【正文】 ...............................................................................7第四章 硬件部分 8 8 PCB圖設(shè)計............................................................................................................... 單片機(jī) 9 LED數(shù)碼顯示器的應(yīng)用原理..........................................................................14 18第五章 軟件部分 22 主機(jī)程序設(shè)計 26 PC機(jī)顯示界面程序設(shè)計 30 調(diào)試結(jié)果.......................................................................................................................32 第六章 總結(jié) 34致謝 36參考文獻(xiàn) 37附錄A外文資料翻譯 38 英文原文......................................................................................................... 中文譯文...........................................................................................................附錄B代碼 40 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)代碼................................................................................. PC機(jī)接收顯示界面代碼.....................................................................................附錄C單片機(jī)元件清單.................................................................................. 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計第一章 緒論 研究背景及其目的意義近年來，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們越來越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。20世紀(jì)70年代后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計算機(jī)組成。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計算機(jī)構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用較多。20世紀(jì)90年代至今，在國際上技術(shù)先進(jìn)的國家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。盡管現(xiàn)在以微機(jī)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(jī)的擴(kuò)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(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這就使得以單片機(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。它起始于20世紀(jì)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(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前社會的發(fā)展主流方向。我國的數(shù)字地震觀測系統(tǒng)主要采用TDE124C型TDE224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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。[11]由美國PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實驗的嶄新系統(tǒng)，它由3部分組成：（1）傳感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實時采集技術(shù)可實時采集物理實驗中各物理量的數(shù)據(jù)；（2）計算機(jī)接口：將來自傳感器的數(shù)據(jù)信號輸入計算機(jī)，采樣速率最高為25萬次/S；（3）軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。如愛爾蘭ACRA公司2000年研發(fā)推出的新一代KAM500機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到了2006年。 該課題研究的主要內(nèi)容內(nèi)容數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一, 它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等問題。數(shù)據(jù)采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),通常采用一些功能相對獨立的單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn),作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分,數(shù)據(jù)采集的性能特點直接影響到整個系統(tǒng)。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)處理接受過來的數(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。該系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機(jī)，此芯片功能比較強大，能夠滿足設(shè)計要求。然后通過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。用Keil uvision3軟件編寫，通過串口調(diào)試助手將編寫程序下載的主芯片中。用USB接口與電腦相連，實現(xiàn)PC機(jī)與下位機(jī)相連。 預(yù)期成果 分析階段：單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求分析。設(shè)計階段：分為概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，解決系統(tǒng)怎樣做的問題。實現(xiàn)階段：采用C語言及匯編語言編碼，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)線串行來實現(xiàn)更為完整的系統(tǒng)功能。完成階段：撰寫《基于C51單片機(jī)采集系統(tǒng)的設(shè)計報告》及畢業(yè)論文。 Protel99se介紹Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計軟件，采用設(shè)計庫管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設(shè)計軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計，印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作，可以設(shè)計32個信號層，16個電源地層和16個機(jī)加工層。電路工程設(shè)計部分(1)電路原理設(shè)計部分（Advanced Schematic 99）：電路原理圖設(shè)計部分包括電路圖編輯器（簡稱SCH編輯器）、電路圖零件庫編輯器（簡稱Schlib編輯器）和各種文本編輯器?！　。?）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?！　。?）自動布線系統(tǒng)（Advanced Route 99）：本系統(tǒng)包含一個基于形狀（Shapebased）的無柵格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實現(xiàn)PCB設(shè)計的自動化?！　。?）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）。利用PLD系統(tǒng)可以最大限度的精簡邏輯部件，使數(shù)字電路設(shè)計達(dá)到最簡化。 Protel99SE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 Microsoft Visual Studio 2005介紹 Microsoft Visual Studio ?？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 2005 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(shè)備快速構(gòu)建和部署各種應(yīng)用程序。其特點有： 支持 Visual Basic、C、C++ 和 J 語言。 幾乎適用于任何類型應(yīng)用程序的“拖放式”用戶界面設(shè)計器。 支持母板頁，用于跨 Web 應(yīng)用程序維護(hù)一致的外觀。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還提供了一個配置向?qū)Чδ埽铀倭藛哟a和配置文件的生成。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有以下幾個特點： 全功能的源代碼編輯器； 器件庫用來配置開發(fā)工具設(shè)置； 項目管理器用來創(chuàng)建和維護(hù)用戶的項目； 集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用；1 所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對話框形式的；1 真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調(diào)試器；1 高級GDI(AGDI)接口用來在目標(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)動軟件：將Keil軟件編程代碼通過USB接口下載到主芯片STC89C52中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓數(shù)據(jù)采集工作。硬件連接方面，傳統(tǒng)臺式PC機(jī)支持標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，當(dāng)下帶有串口的PC很少見，所以需要usb/232轉(zhuǎn)換接口，并且安裝相應(yīng)驅(qū)動程序。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域。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。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)換時間、轉(zhuǎn)換誤差等等。在該系統(tǒng)中采用的是PCF8591系列的單片機(jī)。而數(shù)據(jù)的顯示則采用的是LED數(shù)碼管，該器件比較簡單，在生活中接觸也較多。：A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)單片機(jī)LED顯示器滑動變阻器調(diào)節(jié)按鍵RS232或PL2303采集信號 系統(tǒng)框圖 方案論證 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來說，可以分為8位、10位、12位和16位等。A/D轉(zhuǎn)換器型號很多，而其轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換誤差也各不相同。(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)。鑒于上面三種方案，在價格、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，是微型計算機(jī)中的一個重要的分支。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)。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。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)提供電源也可以實現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的的連接從而實現(xiàn)電壓值的接受與轉(zhuǎn)換。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。LED數(shù)碼顯示有動態(tài)掃描顯示法和靜態(tài)顯示。 按鍵 單片機(jī)中的復(fù)位方式有三種：手動按鈕復(fù)位、上電復(fù)位、積分型上電復(fù)位。通過復(fù)位可以瞬間讓單片機(jī)處于初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)動滑動變阻器后按復(fù)位鍵，電壓值會相應(yīng)的變?yōu)檎_的電壓值。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，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 RS232C接口（又稱 EIA RS232C）是目前最常用的一種串行通訊接口。本實驗中我們采用的是I2C通信。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)。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。如圖所示： 3）該設(shè)計采用的是I2C通信的方式 第四章 硬件部分 原理圖設(shè)計該系統(tǒng)是一個主從式多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主機(jī)和從機(jī)均用單片機(jī)實現(xiàn)，它的主機(jī)部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和顯示，主機(jī)和從機(jī)之間用USB—UART轉(zhuǎn)換電路PL2303進(jìn)行通信。 由于單片機(jī)采用的是USB接口供電，且單片機(jī)必須與PC機(jī)保持串行通信，所以在本設(shè)計中采用了PL2303的USB—UART轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行通信。 晶振類似單片機(jī)的心臟，是給單片機(jī)提供工作節(jié)拍的，旁邊的電容是起振作用。STC89C52的P0端的8個端口與74HC245的A1—A8端口相連，以及與74HC138的A0、AAE3端口相連，從而實現(xiàn)對4個數(shù)碼管的控制。24C01是串行接口的EEPROM存儲器，常用于存儲需要掉電保存的數(shù)據(jù)。原理圖如圖所示： 電路原理圖 PCB圖設(shè)計 設(shè)計中數(shù)據(jù)采集單片機(jī)的PCB圖是由單片機(jī)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。22． ．元件布局：規(guī)劃電路板并導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表后，通過執(zhí)行命令，系統(tǒng)將自動裝入元件并將元件布置在電路板邊框內(nèi)。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。4． 手工調(diào)整：自動布線雖然成功率很高，但往往存在不滿意的地方，這時就需要進(jìn)行手工調(diào)整，以滿足設(shè)計要求。電路圖如圖所示： 電路PCB圖 單片機(jī)（1） 單片機(jī)的概述 單片機(jī)是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運算能力（如算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（CPU）,隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），只讀程序存儲器（ROM），輸入輸出電路（I/O口），可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口（SCI），顯示驅(qū)動電路（LCD或LED驅(qū)動電路），脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單