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正文內(nèi)容

基于單片機分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-04-03 11:26 本頁面
 

【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。因此提高了運行速度。 PIC 系列單片機的 I/O 腳增加了用于設置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器從而解決了 51系列 I/O 腳為高電平時同為輸入和輸出的狀態(tài)。當置位 1 時為輸入狀態(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)動能力,低電平吸入電流達 25mA,高電平輸出電流可達 20mA。 相對于 51 系列而言,這是一個很大的優(yōu)點,它可以直接驅(qū)動數(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)動能力強等特點。 缺點:該系列單片機的專用寄存器( SFR)并不像 51 系列那樣都集中在一個固定的地址區(qū)間內(nèi) (80~ FFH),而是分散在四個地址區(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 個專用寄存器 PCL、STATUS、 FSR、 PCLATH、 INTCON 在 4 個存儲體內(nèi)同時出現(xiàn)。在編程過程中,得反復地選擇對應的存儲體這多少給編程帶來了一些麻煩。 PIC 單片機的瓶頸現(xiàn)象嚴重。數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運算基本上都得通過工作寄存器 W(相當于 51 系列的累加器 A)來進行,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 單片機的瓶頸現(xiàn)象比 51 系列還要嚴重。 AVR 系列 優(yōu)點:高性能、高速度、低功耗。與 PIC 系列相當。它取消機器周期,以時鐘周期為指令周期,實行流水作業(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。邏輯運算速度快。在 51 系列中,所有的邏輯運算都必須在 A 中進 行;而 AVR 卻可以在任兩個寄存器之間進行,省去了在 A 中的來回折騰,這些都比 51 系列強。 缺點: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 128 個(為 AVR 的 4 倍),編程時就不會有這種感覺。系統(tǒng)穩(wěn)定性不強。 ARM 系列 隨著電子設備智能化和網(wǎng)絡化程度的不斷提高, ARM 單片機以其低功耗和高性價比逐漸占領了市場成為市場的主流產(chǎn)品。 優(yōu)點:片內(nèi)集成了答容量的 RAM 和 FLASH 存儲器,無需擴展即可實現(xiàn)大型程序的應用。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 32 位的定時器和計數(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,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。 結合 設計的需求 ,我選擇了 51 單片機。 設計中單片機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。同時,根據(jù)價格,資料,知識方面,選擇 51 單片機比較合適。 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,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算機內(nèi)的發(fā)送設備,將幾位并行數(shù)據(jù)經(jīng)并一串轉換硬件轉 換成串行方式,再逐位經(jīng)傳輸線到達接收站的設備中,并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉換成并行方式,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機與通信工業(yè)中應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準。 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信號在正負電平之間擺動,在發(fā)送數(shù)據(jù)時,發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在 +5~ +15V,負電平在 5~ 15V電平。當無數(shù) 據(jù)傳輸時,線上為 TTL,從開始傳送數(shù)據(jù)到結束,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是為點對點 (即只用~對收、發(fā)設備 )通訊而設計的,其驅(qū)動器負載為3~ 7k。所以 RS232適合本地設備之間的通信。計算機上的串行通信端口 RS232是標配,雖然與現(xiàn)在的一些新出的標準相比, RS232通信數(shù)據(jù)低,傳輸距離短,但由于其控制相對簡單,設計成本低,在許多工控設備、電子測量儀器上都備有RS232通信端 121P明。一般的計算機將 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,用 RS232作為傳輸就會容易收到干擾,使信號 發(fā)生錯誤。 為此常改用 RS422傳輸方式。 RS422的信號將被傳送出去時會先分成正負的兩條線路,當?shù)竭_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)動器 A、 B之間的正電平在 +2~ +6v,是一個邏輯狀態(tài),負電平在 2~ 6v,是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地 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)動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能” 端起作用時,發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài),稱作’第三態(tài)’,即它是有別于邏輯 “ 1” 與 “ 0” 的第三態(tài). RS422標準全稱是“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)動器比 RS232更強的驅(qū)動能力,故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點,最多可按 lO個節(jié)點。即一個主設備 (Master), 10 其余為從設備 (Salve),從設備之間不能通信,所以 RS422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k,故發(fā)端最大負載能力是 lO4k+100Q(終接電阻 )。 RS422四線接口由于采用單獨的發(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(一對單獨的雙絞線 )實現(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,由于本設計對采集的模擬速率低,且對周圍環(huán)境要求 不嚴格, 從設計的簡單實用,利于維護,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, 電平與 TTL 電平轉換驅(qū)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。 ( 4) MAX232 實用性很強。 串行通信接口選擇 PC機串口分為 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, 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)終端準備 DTR 20 數(shù)據(jù)終端準備 DTR 5 信號地 GND 7 信號地 GND 6 數(shù)據(jù)設備準備好 DSR 6 數(shù)據(jù)設備準備好 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,所以本設計選擇 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的指令集,可以實現(xiàn)字符移動,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,本設計中采用直流電壓表測量。 小結 本章首先整體分析了 單片機數(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 轉換器,通過 A/D 轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號。單片機通過對通道的控制,選擇性的將具體某路數(shù)字 信號傳輸?shù)絾纹瑱C,單片機將得到的數(shù)字信號 在 LCD 液晶顯示屏上面顯示。同時,將數(shù)據(jù)通過串口 RS232 方式上傳給上位機。 然后,分別對系統(tǒng)硬件所需要要的元器件進行分析,多種型號進行對比,選擇出適合本設計的元器件。通過對逐漸逼近式 A/D 轉換器、雙積分 A/D 轉換器、并行式 A/D 轉換器和 A/D 轉換器的主要指標分辨率、轉換速率、量化誤差、便宜誤差、滿刻度誤差、線性度等進行分析,最終選擇 ADC0808。通過對 51 系列 12 單片機、 PIC 系列單片機、 AVR 系列單片機、 ARM 系列進行各種性能、價格、使用性比較,最終選擇 89C51 單 片機。通過對 RS42 RS232 進行分析比較 ,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,本設計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)是一個多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 3 路電壓表測量 3 個不同滑動變阻器間的電壓,通過滑動變阻器可以實時改變電壓值。將測到的模擬電壓通過 ADC0808轉換器轉換成數(shù)字電壓,轉換中通過 ADD A 、 ADD B 控制選擇 轉換那路電壓。 13 轉換后的數(shù)字電壓由 89C51 單片機控制將數(shù)據(jù)電壓的值傳到 LCD 上面滾動顯示。通過 MAX232 電平轉換連接串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上面顯示。 其電路圖如圖 所示。 圖 硬件總 電路圖 單片機 AT89C51 是一個低電壓,高性能 CMOS8 位單片機,片內(nèi)含 4kbytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器( RAM),器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn),兼容標準 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 是一個低功耗高性能單片機, 40 個引腳, 32 個外部雙向輸入 /輸出( I/O)端口,同時內(nèi)含 2 個外中斷口, 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,1 個全雙工串行通信口。 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 16位定時器 /計數(shù)器 ; 5個中斷源 ; 可編程串行通道 ; 低功耗的閑置和掉電模式 ; 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。 89C51單片機引腳具體情況如圖 所示。 14 圖 AT 89C51 引腳結構 89C51 單片機在本次設計中充當“大腦”的角色,通過單片機控制 ADC0808轉換器選擇轉換具體某路模擬電壓值,并將轉換成的數(shù)字電壓值通過 P0 口在LCD 液晶顯示屏上面顯示,同時將轉換的數(shù)字電壓值,通過控制串口上傳到上位機上面。 單片機的最小系統(tǒng) 復位電路 復位電路
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