【正文】 8051； ② 工作電壓： ～ （ 5V單片機） /～ （ 3V 單片機）； ③ 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作頻率可達48MHz； ④ 用戶應用程序空間為 8K 字節(jié)； ⑤ 片上集成 512 字節(jié) RAM； 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 51 頁 ⑥ 通用 I/O口（ 32 個），復位后為： P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉， P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻； ⑦ ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（ RXD/,TXD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； ⑧ 具有 EEPROM 功能； ⑨ 具有看門狗功能； ⑩ 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā) 電路， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒； 11 通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART； 圖 STC89C52的引腳圖 STC89C52RC 單片機的工作模式 ： 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 15 頁 共 51 頁 ? 掉電模式：典型功耗 A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序； ? 空閑模式：典型功耗 2mA； ? 正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA； ? 掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設備 其引腳圖，如圖 。 在 STC89C52 內(nèi)部有 FLASH 程序存儲器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對其編程。 STC89C52 的概述 STC89C52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可 擦除 只讀存儲器（ FPEROMFlash Programmability And Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 COMOS8 的微處理器，俗稱單片機 [22]。 （ 8）片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許振蕩頻率為 24MHz。 （ 6）具有 5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級和中斷控制系統(tǒng)。 （ 4） 4個 8位并行 I/O 端口 P0P3，每個端口既可用作輸入也可用作輸出。 （ 2）片內(nèi) 256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM/SFR，用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果，最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 總的而言單片機的特點可以歸納為以下幾個方面：集成度高、存儲容量大、外部擴展能力強、控制功能強、低電壓、低功耗、性能價格比高、可靠性高這幾個方面 [21]。如下圖所示： 3） 該設計采用的是 I2C 通信的方式 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 51 頁 4 硬件部分 硬件芯片選擇及功能簡介 單片機的概述 單片機 是一種集成 電路 芯片 ，是采用 超大規(guī)模集成電路 技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的 中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、 只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和 中斷系統(tǒng) 、定時器 /計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、 脈寬調(diào)制 電路、模擬多路 轉(zhuǎn)換器 、 A/D 轉(zhuǎn)換器 等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的 微型計算機系統(tǒng) ，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應用。 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； 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。 2） I2C 總線是由數(shù)據(jù)線 SDA 和時鐘 SCL 構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 RS232C 接口（又稱 EIA RS232C）是目前最常用的一種串行通訊接口。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。通過復位可以瞬間讓單片機處于初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)動滑動變阻器后按復位鍵，電壓值會相應的變?yōu)檎_的電壓值。 按鍵 單片機中的復 位方式有三種：手動按鈕復位、上電復位、積分型上電復位。 LED數(shù)碼顯示有動態(tài)掃描顯示法和靜態(tài)顯示。它使用了8 個 LED 顯示管，其中 7個用于顯示字符， 1個用來顯示小數(shù)點，故通常稱之為八段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 51 頁 我們還采用了 USBUART 轉(zhuǎn)換電路進行 通行， USB 接口既可以為單片機提供電源也可以實現(xiàn)單片機與 PC機的的連接從而實現(xiàn)電壓值的接受與轉(zhuǎn)換。 （ 2）單一電源 +5V 供電 。 串行口的選擇 串行口我選用了標準 RS232C 接口，它是電平與 TTL電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路。 (3)并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器：它又被稱為 flash（快速）型，它的轉(zhuǎn)換數(shù)度很高，但她采用了很多個比較器，而 n 位的轉(zhuǎn)換就需要 2n1 個比較器，因此電路規(guī)模也極 大，價格也很貴，只適用于視頻 A/D轉(zhuǎn)換器等數(shù)度特別高的領(lǐng)域 [19]。 (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)換時間在幾微秒到幾百微秒之間。位數(shù)越高其分辨率就越高，價格也就越貴。 而本設計選用的是 STC89C52。此系統(tǒng)是由 CPU、隨即存取數(shù)據(jù)存儲器、只讀程序存儲器、輸入輸出電路（ I/O口），還有可能包括定時 /計數(shù)器、串行通信口、 USB 接口、顯示驅(qū)動電路（ LCD 和LED 驅(qū)動電路）、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單塊芯片上，構(gòu)成了一個最小但完善的計算機任務。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，多路切換電路，采樣保持電路， A/D,單片采集信號 A / D轉(zhuǎn)換器 單片機 滑動變阻器調(diào)節(jié)按鍵 RS232 或PL2303 LED 顯示器 單片機 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 51 頁 機等組成 。雙機通信有兩種方式： RS232標準接口串行通信和 PL2303USB— UART 通信，由芯片 RS232 實現(xiàn)雙機的通信。而單 片機是該系統(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?。由微處理器去完成程序控制，?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)的重建費用大大地降低 [18]。 70 年代初，隨著計算機技術(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。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 51 頁 3 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集，又稱數(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)部的一個接口。 支持母板頁，用于跨 Web 應用程序維護一致的外觀。 幾乎適用于任何類型應用程序的“拖放式”用戶界面設計器。 其特點有： 支持 Visual Basic、 C、 C++和 J語言。 Microsoft Visual Studio 2020 開發(fā)系統(tǒng)是一個完整的開發(fā)工具系列，旨在為 Microsoft Windows 操作系統(tǒng)、 Web和移動設備快速構(gòu)建和部署各種應用程序?？傮w來說是一個非常龐大的軟件，甚至包含代碼測試功能。 Microsoft Visual Studio 2020 是基于 框架的。VS 是一個基本完整的開發(fā)工具集，它包括了整個 軟件生命周期 中所需 要的大部分工具，如 UML工具、代碼管控工具、 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)等等 [16]。 Uvision3提供對多種最新的 8051類微處理器的支持，包括 Analog Devices的 ADuC83x 和 ADuC84x，以及 Infineon 的 XC866等。 Uvision3 提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于 MCUI/O 引腳和外設狀態(tài)變化下的程序變量。除增加了源代碼、功能導航器、模板編輯以及改進的搜索功能外， Uvision3 還提供了一個配置向?qū)Чδ埽铀倭藛哟a和配置文件的生成 [14]。 （ 3）高級信號完整性分析系統(tǒng)（ Advanced Integrity 99）：信號完整性分析系統(tǒng)提供了一個精確的信號完整性模擬器，可用來分析 PCB 設計、檢查電 路設計參數(shù)、實驗超調(diào)量、阻抗和信號諧波要求等。本系統(tǒng)的主要功能是；對邏輯電路進行分析、綜合；觀察信號的波形。 電路仿真與 PLD 部分 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 51 頁 （ 1）電路模擬仿真系統(tǒng)（ Advanced SIM 99）：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個數(shù)字 /模擬信號仿真器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號 和模擬信號，以便對電路原理圖進行信號模擬仿真，從而驗證其正確性和可行性。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。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；查看和編輯有關(guān)電路圖和零件庫的各種報表 [13]。 按照系統(tǒng)功能來劃分， Protel 99SE 主要包含以下倆大部分和 6個功能模塊。 Protel99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設計（ Advanced Schematic）和多層印刷電路板設計（ Advanced PCB）。 Protel99se 介紹 Protel99SE 是 Proke Technology 公司基于 Windows 環(huán)境下開發(fā)的電路板設計軟件 。 用 LED顯示所測電壓值的數(shù)字量。 實現(xiàn)步驟 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 51 頁 用 Protel 99SE作圖軟件畫出電路的 PCB圖和 SCH圖。 采用的方法 PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換器 是 8路 8位 AD，最大 數(shù)位 255，它外部有一個基準電壓，調(diào)節(jié)所測電壓范圍，我們所測外部模擬電壓范圍為 05V， 0V對應為 0,5V就對應 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)碼管顯示此值 為 十進制轉(zhuǎn)化值（（ AD/255） *5）。 系統(tǒng)由模擬量與開關(guān)量采集模塊、通訊模塊以及上位機人機交互模塊組成 ， 根據(jù) 具體的控制要求 完成控制電路和驅(qū)動設計及 控制系統(tǒng)軟件設計 。也有一些是基于Windows 或者是虛擬儀器家采集卡實現(xiàn)的等等 [11]。 國內(nèi)外對電力數(shù)據(jù)采集器的研究有很多，很多公司和科研單位也有的做出了相應的通用型產(chǎn)品：比如浙江絲綢工學院電工教研室劉建寧研制的數(shù)字功率表可以實現(xiàn)對電網(wǎng)中的電網(wǎng)中的電能或電機功率的測量。而且 ,與周波高低 ,超受、少受、超發(fā)、少發(fā)掛鉤。電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對管轄范圍內(nèi)的電廠的電能量、供電局、供電所售電能 量和一次網(wǎng)損電能量的自動采集和結(jié)算。電力采集系統(tǒng)作為電力營銷系統(tǒng)和未來電網(wǎng)商業(yè)化運營的技術(shù)支持也將起到重要的作用。本系統(tǒng)采用 16 位（ A/D）模擬數(shù)字變換，總 采樣率達 500K/S,同步時間為+/250ns，可以利用方式組成高達 1000 通道的大容量的分布式采集系統(tǒng) [8]。 受需求牽引，新一代機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿足飛行實驗應用也在快速地發(fā)展。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備 24 位 A/D 轉(zhuǎn)化位數(shù)，采樣率有 50HZ、 100HZ、200HZ。近年來，又成功研制了兼容性更強、低功耗可靠性 、 動態(tài)范圍更大、線性度更高的 TDE324C 型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。各種領(lǐng)域都用到了數(shù)據(jù)采集，在石油勘探、科學實驗、飛機飛行、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到應用 [6]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電力 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進行分析、處理、傳輸、顯示、存儲和顯示。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機具多功能、高 效率、高性能、低電壓、低功耗、低價格等優(yōu)點，而單片機又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c同時進行采集，因此能夠開發(fā)出能滿足實際應用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [5]。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個新的系統(tǒng) [4]。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAS） 。 20世紀 80 年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了很大的變化，工業(yè)計算機、單片機和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理，是系統(tǒng)的成本減低，體積變小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強。這類系統(tǒng)主要應用于實驗室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應用 [3]。 20世紀 80 年代隨著計算機的普及應用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動測試系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展 [2]。大概在 60 年代后期，國