【正文】 由于本設(shè)計 我們所測外部模擬電壓范圍為 05V， 0V對應(yīng)為 0,5V 就對應(yīng) 255，外部所測電壓經(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制轉(zhuǎn)化值（（ AD/255）*5）。 在前三個字節(jié)操作過程，都要等待器件給與回應(yīng)一個“應(yīng)答位 0” 第四個字節(jié)，接收從器件發(fā)回的首字節(jié)后，單片機要主動返回一個“ (非 )應(yīng)答位 0”?? 特別注意： 接收器件返回數(shù)據(jù)的中間字節(jié)，主機主動返回“應(yīng)答位 0”，但最后一個字節(jié)，主機要返 回一個“非應(yīng)答位 1”，以此通知從機讀取數(shù)據(jù)結(jié)束，發(fā)送停位。 （ 5） I2C 通信的讀數(shù)據(jù) I2C_read byte()操作 圖 I2C 通信的應(yīng)答 I2C_ACK()與非應(yīng) I2C_Wakita()答操作 首先 I2C 起始信號，然后 發(fā)送首字節(jié)，即器件（ EEPROM)地址。主機讀數(shù)據(jù)時，接收一個字節(jié)結(jié)束后，主機也需要發(fā)送一應(yīng)答位“ 0”，但是當接收最后一個字節(jié)結(jié)束后，則需發(fā)送一個非應(yīng)答位“ 1”，發(fā)完了 1后，再發(fā)一個停止信號，最終結(jié)束通信。電路圖如 上 圖所示： 中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 51 頁 5 軟件部分 單片機主程序設(shè)計 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計有一個主程序 ,六個子程序部分，六個子程序部分分別為 I2C 通信的啟動 I2C_start(）與停止 I2C_stop()操作、 I2C 通信的應(yīng)答 I2C_ACK()與非應(yīng) I2C_Wakita()答操作、 I2C 通信的數(shù)據(jù)發(fā)送 I2C_send byte()與接收 I2C_rec byte()操作、 I2C 通信的讀數(shù)據(jù) I2C_read byte()操作、采用 UART 發(fā)送數(shù)據(jù) UART_Send_Byte()到 PC 機界面操作、數(shù)碼管數(shù)據(jù)的顯示與刷新 refresh()操作。元件布局是印制電路板設(shè)計中比較花費精力的一個步驟，需要設(shè)計者有足夠的耐心 [30]。 PCB 圖設(shè)計 設(shè)計中數(shù)據(jù)采集單片機的 PCB 圖是由單片機的原理圖生成的，其操作步驟為： 1． 加載網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝：網(wǎng)絡(luò)表是自動布線的基礎(chǔ)，是連接原理圖和印制電路板的紐帶。 STC89C52 中的 端與 端分別與 24C01 的 SDA 端和 SCL 端相連。 晶振 類似單片機的心臟，是給單片機提供工作節(jié)拍的，旁邊的電容是 起振作用 [29]。 原理圖設(shè)計 該系統(tǒng)是一個主從式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主機和從機均用單片機實現(xiàn)，它的主機部分負責數(shù)據(jù)處理 和顯示，主機和從機之間用 USB— UART 轉(zhuǎn)換電路 PL2303 進行通信。 圖 AD、 DA 設(shè)計電路圖 當系統(tǒng)為 A/D 轉(zhuǎn)換時，模擬輸出允許為 0。控制字節(jié)存放在控制寄存器中。引腳地址為 A A A0，其值由用戶選擇，因此 I2C系統(tǒng)中最多可接 8個具有 I2C 總線接口的 A/D器件。 AOUT: D/A 轉(zhuǎn)換輸出端。 (～ 6V) SDA、 SCL： I2C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。電源電壓典型值為5V。這就是說，它既可以作 A/D 轉(zhuǎn)換也可以作 D/A 轉(zhuǎn)換。 按模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的原理可以分為 3 種：雙積分式、逐次逼近式及并行式A/D 轉(zhuǎn)換器 。C 總線接口 。如圖所示 （ 2）共陽極接法。 ② 128字節(jié)的輸出緩沖區(qū)和 384字節(jié)的輸入緩沖區(qū) 。 4. 寬廣的流量控制機制 . ① 自動與 CTS / RTS 流控制 。 ② 六個調(diào)制解調(diào)控制引腳（ RTS， CTS， DTR， DSR， DCD 和 RI） 。 PL2303 作為 USB／ RS232 雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機接收 USB 數(shù)據(jù)并將其 轉(zhuǎn)換為 RS232 信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從 RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機。在解調(diào)器應(yīng) 用中 ,賦能輸入端可用作數(shù)據(jù)輸入端。將快速賦能電路用于高速存貯器時 ,譯碼器的延遲時間和存貯器的賦能時間通常小于存貯器的典型中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 51 頁 存取時間 ,這就是說由肖特基鉗位的系統(tǒng)譯碼器所引起的有效系統(tǒng)延遲可以忽略不計。譯碼器按其功能可分為三大類： ? 變量譯碼器：將輸入的二進制代碼還原為原始輸入信號。 綜上所述，本著實用、可靠、安全、簡潔及經(jīng)濟等設(shè)計原則，設(shè)計開發(fā)了基于單片機 STC89C52 。 改變編程的存儲單元地址和編程數(shù)據(jù)重復(fù)上述步驟直到編程文件最后。 4. 芯片擦除整個 EPROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。另外，該引腳被略微拉高。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。當振蕩器復(fù)位時，要保持 RST腳兩個機器周期的高電平時間。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流，這是由于 內(nèi)部上拉的中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 51 頁 緣故。 P1口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P0口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個 TTL 門電流。 單片機的引腳特點是： 1. 單片機多功能，少引腳，使得引腳復(fù)用現(xiàn)象較多。工作電源又分主電源、備用電源和編程電源。編程速度很快，擦除時也無需紫外線，非常方便。 （ 9） 89C51單片機與 8051相比，具有節(jié)電工作方式，即休閑方式及掉電方式。 （ 5）兩個 16位的定時器 /計數(shù)器，每個定時器 /計數(shù)器都可設(shè)置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式。 本設(shè)計采用 89C51作為系統(tǒng)的主控芯片，芯片結(jié)構(gòu)框圖如下： 外部事件計數(shù)輸入 DBUS 內(nèi)中斷 外中斷 控 制 P0 P2 P1 P3 串行通信 地址 /數(shù)據(jù) 圖 89C51 單片機結(jié)構(gòu)框圖 振蕩器和時序 OSC 程序存儲器4KB ROM 數(shù)據(jù)存儲器256B RAM/SFR 2x16位定時器 /計數(shù)器 89C51 CPU 可編程全雙工 串行口 可編程 I/O 口 64KB 總線擴展控制器 中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 共 51 頁 89C51單片機包含： （ 1）一個 8位的 80C51微處理器。 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。 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。 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。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 [20]。 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。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(zhuǎn)換和接收轉(zhuǎn)換的雙重功能。 (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(zhuǎn)換數(shù)度要求不高的系統(tǒng)。 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇 A/D 轉(zhuǎn)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。 方案論證 單片機的選擇 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。在該系統(tǒng)中采用的是 STC89C52 單片機。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。 用于簡單、直觀地進行調(diào)試的“編輯并繼續(xù)”功能 。 開發(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、Smart Phone 和 Pocket PC 應(yīng)用程序。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 [17]。所寫的目標代碼適用于微軟支持的所有平臺，包括 Microsoft Windows、 Windows Mobile、 Windows CE、 NET Framework、 NET Compact Framework 和 Microsoft Silverlight 及 Windows Phone。 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(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ Uvision3）將這些組合在一起 [26]。 Protel 99SE 的功能特性 : ? 開放式集成化的設(shè)計管理體系 ? 超強功能的、修改與編輯功能 ? 強大的設(shè)計自動化功能 Keil Uvision3 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。 （ 2）可編程邏輯設(shè)計系統(tǒng)（ Advanced PLD 99）：可編程邏輯設(shè)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）。 （ 2）印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)（ Advanced PCB 99）：印刷電路板設(shè)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。其中 Advanced Schematic 由兩部分組成：電路圖 編輯器 （ Schematic）和元件庫編輯器（ Schematic Library）。 中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 51 頁 2 開發(fā)環(huán)境及開發(fā)工具 在本設(shè)計中用到了 Protel 99SE 對單片機板原理圖元件庫元件圖、單片機板原理圖、單片機板 PCB 圖元件庫元件圖、單片機板 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(chǎn)生了一個 HEX 文件；用到了 Microsoft Visual Studio 2020 軟件編寫了一個 PC機電壓數(shù)值顯示界面；同時還用到了 串口調(diào)試助手 選好 COM 口后就會顯示電壓數(shù)據(jù)的十六進制顯示。然后通過 PL2303或 RS232轉(zhuǎn)換送到 PC機上顯示，顯示界面為串口調(diào)試界面。 本文主要是在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，通過對電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理和控制方案的研究和分析，完成單片機控制系統(tǒng)及輔助電路設(shè)計。通過計算機網(wǎng)絡(luò)與其他電能采集系統(tǒng)交換電能量計量信息 ,與有關(guān)生產(chǎn)管理部門實現(xiàn)信息共享 [10]。電力采集系統(tǒng)主要由主站端計算機系統(tǒng)、廠站端電量采集器和信息通信網(wǎng)絡(luò) 3部分組成 ,它涉及到電子、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)等多方面的專業(yè)知識 [9]。如愛爾蘭 ACRA 公司 2020 年研發(fā)推出的新一代 KAM500 機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到了 2020中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 51 頁 年。該數(shù)據(jù)采集對拾震計輸出的電信號模擬放大后送至 A/D 數(shù)字化， A/D采用同時采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng) DSP數(shù)字濾波處理后，變成數(shù)字地震信號 [7]。它起始于 20 世紀中期，在過去的幾十年里，隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集方面的技術(shù)也取得了長足的進步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前 社會的發(fā)展主流方向。 中北大學信息商務(wù)學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 51 頁 盡管現(xiàn)在以微機為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，而且組成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機的擴展槽內(nèi)并輔以應(yīng)用軟件，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會對基于單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 20世紀 90 年代至今，在國際上技術(shù)先進的