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基于c51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-24 23:03 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 點(diǎn),使得基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于沒(méi)有上位機(jī)的支持,不管采用什么樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,它的存儲(chǔ)容量都是有限的,所以不得不對(duì)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋刷新,這樣不利于用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析,因而也不能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的把握。本系統(tǒng)采用下位機(jī)負(fù)責(zé)模擬數(shù)據(jù)的采集,從單片機(jī)負(fù)責(zé)采集八路數(shù)據(jù),并應(yīng)答主機(jī)發(fā)送的命令,上位機(jī)即主機(jī)是負(fù)責(zé)處理接受過(guò)來(lái)的數(shù)字量的處理及顯示,主機(jī)和從機(jī)之間用PL2303或RS232進(jìn)行通信。這樣用戶可以在上位機(jī)上編寫(xiě)各種程序?qū)ξ募械臄?shù)據(jù)進(jìn)行有效查詢和分析,有利于工業(yè)過(guò)程的長(zhǎng)期正常運(yùn)行和檢查。該系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機(jī),此芯片功能比較強(qiáng)大,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 采用的方法實(shí)際PCF8591是8路8位AD,最大數(shù)位255,它外部有一個(gè)基準(zhǔn)電壓,調(diào)節(jié)所測(cè)電壓范圍,我們所測(cè)外部模擬電壓范圍為05V,0V對(duì)應(yīng)為0,5V就對(duì)應(yīng)255,外部所測(cè)電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換AD變化為數(shù)字量0255,數(shù)碼管也就顯示此值十進(jìn)制轉(zhuǎn)化值((AD/255)*5)。然后通過(guò)PL2303或RS232轉(zhuǎn)換送到PC機(jī)上顯示,顯示界面為我們送的串口調(diào)試界面。 實(shí)現(xiàn)步驟用Protel99se作圖軟件畫(huà)出電路的PCB圖和SCH圖。用Keil uvision3軟件編寫(xiě),通過(guò)串口調(diào)試助手將編寫(xiě)程序下載的主芯片中。用LED顯示所測(cè)電壓值的數(shù)字量。用USB接口與電腦相連,實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與下位機(jī)相連。從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的同 步顯示。 預(yù)期成果 分析階段:?jiǎn)纹瑱C(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求分析。根據(jù)基于C51單片機(jī)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(xiě)需求說(shuō)明書(shū)。設(shè)計(jì)階段:分為概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì),解決系統(tǒng)怎樣做的問(wèn)題。包括功能設(shè)計(jì)和電路布線設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊:按鍵、LED顯示、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能,并設(shè)計(jì)各模塊間的接口,完成數(shù)據(jù)傳輸及采集工作。實(shí)現(xiàn)階段:采用C語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言編碼,采用KeiluVision3軟件完成,并用Protel 99 SE軟件進(jìn)行電路圖的繪制,用數(shù)據(jù)線串行來(lái)實(shí)現(xiàn)更為完整的系統(tǒng)功能。測(cè)試階段:基于C51單片機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集,測(cè)試本系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期的設(shè)想,是否能完成數(shù)據(jù)采集工作,針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題或新的要求及時(shí)完善本系統(tǒng)。完成階段:撰寫(xiě)《基于C51單片機(jī)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)報(bào)告》及畢業(yè)論文。第二章 開(kāi)發(fā)環(huán)境及開(kāi)發(fā)工具 在本設(shè)計(jì)中用到了Protel99se對(duì)單片機(jī)板子原理圖元件庫(kù)元件圖、單片機(jī)板子原理圖、單片機(jī)板子PCB圖元件庫(kù)元件圖、單片機(jī)板子PCB圖進(jìn)行了畫(huà)圖;用到了KeilUvision3編寫(xiě)了電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的代碼,進(jìn)行了編譯并產(chǎn)生了一個(gè)HEX文件;用到了Microsoft Visual Studio 2005軟件編寫(xiě)了一個(gè)PC機(jī)電壓數(shù)值顯示界面; 選好COM口后就會(huì)顯示電壓數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制顯示。 Protel99se介紹Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計(jì)軟件,采用設(shè)計(jì)庫(kù)管理模式,可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì),具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開(kāi)放性及3D模擬功能,是一個(gè)32位的設(shè)計(jì)軟件,可以完成電路原理圖設(shè)計(jì),印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作,可以設(shè)計(jì)32個(gè)信號(hào)層,16個(gè)電源地層和16個(gè)機(jī)加工層。 按照系統(tǒng)功能來(lái)劃分,Protel99se主要包含以下倆大部分和6個(gè)功能模塊。電路工程設(shè)計(jì)部分(1)電路原理設(shè)計(jì)部分(Advanced Schematic 99):電路原理圖設(shè)計(jì)部分包括電路圖編輯器(簡(jiǎn)稱(chēng)SCH編輯器)、電路圖零件庫(kù)編輯器(簡(jiǎn)稱(chēng)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(kù);查看和編輯有關(guān)電路圖和零件庫(kù)的各種報(bào)表。 ?。?)印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced PCB 99):印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器(簡(jiǎn)稱(chēng)PCB編輯器)、零件封裝編輯器(簡(jiǎn)稱(chēng)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(dòng)布線系統(tǒng)(Advanced Route 99):本系統(tǒng)包含一個(gè)基于形狀(Shapebased)的無(wú)柵格自動(dòng)布線器,用于印刷電路板的自動(dòng)布線,以實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的自動(dòng)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(gè)數(shù)字/模擬信號(hào)仿真器,可提供連續(xù)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào),以便對(duì)電路原理圖進(jìn)行信號(hào)模擬仿真,從而驗(yàn)證其正確性和可行性?! 。?)可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced PLD 99):可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含一個(gè)有語(yǔ)法功能的文本編輯器和一個(gè)波形編輯器(Waveform)。本系統(tǒng)的主要功能是;對(duì)邏輯電路進(jìn)行分析、綜合;觀察信號(hào)的波形。利用PLD系統(tǒng)可以最大限度的精簡(jiǎn)邏輯部件,使數(shù)字電路設(shè)計(jì)達(dá)到最簡(jiǎn)化?! 。?)高級(jí)信號(hào)完整性分析系統(tǒng)(Advanced Integrity 99):信號(hào)完整性分析系統(tǒng)提供了一個(gè)精確的信號(hào)完整性模擬器,可用來(lái)分析PCB設(shè)計(jì)、檢查電路設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)超調(diào)量、阻抗和信號(hào)諧波要求等。 Protel99SE的功能特性開(kāi)放式集成化的設(shè)計(jì)管理體系 超強(qiáng)功能的、修改與編輯功能 強(qiáng)大的設(shè)計(jì)自動(dòng)化功能 Microsoft Visual Studio 2005介紹 Microsoft Visual Studio 。它同時(shí)也能開(kāi)發(fā)跨平臺(tái)的應(yīng)用程序,如開(kāi)發(fā)使用微軟操作系統(tǒng)的手機(jī)的程序等。總體來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常龐大的軟件,甚至包含代碼測(cè)試功能。這個(gè)版本的Visual Studio 包含有眾多版本,分別面向不同的開(kāi)發(fā)角色。 Microsoft Visual Studio 2005 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)工具系列,旨在為Microsoft Windows 操作系統(tǒng)、Web和移動(dòng)設(shè)備快速構(gòu)建和部署各種應(yīng)用程序。Microsoft Visual Studio 2005 產(chǎn)品能為各類(lèi)開(kāi)發(fā)人員提供更廣闊的開(kāi)發(fā)空間和更先進(jìn)的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。其特點(diǎn)有: 支持 Visual Basic、C、C++ 和 J 語(yǔ)言。 開(kāi)發(fā)和部署基于客戶端服務(wù)器結(jié)構(gòu)的 Windows 應(yīng)用程序、Web 應(yīng)用程序、SmartPhone 和 Pocket PC 應(yīng)用程序。 幾乎適用于任何類(lèi)型應(yīng)用程序的“拖放式”用戶界面設(shè)計(jì)器。 包含一個(gè)用于測(cè)試 Web 應(yīng)用程序的內(nèi)置 Web 服務(wù)器,無(wú)需 IIS。 支持母板頁(yè),用于跨 Web 應(yīng)用程序維護(hù)一致的外觀。 用于簡(jiǎn)單、直觀地進(jìn)行調(diào)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(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE),該IDE同時(shí)也是PK51及其它開(kāi)發(fā)套件的一個(gè)重要組件。除增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進(jìn)的搜索功能外,uVision3還提供了一個(gè)配置向?qū)Чδ埽铀倭藛?dòng)代碼和配置文件的生成。此外其內(nèi)置的仿真器可模擬目標(biāo)MCU,包括指令集、片上外圍設(shè)備及外部信號(hào)等。uVision3提供邏輯分析器,可監(jiān)控基于MCUI/O引腳和外設(shè)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(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案,通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(UVISION)將這些組合在一起。Keil有以下幾個(gè)特點(diǎn): 全功能的源代碼編輯器; 器件庫(kù)用來(lái)配置開(kāi)發(fā)工具設(shè)置; 項(xiàng)目管理器用來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)用戶的項(xiàng)目; 集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用;1 所有開(kāi)發(fā)工具的設(shè)置都是對(duì)話框形式的;1 真正的源代碼級(jí)的對(duì)CPU和外圍器件的調(diào)試器;1 高級(jí)GDI(AGDI)接口用來(lái)在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和 Monitor51 進(jìn)行通信 其它 單片機(jī)下載驅(qū)動(dòng)軟件:將Keil軟件編程代碼通過(guò)USB接口下載到主芯片STC89C52中,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓數(shù)據(jù)采集工作。 :,能設(shè)置校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位,能以ASCII碼或十六進(jìn)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(shè)定自動(dòng)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(tái)式PC機(jī)支持標(biāo)準(zhǔn)RS232接口,當(dāng)下帶有串口的PC很少見(jiàn),所以需要usb/232轉(zhuǎn)換接口,并且安裝相應(yīng)驅(qū)動(dòng)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(chēng)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(nèi)部的一個(gè)接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個(gè)領(lǐng)域。70年代初,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(zhuǎn)換器的出現(xiàn),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變革。原來(lái)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(fèi)用大大地降低。在該系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量,而 A/D是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件,他需要考慮的指標(biāo)有:分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、轉(zhuǎn)換誤差等等。而單片機(jī)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?wù)。在該系統(tǒng)中采用的是PCF8591系列的單片機(jī)。雙機(jī)通信有兩種方式:RS232標(biāo)準(zhǔn)接口串行通信和PL2303 USB—UART通信,由芯片RS232實(shí)現(xiàn)雙機(jī)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(jiǎn)單,在生活中接觸也較多。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號(hào)調(diào)理電路,多路切換電路,采樣保持電路,A/D,單片機(jī)等組成。:A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)單片機(jī)LED顯示器滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)按鍵RS232或PL2303采集信號(hào) 系統(tǒng)框圖 方案論證 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多,就位數(shù)來(lái)說(shuō),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(jià)格也就越貴。A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)很多,而其轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換誤差也各不相同。(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(shí)間在幾微秒到幾百微秒之間。(2)雙積分A/D轉(zhuǎn)換器:它是一種間接式的A/D轉(zhuǎn)換器,優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng),精度比較高,缺點(diǎn)是數(shù)度很慢,適用于對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)度要求不高的系統(tǒng)。(3)并行式A/D轉(zhuǎn)換器:它又被稱(chēng)為flash(快速)型,它的轉(zhuǎn)換數(shù)度很高,但她采用了很多個(gè)比較器,而n位的轉(zhuǎn)換就需要2n1個(gè)比較器,因此電路規(guī)模也極大,價(jià)格也很貴,只適用于視頻A/D轉(zhuǎn)換器等數(shù)度特別高的領(lǐng)域。鑒于上面三種方案,在價(jià)格、轉(zhuǎn)換速度及應(yīng)用程度等多種標(biāo)準(zhǔn)考量下,在本設(shè)計(jì)選用的是逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器——PCF8591單片機(jī)是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片,是微型計(jì)算機(jī)中的一個(gè)重要的分支。此系統(tǒng)是由CPU、隨即存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、只讀程序存儲(chǔ)器、輸入輸出電路(I/O口),還有可能包括定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口、USB接口、顯示驅(qū)動(dòng)電路(LCD和LED驅(qū)動(dòng)電路)、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一個(gè)單塊芯片上,構(gòu)成了一個(gè)最小但完善的計(jì)算機(jī)任務(wù)。單片機(jī)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(jī)內(nèi)。而本設(shè)計(jì)選用的是STC89C52. 串行口的選擇串行口我選用了標(biāo)準(zhǔn)RS232C接口,它是電平與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(jiǎn)單而且功能齊全。我們還采用了USBUART轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行通行,USB接口既可以為單片機(jī)提供電源也可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的的連接從而實(shí)現(xiàn)電壓值的接受與轉(zhuǎn)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(gè)LED顯示管,其中7個(gè)用于顯示字符,1個(gè)用來(lái)顯示小數(shù)點(diǎn),故通常稱(chēng)之為八段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。對(duì)LED數(shù)碼顯示器的控制可以采用按時(shí)間向它提供具有一定驅(qū)動(dòng)能力的位選和段選信號(hào)。LED數(shù)碼顯示有動(dòng)態(tài)掃描顯示法和靜態(tài)顯示。在單片機(jī)中,為了節(jié)省硬件資源,多采用動(dòng)態(tài)掃描顯示法。 按鍵 單片機(jī)中的復(fù)位方式有三種:手動(dòng)按鈕復(fù)位、上電復(fù)位、積分型上電復(fù)位。我們采用的是手動(dòng)復(fù)位,把單片機(jī)內(nèi)部電路設(shè)置成為一個(gè)確定的狀態(tài),所有的寄存器初始化。通過(guò)復(fù)位可以瞬間讓單片機(jī)處于初始狀態(tài),轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)變阻器后按復(fù)位鍵,電壓值會(huì)相應(yīng)的變?yōu)檎_的電壓值。 通信方式 計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)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(yuǎn)程傳輸時(shí),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(shí),要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口,使不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。 RS232C接口(又稱(chēng) 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(shí)驗(yàn)中我們采用的是I2C通信。 1) UART是單片機(jī)與PC之間的最簡(jiǎn)單的通信方式之一,也是單片機(jī)之間常用通信。2) I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)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(guò)程中共有三種特殊類(lèi)型信號(hào), 它們分別是:開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。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(hào);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(hào)。 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(hào)為低電平期間,SDA狀態(tài)才允許變化。如圖所示: 3)該設(shè)計(jì)采用的是I2C通信的方式
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