎn)換硬件轉(zhuǎn) 換成串行方式，再逐位經(jīng)傳輸線到達(dá)接收站的設(shè)備中，并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉(zhuǎn)換成并行方式，以供接收方使用。串行傳輸類型主要有以下幾種： （ 1)RS232串行通信接口 目前 RS232是 PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接 口 。 RS232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。 RS232采取不平衡傳輸方 9 式，即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地．典型的 RS232信號在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在 +5～ +15V，負(fù)電平在 5～ 15V電平。當(dāng)無數(shù) 據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL電平到 RS232電平再返回 TTL電平。接收器典型的工作電平在 +3～+12V與 3～ 12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2v至 3v左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約 15米，最高速率為20kb/s。 RS232是為點(diǎn)對點(diǎn) (即只用～對收、發(fā)設(shè)備 )通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～ 7k。所以 RS232適合本地設(shè)備之間的通信。計(jì)算機(jī)上的串行通信端口 RS232是標(biāo)配，雖然與現(xiàn)在的一些新出的標(biāo)準(zhǔn)相比， RS232通信數(shù)據(jù)低，傳輸距離短，但由于其控制相對簡單，設(shè)計(jì)成本低，在許多工控設(shè)備、電子測量儀器上都備有RS232通信端 121P明。一般的計(jì)算機(jī)將 COMI以 9Pin的接頭接出。 (2)RS422串行通信接口 如果在工業(yè)環(huán)境雜訊干擾較強(qiáng)，用 RS232作為傳輸就會容易收到干擾，使信號 發(fā)生錯(cuò)誤。 為此常改用 RS422傳輸方式。 RS422的信號將被傳送出去時(shí)會先分成正負(fù)的兩條線路，當(dāng)?shù)竭_(dá)接收端后，再將信號相減還原回原來的信號。這樣可有效防止雜訊的干擾，傳輸距離和速度也得到提高。 RS422與 RS232不一樣，數(shù)據(jù) 信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為 A，另 — 線定義為 B． 通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器 A、 B之間的正電平在 +2～ +6v，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在 2～ 6v，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號地 c，在 RS485中還有一 ’使能’端，而在 RS422中這是可用可不用的。 “使能”端是用于控籟發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能” 端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作’第三態(tài)’，即它是有別于邏輯 “ 1” 與 “ 0” 的第三態(tài)． RS422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定 義了接口電路的特性。典型的 RS422是四線接口。實(shí)際上還有一根信號地線，共 5根線。其DB9連接器引腳定義。 由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比 RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可按 lO個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備 (Master)， 10 其余為從設(shè)備 (Salve)，從設(shè)備之間不能通信，所以 RS422支持點(diǎn)對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是 lO4k+100Q(終接電阻 )。 RS422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必 須的信號交換均可以按軟件方式 (XON/x0FF握手 )或硬件方式(一對單獨(dú)的雙絞線 )實(shí)現(xiàn)。 RS422的最大傳輸距離為 1219米，最大傳輸速率為 10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 lOOkb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短 的距離下才能獲得最高速率傳輸嘲。一般 100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速 率僅為 lMB/s。 在此串行通信方式選擇中，由于本設(shè)計(jì)對采集的模擬速率低，且對周圍環(huán)境要求 不嚴(yán)格， 從設(shè)計(jì)的簡單實(shí)用，利于維護(hù)，并考慮成本方面的因素，對以上串行傳輸方式選擇，優(yōu)選 RS232 通信方式。同時(shí)， 電平與 TTL 電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路。常用的芯片是 MAX232， MAX232 的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1）一片芯片可以完成發(fā)送轉(zhuǎn)換和接收轉(zhuǎn)換的雙重功能。 （ 2）單一電源 +5V供電 。 （ 3）它的電路設(shè)計(jì)與連接比較簡單而且功能齊全。 （ 4） MAX232 實(shí)用性很強(qiáng)。 串行通信接口選擇 PC機(jī)串口分為 9針串口 (DB9)和 25針串口 (DB25)兩種， 目前比較常見的是 9針串口。特別需要注意的是 DB9串口的 2腳為數(shù)據(jù)接收腳， 3腳為數(shù)據(jù)發(fā)送腳，而 DB25串口的 2腳， 3腳功能恰好相反 。 9針串口在實(shí)際生活中漸漸取代了 25針串口，由于 9針串口比較方便，使用簡單等特點(diǎn)， 9針串口和 25針串口的 引腳信號 對照 說明如表 。 而真正用到的串口針數(shù)更少，使用基本的兩個(gè)接受、發(fā)送數(shù)據(jù)針就能夠滿足最基本的要求，加之 25針串口在實(shí)際生活中端口越來越少，大多數(shù)電腦只有 9針串口。 表 DB9和 DB25的常用信號腳說明 9針串口（ DB9） 25針串口（ DB25） 針號 功能說明 縮寫 針號 功能說明 縮寫 1 數(shù)據(jù)載波檢測 DCD 8 數(shù)據(jù)載波檢測 DCD 11 2 接收數(shù)據(jù) RXD 3 接收數(shù)據(jù) RXD 3 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD 2 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD 4 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備 DTR 20 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備 DTR 5 信號地 GND 7 信號地 GND 6 數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好 DSR 6 數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好 DSR 7 請求發(fā)送 RTS 4 請求發(fā)送 RTS 8 清除發(fā)送 CTS 5 清除發(fā)送 CTS 9 振鈴指示 DELL 22 振鈴指示 DELL 串口通信接口，由于生活中常用 9針接口， 9針接口比較簡單，由于二者沒有明顯的區(qū)別，所以本設(shè)計(jì)選擇 9針接口。 顯示部分 能夠滿足顯示的元器件很多， LED 數(shù)碼管、 LCD 液晶顯示均能夠?qū)崿F(xiàn)。為了能夠更直觀的顯示，決定采用 LCD 液晶顯示中的 LM016L。 LM016L 液晶模塊采用 HD44780 控制器， hd44780 具有簡單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能 。 電壓表 電壓表有交流和直流電壓表兩種可供選擇，由于電路中接的是 VCC，即在電路中為電源， 5v 直流電源。故，本設(shè)計(jì)中采用直流電壓表測量。 小結(jié) 本章首先整體分析了 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)首先將采集到的信號傳輸給 A/D 轉(zhuǎn)換器，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。單片機(jī)通過對通道的控制，選擇性的將具體某路數(shù)字 信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)將得到的數(shù)字信號 在 LCD 液晶顯示屏上面顯示。同時(shí)，將數(shù)據(jù)通過串口 RS232 方式上傳給上位機(jī)。 然后，分別對系統(tǒng)硬件所需要要的元器件進(jìn)行分析，多種型號進(jìn)行對比，選擇出適合本設(shè)計(jì)的元器件。通過對逐漸逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器、雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器、并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器和 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)分辨率、轉(zhuǎn)換速率、量化誤差、便宜誤差、滿刻度誤差、線性度等進(jìn)行分析，最終選擇 ADC0808。通過對 51 系列 12 單片機(jī)、 PIC 系列單片機(jī)、 AVR 系列單片機(jī)、 ARM 系列進(jìn)行各種性能、價(jià)格、使用性比較，最終選擇 89C51 單 片機(jī)。通過對 RS42 RS232 進(jìn)行分析比較 ，最后選擇便宜、方便的 RS232 通信方式。通過對 LED 數(shù)碼管和 LCD 液晶屏對比，選擇了顯示信息比較直觀的 LCD 液晶屏。由于電路中采用的是直流電流，故，本設(shè)計(jì)選用的是直流電壓表測量電壓。 3 硬件部分 硬件電路概況 該系統(tǒng)是一個(gè)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 3 路電壓表測量 3 個(gè)不同滑動(dòng)變阻器間的電壓，通過滑動(dòng)變阻器可以實(shí)時(shí)改變電壓值。將測到的模擬電壓通過 ADC0808轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，轉(zhuǎn)換中通過 ADD A 、 ADD B 控制選擇 轉(zhuǎn)換那路電壓。 13 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓由 89C51 單片機(jī)控制將數(shù)據(jù)電壓的值傳到 LCD 上面滾動(dòng)顯示。通過 MAX232 電平轉(zhuǎn)換連接串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上面顯示。 其電路圖如圖 所示。 圖 硬件總 電路圖 單片機(jī) AT89C51 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元。 AT89C51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)， 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,1 個(gè)全雙工串行通信口。 主要特性：與 MCS51 兼容 ； 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ； 壽命 1000 寫 /擦循環(huán) ； 數(shù)據(jù)保留時(shí)間 10年 ； 全靜態(tài)工作 0Hz24Hz； 三級程序存儲器鎖定 ；128*8位內(nèi)部 RAM； 32可編程 I/O線 ； 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； 5個(gè)中斷源 ； 可編程串行通道 ； 低功耗的閑置和掉電模式 ； 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。 89C51單片機(jī)引腳具體情況如圖 所示。 14 圖 AT 89C51 引腳結(jié)構(gòu) 89C51 單片機(jī)在本次設(shè)計(jì)中充當(dāng)“大腦”的角色，通過單片機(jī)控制 ADC0808轉(zhuǎn)換器選擇轉(zhuǎn)換具體某路模擬電壓值，并將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字電壓值通過 P0 口在LCD 液晶顯示屏上面顯示，同時(shí)將轉(zhuǎn)換的數(shù)字電壓值，通過控制串口上傳到上位機(jī)上面。 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 復(fù)位電路 復(fù)位電路