【文章內(nèi)容簡介】 通過硬 件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖，程序流程圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)性能良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展與升級(jí)，可以有效的滿足各種數(shù)據(jù)采集的需要。 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 4 外部物理世界連接的橋梁。它在現(xiàn)代信息領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，是信息產(chǎn)品不可或缺的重要組成部分。因此選擇基于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很有意義也是很有必要的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采 集，監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本提供信息和手段。在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一。總之，不論在哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理越及時(shí)，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益也越高。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 5 第 2 章 系統(tǒng)分析與總體設(shè)計(jì) 通用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件和軟件只有密切配合、協(xié)調(diào)一致，才能組成一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是相互關(guān)聯(lián)的，不能截然分開，硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮系統(tǒng)資源及 軟件的實(shí)現(xiàn)方法，而軟件設(shè)計(jì)時(shí)又要了解硬件的工作原理。 通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)過程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)階段，但各個(gè)階段不是絕對(duì)分開的，有事需要交叉進(jìn)行。本次設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的是室內(nèi)溫度的采集，首先我們要對(duì)溫度采集系統(tǒng)所需要的硬件有個(gè)正確的選擇，以便能夠在設(shè)計(jì)既能打到目的，又能節(jié)省資源。 總體設(shè)計(jì) 溫度檢測系統(tǒng)有則共同的特點(diǎn)：測量點(diǎn)多、環(huán)境復(fù)雜、布線分散、現(xiàn)場離監(jiān)控室遠(yuǎn)等。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號(hào)，則需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的接口電路，才能把傳 感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到計(jì)算機(jī)去處理。這樣，由于各種因素會(huì)造成檢測系統(tǒng)較大的偏差；又因?yàn)闄z測環(huán)境復(fù)雜、測量點(diǎn)多、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)及各種干擾的影響，會(huì)使檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降 。所以多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和主控單元的設(shè)計(jì)。關(guān)于信號(hào)的傳輸部分，我們也要作為重點(diǎn)去考慮怎樣才能使系統(tǒng)更加完善、更加準(zhǔn)確，在傳輸?shù)倪^程中盡量避免因外界干擾使得信號(hào)產(chǎn)生數(shù)據(jù)偏差，以便于該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬凑找髮?shí)現(xiàn)功能。 2. 2 方案論證 傳感器的選擇 方案一： 采用熱敏電阻， 熱敏電阻是 對(duì)熱敏感的半導(dǎo)體電阻，其阻值隨溫度變化的曲線呈非線性。 熱敏電阻工作范圍較寬， 可滿足 50 攝氏度至 315 攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，偏差較大且容易受到環(huán)境的影響。 方案二：采用單片模擬量的溫度傳感器，比如 AD590， LM35 等。這些芯片青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 6 輸出的都是模擬信號(hào)，必須要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才能送給計(jì)算機(jī)，這樣就使得硬件制作上復(fù)雜化。而且，這種測溫裝置的一根線上只能掛一個(gè)傳感器，不能進(jìn)行多點(diǎn)的測量。即使能實(shí)現(xiàn)，也要用到復(fù)雜的算法，在一定程度上也增加了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。因此采用模擬量 的傳感器顯然也不合適。 方案三：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。直接把信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路，節(jié)省原件，且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線性度較好。在 0~100 攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于 1 攝氏度，精確性可靠。 DS18B20的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì) DS1820 和微控制器AT89S52 構(gòu)成的溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣，測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就相對(duì)簡單，體積也 不大，且由于 AT89S52 可以帶多個(gè) DSB1820，因此可以非常容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。 采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個(gè)趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應(yīng)用這一溫度芯片，也是順應(yīng)這一趨勢。 主控部分 方案一：采用 AT89S52 八位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各 樣的算術(shù)算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨(dú)對(duì)多 DS18B20 控制工作，還可以與 PC 機(jī)通信 .運(yùn)用主從分布式思想，由一臺(tái)上位機(jī)（ PC 微型計(jì)算機(jī)），下位機(jī)（單片機(jī)）多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集，組成兩級(jí)分布式多點(diǎn)溫度測量的巡回檢測系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。另外 AT89S52在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。 方案二：使用 MSP430 作控制器，超低功率 16 位 RISC 混合信號(hào)處理器MSP430 產(chǎn)品系列為電池供電測量應(yīng)用提供了最終解決方案。作為混合信號(hào)和數(shù)字技術(shù) 的領(lǐng)導(dǎo)者， TI 公司創(chuàng)新生產(chǎn)的 MSP430，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在保持獨(dú)一無二的低功率的同時(shí)同步連接至模擬信號(hào)、傳感器和數(shù)字組件。但在溫度采集和實(shí)施控制這個(gè)重要的場合低功耗相對(duì)來說顯得就不是那么重要了，而應(yīng)該考慮它的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)比 AT89S52 能夠在性能和資源都可以到達(dá)一個(gè)最佳的狀態(tài)，可以避免用 MSP430 的不必要的資源浪費(fèi)。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 7 數(shù)據(jù)傳輸部分 方案一：使用 CC1101 做無線發(fā)送和接收部分，這種模塊功耗低，最大發(fā)射功率 10mW，基于 FSK 的調(diào)制方式，采用高頻前向交錯(cuò)和信道交織編碼技術(shù)，隨機(jī)抗干擾和突發(fā)抗干擾的能力都比較強(qiáng)，誤碼率也比較低。在直線可視的情況下，無線放置高度位置 2 米，適用于主從較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。該模塊使用頻段為420MHz440MHz。 方案二：使用 24L01 做數(shù)據(jù)傳輸部分， 24L01 是一中微功耗模塊，相比于CC1101 還要低很多，內(nèi)置 天線，體積小巧，方便集成使用。 125 個(gè)頻點(diǎn)，滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信使用，支持 2M 的高速數(shù)據(jù)傳輸，減少發(fā)射的時(shí)間。24L01 芯片有自動(dòng)重發(fā)功能，自動(dòng)檢查和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，這種性能是 CC1101所不具備的，該芯片使用的頻段為 全球開放 ISM 頻段。 因此，我們這里采用微功耗的 24L01 作為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊。 方案確立 綜上所述，我們傳感器采用方案三，控制器采用方案一，數(shù)據(jù)傳輸采用方案二。那么該采集系統(tǒng)通過 18B20 分點(diǎn)采集溫度之后經(jīng)過 AT89S52 的數(shù)據(jù)處理后分別經(jīng)過 24L01 模塊的發(fā)射和接收，傳送到主機(jī)的 AT89S52，經(jīng)過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理之后在 LCD 上顯示出來。系統(tǒng)的發(fā)射電路和接收電路框圖如 圖 和 所示 。 圖 發(fā)射電路系統(tǒng)框圖 復(fù)位電路 電源電路 DS18B20 24L01 發(fā)射模塊 AT89S52 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 8 圖 接收電路系統(tǒng)框圖 AT89S52 復(fù)位電路 電源電路 24L0 接收模塊 12864 顯示電路 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 9 第 3 章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 溫度采集電路包括溫度采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、單片機(jī)控制電路、數(shù)據(jù)顯示電路和外圍電路。主要用到的元器件有單片機(jī) AT89S52（主控部分），溫度采集器 DS18B20， 24L01（作為數(shù)據(jù)傳輸模塊）， 12864（顯示屏）， 5V 電源（本設(shè)計(jì)購買的成品電源）。 單片機(jī) AT89S52 及其最小電路 AT89S52 簡介 如圖 31 所示為 AT89S52 芯片的引腳圖。兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)的AT89S52 單片機(jī)是一個(gè)低功耗、高性能 CHMOS 的單片機(jī)，片內(nèi)含 4KB 在線可編程 Flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)。它與通用 80C51 系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳兼容。 AT89S52 單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可允許在線重新編程，也可用通用非易失性存儲(chǔ)編程器編程；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含 128 字節(jié)的 RAM；有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口 。具有兩個(gè) 16 位可編程定時(shí)器；中斷系統(tǒng)是具有6 個(gè)中斷源、 5 個(gè)中斷矢量、 2 級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)；震蕩器頻率 0到 33MHZ，因此我們?cè)诖诉x用 12MHZ 的晶振是比較合理的；具有片內(nèi)看門狗定時(shí)器；AT89S52 引腳圖如圖 所示。 EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10U3AT89S52 圖 AT89S52 引腳圖 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 10 AT89S52 引腳說明 P0 口： 8 位、開漏級(jí)、雙向 I/O 口。 P0 口可作為通用 I/O 口，但須外接上拉電阻；作為輸出口，每各引腳可吸收 8 各 TTL 的灌電流。作為輸入時(shí)，首先應(yīng)將引腳置 1。 P0 也可用做訪問外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)的低 8 位地址 /數(shù)據(jù)總線的復(fù)用線。在該模式下， P0 口含有內(nèi)部上拉電阻 。在 FLASH 編程時(shí)， P0口接收代碼字節(jié)數(shù)據(jù)；在編程效驗(yàn)時(shí)， P0 口輸出代碼字節(jié)數(shù)據(jù) (需要外接上拉電阻 )。 P1 口： 8 位、雙向 I/0 口，內(nèi)部含有上拉電阻。 P1 口可作普通 I/O 口。輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)四個(gè) TTL 負(fù)載；用作輸入時(shí)，先將引腳置 1，由片內(nèi)上拉電阻將其抬到高電平。 P1 口的引腳可由外部負(fù)載拉到低電平，通過上拉電阻提供電流。在 FLASH 并行編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口可輸入低字節(jié)地址。在串行編程和效驗(yàn)時(shí)， 、輸出和移位脈沖引腳。 P2 口 ：具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P2 口用做輸出口時(shí)，可驅(qū)動(dòng)4 各 TTL 負(fù)載；用做輸入口時(shí)，先將引腳置 1，由內(nèi)部上拉電阻將其提高到高電平。若負(fù)載為低電平，則通過內(nèi)部上拉電阻向外部輸出電流。 CPU 訪問外部 16位地址的存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口提供高 8 位地址。當(dāng) CPU 用 8 位地址尋址外部存儲(chǔ)時(shí)，P2 口為 P2 特殊功能寄存器的內(nèi)容。在 FLASH 并行編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口可輸入高字節(jié)地址和某些控制信號(hào)。 P3 口：具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向口。 P3 口用做輸出口時(shí)，輸出緩沖器可吸收 4 各 TTL 的灌電流；用做輸入口時(shí)，首先將引腳置 1，由 內(nèi)部上拉電阻抬位高電平。若外部的負(fù)載是低電平，則通過內(nèi)部上拉電阻向輸出電流。在與FLASH 并行編程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口可輸入某些控制信號(hào)。 P3 口除了通用 I/O 口功能外，還有替代功能，如表 31 所示。 表 31 P3 口的替代功能 引腳 符號(hào) 說明 RXD 串行口輸入 TXD 串行口輸出 /INT0 外部中斷 0 /INT1 外部中斷 1 T0 T0 定時(shí)器的外部的計(jì)數(shù)輸入 T1 T1 定時(shí)器的外部的計(jì)數(shù)輸入 /WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫選 通 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 11 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀選通 RST：復(fù)位端。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將系統(tǒng)復(fù)位。 ALE/ /PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（允許地址鎖存）是一個(gè)用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)的書粗脈沖。在 Flash 編程期間，此引腳也可用于輸入編程脈沖（ /PROG）。在正常操作情況下， ALE 以振蕩器頻率的 1/6 的固定速率發(fā)出脈沖，它是用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，需要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，