毕业论文-基于c51单片机的数据采集系统设计

石家庄铁道学院毕业设计基于C51单片机的数据采集系统THEDESIGNOFDATAACQUISITIONSYSTEMBASEDONC51SCM2012届信息科学与技术分院专业计算机科学与技术学号20082542学生姓名杨华指导教师刘玉红完成日期2012年5月27日摘要本文介绍了基于单片机的数据采集的硬件设计和软件设计，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。本文介绍的重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机。数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了单片机STC89C52来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括A/D模数转换模块，显示模块，USB接口和串行接口部分。该系统从机负责数据采集并应答主机的命令。8路被测电压通过模数转换器PCF8591进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过USBUART转换电路PL2303或串口RS232传输到上位机，由上位机负责数据的接受、处理和显示，并用LED数码显示器来显示所采集的结果。软件部分应用KEILUVISION3编写控制软件，对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。关键词单片机数据采集STC89C52PCF8591ABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESTHEHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREDESIGNOFTHEDATAONWHICHBASEDONSIGNALCHIPMICROCOMPUTERTHEDATACOLLECTIONSYSTEMISTHELINKBETWEENTHEDIGITALDOMAINANDANALOGDOMAINITHASANVERYIMPORTANTFUNCTIONTHEINTRODUCTIVEPOINTOFTHISTEXTISADATATOCOLLECTTHESYSTEMTHEHARDWAREOFTHESYSTEMFOCUSESONSIGNALCHIPMICROCOMPUTERDATACOLLECTIONANDCOMMUNICATIONCONTROLUSEMODULARDESIGNTHEDATACOLLECTEDTOCONTROLWITHCORRESPONDENCETOADOPTAMACHINESTC89C52TOCARRYOUTTHEPARTOFHARDWARESCOREISSCM,ISALSOINCLUDESA/DCONVERSIONMODULE,DISPLAYMODULE,ANDTHESERIALINTERFACESLAVEMACHINEISRESPONSIBLEFORDATAACQUISITIONANDANSWERINGTHEHOSTMACHINE8ROADSWEREMEASUREDTHEELECTRICVOLTAGETOPASSTHEINGENERALUSEMOLDFEWCONVERSIONOFPCF8591,THEREALIZATIONCARRIESONTHECONVERSIONTHATIMITATESTOMEASURETHENUMERALTOMEASURETOWARDSTHEDATATHATCOLLECTTHENSENDTHEDATATOTHEHOSTMACHINETHROUGHPL2303ORRS232THEHOSTMACHINEISRESPONSIBLEFORDATAANDDISPLAY,LEDDIGITALDISPLAYISRESPONSIBLEDISPLAYTHEDATATHESOFTWAREISPARTLYPROGRAMMEDWITHKEILUVISION3THESOFTWARECANREALIZETHEFUNCTIONOFMONITORINGANDCONTROLLINGTHEWHOLESYSTEMITDESIGNSMUCHPROGRAMLIKEDATAACQUISITIONTREATMENT,DATADISPLAYANDDATACOMMUNICATIONETCKEYWORDSCMDATAACQUISITIONSTC89C52PCF8591目录第一章绪论111研究背景及其目的意义112国内外研究现状213该课题研究的主要内容314采用的方法315实现步骤416预期成果4第二章开发环境及开发工具21PROTEL99SE介绍22KEILUVISION3介绍23MICROSOFTVISUALSTUDIO2005介绍24其它第三章数据采集431数据采集系统432方案论证5321A/D模数转换的选择5322单片机的选择5323串行口的选择5324LED显示部分6325按键6326通信方式7第四章硬件部分841原理图设计842PCB图设计43单片机944LED数码显示器的应用原理1445模数转换器PCF859118第五章软件部分2251主机程序设计2652PC机显示界面程序设计3053调试结果32第六章总结34致谢36参考文献37附录A外文资料翻译38英文原文中文译文附录B代码40单片机数据采集系统代码PC机接收显示界面代码附录C单片机元件清单第一章绪论11研究背景及其目的意义近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。1120世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。12国内外研究现状数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。我国的数字地震观测系统主要采用TDE124C型TDE224C型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。11由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成（1）传感器利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件中文及英文的应用软件。11受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为/250NS，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。13该课题研究的主要内容内容数据采集技术是信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机如IBMPC系列使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。本系统采用下位机负责模拟数据的采集,从单片机负责采集八路数据，并应答主机发送的命令，上位机即主机是负责处理接受过来的数字量的处理及显示，主机和从机之间用PL2303或RS232进行通信。这样用户可以在上位机上编写各种程序对文件中的数据进行有效查询和分析,有利于工业过程的长期正常运行和检查。该系统采用的是STC89C52单片机，此芯片功能比较强大，能够满足设计要求。14采用的方法实际PCF8591是8路8位AD，最大数位255，它外部有一个基准电压，调节所测电压范围，我们所测外部模拟电压范围为05V，0V对应为0,5V就对应255，外部所测电压经模数转换AD变化为数字量0255，数码管也就显示此值十进制转化值（AD/255）5）。然后通过PL2303或RS232转换送到PC机上显示，显示界面为我们送的串口调试界面。15实现步骤用PROTEL99SE作图软件画出电路的PCB图和SCH图。用KEILUVISION3软件编写，通过串口调试助手将编写程序下载的主芯片中。用LED显示所测电压值的数字量。用USB接口与电脑相连，实现PC机与下位机相连。从而实现PC机与单片机的同步显示。16预期成果分析阶段单片机数据采集系统的需求分析。根据基于C51单片机采集系统要完成的数据采集工作，明确本系统要做什么，撰写需求说明书。设计阶段分为概要设计和详细设计，解决系统怎样做的问题。包括功能设计和电路布线设计；设计本系统的各个功能模块按键、LED显示、A/D模数转换等功能，并设计各模块间的接口，完成数据传输及采集工作。实现阶段采用C语言及汇编语言编码，采用KEILUVISION3软件完成，并用PROTEL99SE软件进行电路图的绘制，用数据线串行来实现更为完整的系统功能。测试阶段基于C51单片机采集系统进行上位机与下位机的数据采集，测试本系统是否能达到预期的设想，是否能完成数据采集工作，针对发现的问题或新的要求及时完善本系统。完成阶段撰写基于C51单片机采集系统的设计报告及毕业论文。第二章开发环境及开发工具在本设计中用到了PROTEL99SE对单片机板子原理图元件库元件图、单片机板子原理图、单片机板子PCB图元件库元件图、单片机板子PCB图进行了画图；用到了KEILUVISION3编写了电压数据采集系统的代码，进行了编译并产生了一个HEX文件；用到了MICROSOFTVISUALSTUDIO2005软件编写了一个PC机电压数值显示界面；同时还用到了STCISPV480NOTSETUP单片机驱动软件将程序下载到主芯片STC89C52中和串口调试助手V22选好COM口后就会显示电压数据的十六进制显示。21PROTEL99SE介绍PROTEL99SE是应用于WINDOWS9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，PROTEL99SE主要包含以下俩大部分和6个功能模块。1、电路工程设计部分1电路原理设计部分（ADVANCEDSCHEMATIC99）电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称SCHLIB编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。（2）印刷电路板设计系统（ADVANCEDPCB99）印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLIB编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。（3）自动布线系统（ADVANCEDROUTE99）本系统包含一个基于形状（SHAPEBASED）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。2、电路仿真与PLD部分（1）电路模拟仿真系统（ADVANCEDSIM99）电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。（2）可编程逻辑设计系统（ADVANCEDPLD99）可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（WAVEFORM）。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。（3）高级信号完整性分析系统（ADVANCEDINTEGRITY99）信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。PROTEL99SE的功能特性1、开放式集成化的设计管理体系2、超强功能的、修改与编辑功能3、强大的设计自动化功能23MICROSOFTVISUALSTUDIO2005介绍MICROSOFTVISUALSTUDIO2005是基于NET20框架的。它同时也能开发跨平台的应用程序，如开发使用微软操作系统的手机的程序等。总体来说是一个非常庞大的软件，甚至包含代码测试功能。这个版本的VISUALSTUDIO包含有众多版本，分别面向不同的开发角色。MICROSOFTVISUALSTUDIO2005开发系统是一个完整的开发工具系列，旨在为MICROSOFTWINDOWS操作系统、WEB和移动设备快速构建和部署各种应用程序。MICROSOFTVISUALSTUDIO2005产品能为各类开发人员提供更广阔的开发空间和更先进的设计体验。其特点有1、支持VISUALBASIC、C、C和J语言。2、开发和部署基于客户端服务器结构的WINDOWS应用程序、WEB应用程序、SMARTPHONE和POCKETPC应用程序。3、几乎适用于任何类型应用程序的“拖放式”用户界面设计器。4、包含一个用于测试WEB应用程序的内置WEB服务器，无需IIS。5、支持母板页，用于跨WEB应用程序维护一致的外观。6、用于简单、直观地进行调试的“编辑并继续”功能22KEILUVISION3介绍KEILSOFTWARE公司推出的UVISION3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境IDE，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，UVISION3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。UVISION3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UVISION）将这些组合在一起。KEIL有以下几个特点7、全功能的源代码编辑器；8、器件库用来配置开发工具设置；9、项目管理器用来创建和维护用户的项目；10、集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；11、所有开发工具的设置都是对话框形式的；12、真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器；13、高级GDIAGDI接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和MONITOR51进行通信24其它STCISPV480NOTSETUP单片机下载驱动软件将KEIL软件编程代码通过USB接口下载到主芯片STC89C52中，从而实现数据采集系统的电压数据采集工作。串口调试助手V22串口调试助手V22支持常用的300115200BPS波特率，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。硬件连接方面，传统台式PC机支持标准RS232接口，当下带有串口的PC很少见，所以需要USB/232转换接口，并且安装相应驱动程序。第三章数据采集31数据采集系统数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。在该系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。在该系统中采用的是PCF8591系列的单片机。双机通信有两种方式RS232标准接口串行通信和PL2303USBUART通信，由芯片RS232实现双机的通信。而数据的显示则采用的是LED数码管，该器件比较简单，在生活中接触也较多。数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D,单片机等组成。完成毕业设计所需要的系统框图如图31所示A/D转换器单片机单片机LED显示器滑动变阻器调节按键RS232或PL2303采集信号图31系统框图22方案论证221A/D模数转换的选择A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。1逐渐逼近式A/D转换器它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。2双积分A/D转换器它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度比较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。3并行式A/D转换器它又被称为FLASH（快速）型，它的转换数度很高，但她采用了很多个比较器，而N位的转换就需要2N1个比较器，因此电路规模也极大，价格也很贵，只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。鉴于上面三种方案，在价格、转换速度及应用程度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐逼近式A/D转换器PCF8591222单片机的选择单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路（I/O口），还有可能包括定时/计数器、串行通信口、USB接口、显示驱动电路（LCD和LED驱动电路）、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机任务。单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，再用KEILUVISION3把程序下载到单片机内。而本设计选用的是STC89C52223串行口的选择串行口我选用了标准RS232C接口，它是电平与TTL电平转换驱动电路。常用的芯片是MAX232，MAX232的优点是（1）一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。（2）单一电源5V供电（3）它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。我们还采用了USBUART转换电路进行通行，USB接口既可以为单片机提供电源也可以实现单片机与PC机的的连接从而实现电压值的接受与转换。224LED显示部分LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为八段发光二极管数码显示器。对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位选和段选信号。LED数码显示有动态扫描显示法和静态显示。在单片机中，为了节省硬件资源，多采用动态扫描显示法。225按键单片机中的复位方式有三种手动按钮复位、上电复位、积分型上电复位。我们采用的是手动复位，把单片机内部电路设置成为一个确定的状态，所有的寄存器初始化。通过复位可以瞬间让单片机处于初始状态，转动滑动变阻器后按复位键，电压值会相应的变为正确的电压值。226通信方式计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS232C接口（又称EIARS232C）是目前最常用的一种串行通讯接口。常用的串行通信方式有UART异步串行通信、I2C总线串行同步通信、SPI串行总线同步通信。本实验中我们采用的是I2C通信。1）UART是单片机与PC之间的最简单的通信方式之一，也是单片机之间常用通信。2）I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。I2C总线在传送数据过程中共有三种特殊类型信号，它们分别是开始信号、结束信号和应答信号。SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。SCL为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有SCL信号为低电平期间，SDA状态才允许变化。如图所示3）该设计采用的是I2C通信的方式第四章硬件部分41原理图设计该系统是一个主从式多路数据采集系统，主机和从机均用单片机实现，它的主机部分负责数据处理和显示，主机和从机之间用USBUART转换电路PL2303进行通信。它由STC89C52、PL2303、LED数码显示器组成。由于单片机采用的是USB接口供电，且单片机必须与PC机保持串行通信，所以在本设计中采用了PL2303的USBUART转换电路进行通信。所以通过UART切换电路PL2303的USBTX端与RS232的USBRX端相连，PL2303的USBRX与RS232的USBTX相连，从而实现USBUART的电路转换。晶振类似单片机的心脏，是给单片机提供工作节拍的，旁边的电容是起振作用。STC89C52的XTAL1端和XTAL1端与晶振相连。STC89C52的P0端的8个端口与74HC245的A1A8端口相连，以及与74HC138的A0、A1、A2、E3端口相连，从而实现对4个数码管的控制。74HC245是方向可控的八路缓冲器，主要用于实现数据总线的双向异步通信。STC89C52中的P36端与P37端分别与24C01的SDA端和SCL端相连。24C01是串行接口的EEPROM存储器，常用于存储需要掉电保存的数据。同时STC89C52中的P36端与P37端分别与PCF8591的SDA端和SCL端相连，实现数据的发送与接受，进而实现对电压数值量的AD、DA转换，从而在LED上显示所采集电压数据数值，而PC机上的串口调试助手则显示16进制的数值。原理图如图所示1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE22MAY2012SHEETOFFILEF、DDBDRAWNBYVCC1D_2D3GND4S6S5J10USBBF1FUSELED1LEDR11KC1100U12J4PWRC2100UC701UFLED2LEDR21KC301UFC401UFC501UFC601UFDMDP5ABFCGDE10985423ABCDEFG7DPDP16DS4LED7SEGABFCGDE10985423ABCDEFG7DPDP16DS3LED7SEGABFCGDE10985423ABCDEFG7DPDP16DS2LED7SEGABFCGDE10985423ABCDEFG7DPDP16DS1LED7SEGQ49012Q39012Q29012Q19012A12A23A34A45A56A67A78DIR1OE19A89B118B217B316B415B514B613B712B811VCC20GND10U274HC245A01A12A23E14E25E36GND8VCC16Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U374HC138VREF14AIN01AIN12AIN23AIN34AOUT15EXT12OSC11SDA9SCL10A05A16A27VSS8VD16AGND13U5PCF8951R61KR51KR41KR31KLEDS3LEDS2LEDS1LEDS0DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7R7330R8330R9330R10330R11330R12330R13330R14330DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7C801UF55R2247KR2147KR2047KR1947KR1847KR1747KR1647KR1547K5R2647KR2547KR2447KR2347KC1001UFSCL6SDA5A01A12A23VCC8GND4WP7U424C01R271812KEY1RESETP10/T21P11/T2EX2P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD633P07/AD732P27/A1528P26/A1427P25/A1326P24/A1225P23/A1124P22/A1023P21/A922P20/A821PSEN29RST9VCC40GND20EA31ALE30XTAL119XTAL218U1STC89C52C901UFR2847K55Y1110592MHZC1120PC1220PC1301UFSCLSDASDASCLRXDTXDR2947KR3047K5DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB0C1401UFENLEDENLEDLEDS0LEDS1LEDS2LEDS35D14148R3110KUSBRX5VD_2324TXD1DTR_N2RTS_N3RXD5RI_N6GND7VD8DSR_N9DCD_N10CTS_N11SHTD_N12E_CLK13E_DATA14OSC228OSC127PLL_TEST26GND_PL25VD_PL24LD_MODE23TRI_MODE22GND21VD20RESET19GND_3V318VD_3V317DM16DP15U6PL23035USBTX5IN5INR3347KR3247K5Y212MHZC1520PC1620P5INR3447KR3547K5INC1701UF5INR3610K5C1801UFSDASCL162738495J3RS232Q59012R3747KD24148R381KD34148Q69012C1901UFD44148R4047K5UARTRXR3910KUARTTX5123456J2UARTUSBTXTXDUARTTXUSBRXRXDUARTRXUSB、AD、DA、USBUART、USB、USB、LED、1234J1STCPRO图41电路原理图42PCB图设计设计中数据采集单片机的PCB图是由单片机的原理图生成的，其操作步骤为1加载网络表和元件封装网络表是自动布线的基础，是连接原理图和印制电路板的纽带。只有加载了网络表和元件封装后，电路板的自动布线才能完成。22元件布局规划电路板并导入网络表后，通过执行命令，系统将自动装入元件并将元件布置在电路板边框内。元件布局可以由系统自动完成，然后进行手工调整布局，布局合理后才能进行下一步的布线工作。元件布局是印制电路板设计中比较花费精力的一个步骤，需要设计者有足够的耐心。3自动布线PROTELDXP2004中自动布线的功能相当强大，只要把有关参数设置得适当，元件布局合理，系统就会根据设置的规则选择最佳的布线策略进行自动布线，成功率几乎100。4手工调整自动布线虽然成功率很高，但往往存在不满意的地方，这时就需要进行手工调整，以满足设计要求。5DRC检查布线完成后，为了确保PCB板符合设计规则、所有的网络连接正确，必须对电路板进行设计规则检查。电路图如图所示图42电路PCB图42单片机（1）单片机的概述单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路PWM，模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。8单片机按内部数据通道的宽度，可分为4位、8位、16位及32位单片机。它们被应用在不同领域里，8位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势1、微型单片化2、低功耗CMOS3、与多品种共存4、可靠性和应用水平越来越高单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能。（2）简介STC89C52STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能8K字节FLASH，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89X52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHZ，6T/12T可选。STC89C52单片机是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采用CHMOS工艺的8位单片机。它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与INTEL80C3X单片机完全相同。在应用中可直接替换。在STC89C52内部有FLASH程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便。STC89C52具有以下标准功能与MCS51产品指令系统完全兼容；片内集成4KB的FLASH存储器，可反复编程/擦除1000次；数据保留时间10年；全静态设计，时钟频率范围为024MHZ、33MHZ；三个程序存储器保密位；1288字节的内部RAM；32条可编程的I/O口线；2个可工作于4种模式的16位定时/计数器；5个中断源/2个中断优先级；可编程串行通道；具有4种工作模式的全双工串行口；低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；片内振荡器和时钟电路；具有4种工作模式的全双工串行口；低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；片内振荡器和时钟电路；其引脚图，如图43所示图423STC89C52的引脚图它一共有40个引脚，引脚又分为四类。其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作电源。工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。还有两个时钟引脚XTAL1、XTAL2。还有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引脚构成的单片机的输入/输出（IO）引脚。最后一种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位功能。单片机的引脚特点是1、单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。2、单片机具有四种总线形式P0和P2组成的16位地址地址总线；P0分时复用为8位数据总线；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX组成控制总线；而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。STC89C52单片机的管脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1“时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1“时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1“时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1“后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为ST89C52的一些特殊功能口,P3口管脚备选功能P30RXD（串行输入口）；P31TXD（串行输出口）；P32INT0（外部中断0）；P33INT1（外部中断1）；P34T0（计时器0外部输入）；P35T1（计时器1外部输入）；P36WR（外部数据存储器写选通）；P37RD（外部数据存储器读选通）；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器读取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。EA/VPP当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。3振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10MS来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1“且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。5编程算法（1）地址线上输入欲编程的存储单元地址；（2）在数据线上输入编程数据；（3）加正确的控制信号组合；（4）在“高压“模式下使VPP为12V；（5）在ALE引脚上加一次负脉冲，可对FLASH存储器的一个字节或保密位进行编程。编程一个字节的周期是内部自定时的，典型时间不会超过15MS。改变编程的存储单元地址和编程数据重复步骤（1）（5），直到编程文件最后。此外，STC89C52设有稳态逻辑，可以在零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。6主要工作和内容安排综上所述，本着实用、可靠、安全、简洁及经济等设计原则，设计开发了基于单片机STC89C5243LED数码显示器的应用原理简单的讲，LED数码显示器就是由发光二极管组成的，其内部结构如图33所示，LED数码显示器有两种连接方式（1）共阴极接法把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极与输入端相连。如图34所示（2）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。如图35所示图44LED内部结构图45共阴极接法图46共阳极接法为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字的七段，再加上1个小数点位，共计八段。各段位码位的对应关系如表31所示。表31段位码对应关系段位码D7D6D5D4D3D2D1D043模数转换器PCF8591在我们所采集的数据电压值是随着滑动变阻器的旋转而不断改变的，而要对这些数据进行处理,则需要将其转换为数字量，A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量。按模拟量转换成数字量的原理可以分为3种双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转换器。而该系统选用的是PCF8591，下面就具体的介绍一下PCF8591的工作原理。PCF8591是具有I2C总线接口的8位VD及D/A转换器。有4路A/D转换输入，1路D/A模拟输出。这就是说，它既可以作A/D转换也可以作D/A转换。A/D转换为逐次比较型。引脚图如图1所示。结构图如图2所示。电源电压典型值为SV。AINOAIN3模拟信号输入端。AOA3引脚地址端。VDD、VSS电源端。256VSDA、SCLI2C总线的数据线、时钟线。OSC外部时钟输入端，内部时钟输出端。EXT内部、外部时钟选择线使用内部时钟时EXT接地。AGND模拟信号地。AOUTD/A转换输出端。VREF基准电源端。位码段DPGFEDCBA图47PCF8591的引脚图PCF8591与STC89C52单片机的接口方式，如图48所示图48PCF8591与单片机的连接图PCF8591采用典型的I2C总线接口器件寻址方法，即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。飞利蒲公司规定A/D器件地址为1001。引脚地址为A2A1A0，其值由用户选择，因此I2C系统中最多可接8个具有I2C总线接口的A/D器件。地址的最后一位为方向位R/W，当主控器对A/D器件进行读操作时为1，进行