高精度AD采集系统毕业设计说明书.doc

2013届毕业设计说明书 高精度多路A/D采集系统的设计 院 、部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 讲师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本0904 完成时间： 2013-5-25 摘 要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。由于数据采集系统的不断提高，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，在工业的控制领域中，越来越多的模拟信号需要2数字量来显示。需求的精度越来越高，采集通道越来多。因此，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有非常重要的作用。本文主要介绍了基于单片机的高精度的多路A/D采集系统的设计。系统主要包括硬件设计和软件设计，硬件设计包括单片机主控模块、A/D模数转换模块、LCD液晶显示模块，键盘输入模块。数据采集的控制是采用了AT89S51单片机为核心来实现，11路模拟信号通过A/D转换器TLC2543进行模数转换。实现模拟量到12位二进制数字量的转换，并将转换后的数据通过单片机接收、处理、并用LCD液晶来显示所采集的结果。此系统采样精度为1/4096，经过数据处理后，液晶所显示数据结果可以精确到小数点后7位。同时通过键盘作为人机交换接口，通过键盘来操作，来选择TLC2543所连接11路中其中一通当前测试值。软件设计采用C51编程，实现对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等功能。关键词：A/D转换；高精度；单片机；液晶显示AbstractWith the constantly improvement of data acquisition system (DAS), which has been significantly applied to these fields like military, avionics, aerospace technology and industry and so on, there evoluted a single-chip microcomputer DAS that has high performance and high reliability. And this expertise has been extensively applied to the field of industry. Since at the control point of this field, more and more analog signals need be displayed in digital quantity. And this process need higher and higher demand of precision and more and more demands of acquisition channels. DAS is the essential connection between the analog domain and the digital domain.This thesis will mainly introduce a system design based on single-chip microcomputer DAS of high accuracy and multi-channel A/D. This design consists of hardware design and software design, of which the hardware design includes the single-chip microcomputer control module, A/D conversion module, LCD module and keyboard input module. And the data acquisition control process of it adopts AT89S51 as the core, where No.11 analog signal converts into12 bit binary digital quantity through the A/D converter TLC2543, and then be received, processed and displayed on LCD. These final data on LCD could be given to seven decimal places with the sampling accuracy of it at 1/4096. And the keyboard as man-machine exchange interface, selects one of the current test values of No.11 connected with TLC2543. The software design uses C51 programming to realize these functions of the data acquisition system, the A/D conversion system, data display, data communication.Keyword: A/D；conversion precision；MCU；LCD displayI目 录1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 课题的国内外研究现状21.3 课题研究的主要内容32 方案论证与选择42.1 系统设计方案论证42.2 器件选择6 2.2.1 A/D芯片的选择6 2.2.2 单片机的选择7 2.2.3 显示屏的选择7 2.2.4 按键的选择83 硬件系统设计93.1 单片机系统9 3.1.1 简介AT89S529 3.1.2 单片机最小系统原理图103.2 12864LCD应用原理12 3.2.1 概述12 3.2.2 基本特性13 3.2.3 模块接口说明13 3.2.4 12864与单片机硬件连接图133.3 模数转换器TLC254315 3.3.1 TLC2543的引脚排列及说明15 3.3.2 TLC2543的工作过程17 3.3.3 接口时序17 3.3.4 TLC2543与单片机硬件连接图193.4 矩阵式键盘204 系统软件设计214.1 简介KeilUvision4214.2 程序设计21 4.2.1 主程序21 4.2.2 液晶驱动程序22 4.2.3 键盘扫描程序25 4.2.4 数据采集程序255 仿真与调试305.1 Proteus介绍305.2 采集系统仿真与分析315.3 液晶显示系统调试325.4 设计总结33致 谢35参考文献36附录A 原理图37附录B PCB图38附录C 程序39I1 绪论1.1 课题研究的目的和意义科学技术的发展日新月异，科学技术的进步同时也带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构上都发生了翻天覆地的变化。已经进入了高速发展的信息时代的我们，测量技术已经是当今社会的主流，被广泛地深入到了应用工程的各个领域。数据采集及其应用的关注度越来越高，并且由于数据采集系统的迅速发展，它在各种领域被广泛的应用。数据采集系统被广泛应用于模拟信号测量或相应的可转换为数字量或供电故障监控的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中，例如：城市路灯故障检测、供电线路防盗监视、城市居民小区供热检测、大型仓库温度检测、工业生产测控、农业生产温度测控、环保工程、故障监控工程等。20世纪50年代开始出现数据采集系统，1956年美国的军事领域首次据采集系统中的测试系统被运用，此测试系统你需要任何测试相关文件，同时所有测试设备都可以在不熟啦的操作人员手里进行全自动化。这种数据采集系统有运行速度高，灵活性强的特点，因此完全取代了传统方法不能完成的数据采集和测试任务的情况。到了60年代后期，许多国内外国家都先后出现成套的数据采集设备和系统，而且这些设备系统都为专用。20世纪70年代后期，数据采集系统将微型机、采集器、仪表同计算机溶为一体，这一成就空前的突破。无论是从性能还是处理速度上，这种数据采集系统完全超越了传统的自动检测仪和专用采集系统。从而数据采集系统又一次革命性改变。从70年代之后，数据采集系统在发展过程中逐渐出现了两类，一为实验室数据采集系统，一为工业现场数据采集系统。20世纪80年代由于计算机的渐渐被普及，A/D数据采集系统的发展进行又一次的飞跃，通用的A/D数据采集和自动测试系统产生了。该阶段的数据采集系统主要同样分为两类，一类系统主要适用于实验室的以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成，而且在工业生产现场也有一定的应用范围。第二类则在工业现场被广泛应用，这类主要以数据采集器、标准总线和计算机技术构成。20世纪80年代后期，随着数据采集发展，A/D数据采集系统将单片机、计算机以及集成电路的结合一起，同时利用用软件管理，将系统的成本减低，体积变小，功能成数倍增加，数据处理能力加强。20世纪90年代至今，在凡事国际上技术先进的国家，数据采集系统无论是在军事领域，还是航空航天的电子设备及宇航技术，或者是一般工业领域中都是密不可分的一本分。随着集成电路制造技术的不断提高，开始出现了单片机数据采集系统（DAS），此类系统性能高、可靠性强。随着此类技术不断的提高，数据采集技术已经成为一种专门的技术领域，在工业领域得到了广泛的应用。由于此阶段的数据采集系统采用的模块式结构，人们根据不同的应用要求，通过简单的模块变动，并结合相应系统编程修改系统，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取得了很大的进步，而且一个数据采集系统的组成仅仅只需要一块数据采集卡，把数据采集卡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。1.2 课题的国内外研究现状数据采集技术作为信息科学的重要分支之一, 它要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等各项问题。它主要是对传感器接受的模拟信号的测量与处理, 以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合性应用技术。A/D数据采集也是从单个到多个模拟信号获取信息的一个过程，简单讲就是获取模拟信息。随着微型计算机技术的不断飞速发展,A/D数据采集系统已成为生活中日益重要的检测和监控技术,被广泛应用于工农业等需要同时监控多项测试的场合。A/D数据采集系统是工业控制系统中非常关键,使用功能独立的单片机系统来实现测控系统，而且A/D数据采集的性能特点直接影响到整个工业系统。数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号通过A/D芯片转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、存储和显示。从20世纪中期开始，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的迅速发展，在数据采集方面的技术也取得了飞跃的进步，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。在我国，很多领域都用到数据采集系统，如地震监控系统TDE-124C、TDE-224C，如航空航天太空检测。同时，近年来，我国又成功研制了动态范围大、兼容性更强、线性度更高、低功耗可靠性数据采集系统。是我国在这一领域有突破性进展。该数据采集首先是电信号模拟放大后，然后将A/D数字化，A/D采用同时采样，保持采样，将采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字信号。该数据采集系统具备了24位A/D转化位数，精度非常高，同时采样率也是非常快分别有50HZ、100HZ、200HZ。由于数据采集系统不断的发展，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。这类机载数据采集系统采用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。1.3 课题研究的主要内容多路采集系统可被广泛应用于各种模拟信号测量或相应的可转换为数字量或供电故障监控的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中，考虑到许多工业环境中对多点模拟信号进行监控。同时要求采集到数据的准确度要求非常高，所以高精度多路A/D采集系统是不可少的采集系统。本系统采用TLC2543负采集十一路数据，TLC2543是精度为12位，有11路采集数据通道的AD转换芯片。单片机是负责处理接受过来的数字量的处理及最后处理结果送给液晶显示。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.该系统采用的是AT89S52单片机，能够满足设计要求。显示为LCD12864显示屏，显示功能强大，且操作界面通俗易懂，方便。为满足按键需求，采用采用矩阵式键盘。通过键盘操作来确定显示11路通道中任一通道的模拟信号值。本论文研究的主要内容包括以下几个方面：（1）硬件设计系统是以单片机为控制器，设计好单片机最小系统，包括振荡电路、复位电路、下载及电源电路，同时液晶显示电路也非常重要。同样还有TLC2543数据采集系统电路设计。（2）软件设计软件设计同样是系统的非常关键的一步，其的作用为将做好的实物实现设计需要所达到的要求。软件设计主要包括主控制程序、键扫程序、液晶显示驱动程序、TLC2543数据采集程序、以及数据处理程序、最后还有显示程序。（3）调试与仿真调试是做设计重要环节，本次设计的数据采集系统部分采用仿真，而液晶显示，以及单片机控制主程序，通过实物调试来实现。2 方案论证与选择2.1 系统设计方案论证数据采集，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。数据采集技术广泛应用在各个领域。70年代初，数据采集系统结构发生了重大变革。改变的原因是因为计算机技术的提高一级集成电路的发展，是微处理器诞生了。于是微处理器控制的采集系统代替了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。系统通过编程来驱动为控制器，采样数据通过A/D芯片进行逻辑操作处理，让系统更加灵活。只要硬件不出问题系统将一直正常运行。是系统成本降低。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，它需要考虑的指标有：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。数据采集系统的设计方案有很多种，但是基本分为三类，分别是以DSP、单片机、ARM为核心的的数据采集系统。（1）基于DSP数据采集系统设计方案基于DSP的数据采集系统首先都是是对模拟信号进行采集，都需要把模拟信号转换为数字信号，然后利用DSP数字信号进行处理。随着DSP的集成度越来越高，功能越来越强大，但是它的根本作用仍然是连接模拟世界和数字世界的桥。基于DSP的数据采集方案都是高速系统。DSP作为数据采集的控制核心。处理数据的结果，则通过USB传送给PC机进行显示。其大体框架如图1所示。（2）基于单片机数据采集系统设计方案基于单片机为核心的高进度数据采集，单片机是采用高密度非易失性存储器技术制造。在单芯片上，可编程Flash可以灵巧的在系统上运用，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在控制领域中广泛利用。此数据采集系统由信号调理电路，电子模拟开关，采样保持电路，A/D,单片机、显示接界面等组成。大体系统框图如图2所示。（3）基于ARM数据采集系统设计方案ARM系列微处理器的主要应用领域为：Internet设备、高档工业控制、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和高端嵌入式应用，ARM处理器带高档应用中占有很大的市场空间。基于ARM数据采集系统设计，是以嵌入微处理器（ARM）为处理芯片，液晶屏显示，键盘操控，以Linux为操作系统。同时可通过485进行数据传送给远端。同样可以通过CAN或TCP/IP连接PC，其框架图如图3.图1 DSP采集系统框图图2 单片机系统框图图3 ARM系统框图以上三种方案都有各自的特色及优良点，DSP处理速度快，是专门的数字处理器，运算能力非常强大。在高端领域DSP数据采集系统得到广泛运用。但是监控比较困难，需要上位机进行协助。同时也要通过上位机进行显示，操作复杂。同样ARM处理器功能强大，且可带操作系统，现以ARM为核心的数据采集系统，无论从运用范围还是性能上都是高端。而且ARM为基础的数据采集系统可以进行远程传送数据，同样可以与PC联合控制。也可在此基础上增加其它强大功能。对于功能强大的ARM，只是用在数据采集上是一种资源浪费，加上ARM的价位比较高，且应用领域相对高端，指令复杂，而且管脚多且复杂。单片机在控制和工业领域中运用广泛，而且单片机结构简单，编程方便，价格便宜，能自主驱动显示界面。在性能上处理速度上比不上DSP，功能上不如ARM强大，但是对于此数据采集系统都是合适的。经过比较本方案二，以单片机为核心设计高精度多路数据采集系统。2.2 器件选择2.2.1 A/D芯片的选择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。数据的采集可以通过A/D转换与V/F转换。同样从转换方式上来分析，A/D转换又分为积分和逐次逼近式A/D转换器等；从接口形式上又分为并行和串行。还有一种将电压信号转换为频率信号的方式叫V/F转换，这种转换方式是通过然测出频率再通过算法计算出出物理量，这种只适合少信号场合。(1)逐渐逼近式A/D转换器：它是一种采用最多的一种A/D转换方法，它是是由D/A转换器从高位到低位依次增加转换位数产生不同电压值与输入电压值比较进行实现。其特点速度快、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，模拟电压和参考电压进行两次积分，变换成与电压均值成正比的时间间隔，利用时钟脉冲和计数器测出时间间隔。优点是抗干扰能力强，精度比较高，缺点是速度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。(3)计数式A/D转换器：转换特点简单，但速度比较慢，特别是模拟电压较高时，转换速度更慢。鉴于上面三种方案，在精度、抗干扰能力、价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是开关电容逐渐逼近式A/D转换器TLC2543。TLC2543具有以下特性：1）12位分辩率A/D转换器； 2）在工作温度范围内10s转换时间； 3）11个模拟输入通道； 4）3路内置自测试方式； 5）采样率为66kbps； 6）线性误差1LSBmax； 7）有转换结束输出EOC； 8）具有单、双极性输出； 9）可编程的MSB或LSB前导。2.2.2 单片机的选择单片微型计算机简称为单片机，常用缩写MCU表示，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），单片机同时又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上。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的CPU、RAM、ROM、输入输出I/O口、定时计数器、SCI、显示器驱动电路等电路集成到一块单片机上，构成一个最小却很完善的计算机系统。这些电路通过编程代码来控制，能准确快速的完成设计者先前规定的任务。总之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、可靠性高这主要的几个方面。单片机可分、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，广泛的应用于工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。在中、小规模应用场合，8位单片机仍占主流地位，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人们的生活，为了满足需求，32位单片机应用也得到了长足发展。经思考本设计系统选用的是AT89S52，此单片机性为8位单片机，能强大，在价格，运行速度，处理速度上都满足需求。2.2.3 显示屏的选择（1）数码管显示 LED数码显示管是一种由发光二极管组合显示字符的显示器件。它由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，称为八段发光二极管数码显示器。LED数码显示分为动态扫描显示法和静态显示。不管那种驱动显示都需要占用许多IO口。（2）液晶显示LCD12864液晶显示屏是一种显示功能比较强大的显示屏。LCD12864液晶显示屏是一种带有中文字库的屏，同时也是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.价格便宜同样是该模块的显著特点。此模块的显示方案与其它模块的显示方案相比较，无论从硬件或者软件上都要简便的多，且此模块的价格与其它相同类型的显示屏都要低。然而对于本设计的中有多路数据要显示，且精度高，一般数码管显示不能满足设计需求，且数码管显示功能低，不方便表达，达不到人机交换界面交换的作用，而液晶显示，能经过文字、数字，显示方便且易懂。所以本设计采用LCD12864作为显示界面。2.2.4 按键的选择键盘是一种常见的输入设备，用户可以向计算机输入数据或命令。根据案件的识别方法分类，有编码键盘和非编码键盘两种。通过硬件识别的键盘称编码键盘；通过软件识别的键盘成为非编码键盘。非编码键盘有两种接口方法：一种是独立按键接口；另一种是矩阵式按键接口。1）独立按键接口在单片机中，如果所需的按键较少，可采用独立式键盘。每只按键接单片机的一条I/O线，通过对线的查询，即可识别各按键的状态。按键分别于单片机的I/O线上。无按键按下时，所接I/O线上均输入高电平。当某按键按下时，与其相连的I/O线将得到低电平输入。2）矩阵式按键接口在单片机中需要的按键较多时，通常把键排成矩阵形式，这样可以节省硬件资源。如对于20只按键接口，如采用按键独立方式，需要20个I/O口。如采用矩阵式按键方式，则只需要8个 I/O 口。综上所述，在该系统中所用到的按键有多个，独立式键盘满足不了系统功能所需，所以采取矩阵式按键接口方式。3 硬件系统设计3.1 单片机系统3.1.1 简介AT89S52AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位MCU，在系统可编程Flash 存储器为8K 。Atmel 公司采用高密度非易失性存储器技术制造，能与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，可编程Flash可以灵巧的在系统上运用，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。使AT89S52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。AT89S52具体结构包括中央处理器CPU、 内部数据存储器、内部程序存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口、中断控制电路、时钟电路、位处理器和内部总线。另外，单片机支持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。它一共有40个引脚，其引脚图，如图4所示图4 AT89S52的引脚图引脚可分为四类。接入单片机的工作电源有四个电源引脚。工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。两个时钟引脚XTAL1、XTAL2连接时钟电路。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，RST引脚连接复位电路。3.1.2 单片机最小系统原理图单片机最小系统主要包括振荡电路、复位电路、下载接口以及电源部分设计。（1）振荡电路单片机XTAL1、XTAL2这两引脚连接振荡电路，振荡电路是由两电容C5、C4以及一个晶振频率为12MHz的石英晶体构成。此电路所形成的振荡脉冲频率为12MHz，时钟周期为1us。（2）复位电路单片机的RST引脚连接复位电路，此系统设计的复位电路为按键电平复位。复位电路由按钮S1、22uF电容C3以及200欧姆R4和1000欧姆R6构成。当复位按钮按下，RST引脚电平变化，单片机进行复位操作。（3）下载电路下载接口为单片机下载程序所用，下载接口单片机的P1.5、P1.6、P1.7以及RST引脚。（4） 电源电路变压器是将交流电网220V的电压变为设计者需要的电压。然后过二极管电路之后，产生的电流方向单一，但电流还是不断变化。电流到了这一步还需要进一步处理，将交流电变成脉动的直流电压的整流电路是不可缺少的。得到的脉动的直流电压还是具有含有纹波，所以我们再设计了滤波电路，从而得到我们所需平滑的直流电压。滤波就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，接近稳恒的直流电。但这样的电压还随电网电压波动，因而在整流、滤波电路之后还需要接非常重要的稳压电路。稳压电路的作用是防止电压波动，维持输出直流电压稳定。220V交流电通过变压器变为12V的交流电，12V交流电通过四个二极管的全桥整流后变为12V直流电，然后经过电解电容（470F）进行一级滤波，以去除直流电里面的杂波，防止干扰。12V直流电出来后再经过三端稳压器LM7812稳压成为稳定的12V电源，再经过三端稳压器LM7805稳压成为稳定的5V电源，其中7805的Vin脚是输入脚，接12V直流电源正极，GND是接地脚，接5V直流电源负极，Vout为输出脚，它和接地脚的电压就是+5V了。5V电源出来再经过电解电容的二级滤波，使5V电源更加稳定可靠。同时在5V稳压电源加上一个10K的电阻和一个红色发光二极管，当上电后，红色发光二极管点亮，表示电源工作正常。电源原理图如图5所示。图5 电源电路原理图 电源是系统非常重要的一部分，系统的工作电源都影响着各种芯片的工作状况。这里的AT89S52和LCD12864的工作电压为5V，TLC2543的工作电压也为5V，同时其基准电压也设定为5V，综合起来次系统的电压应为5V直流电压。将电源电路转变的的5V电压接入系统的电源接口电路，给系统供电。电源接口电路如图6所示。其中P1的为外部电源与系统的单元接口，PKG1为开关，开关按下引脚1、3连通。用于控制系统电源。D1为指示灯。图6 电源接口原理图同时单片机P0口、P1口、P2口、P3口的所有引脚都接上拉电阻，来提高电路驱动能力。图7为单片机最小系统部分原理图。 图7 单片机部分原理图3.2 12864LCD应用原理3.2.1 概述显示器是人与机器沟通的重要界面，科技不断进步，各种显示技术不断的诞生，近来液晶（LCD）显示器具有轻薄短小、耗电量低、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势。在工业控制中液晶显示器运用非常广，而且显示界面清晰易懂。本设计采用的12864LCD液晶显示屏，LCD12864液晶显示屏是一种带有中文字库的屏，同时也是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.价格便宜同样是该模块的显著特点。此模块的显示方案与其它模块的显示方案相比较，无论从硬件或者软件上都要简便的多，且此模块的价格与其它相同类型的显示屏都要低。3.2.2 基本特性LCD12864可以显示汉字，同样可以显示图片。随着技术越来越成熟，LCD12864显示屏具有以下基本特性：（1）低工作电压：+3.0-+5.5V（2）分辨率:12864显示点 （3）内置字库，拥有8192个1616点阵汉字（4）内置点阵字符128个（5）时钟频率：2MHZ（6）视角方向：6点（7）显示方式：STN、半透、正显 （8）驱动方式：DUTY方式，IAS方式 （9）通讯方式：可选 串行或并口（10）背光方式：高亮白色LED于侧部，功耗仅低（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压 （12）无需片选信号，简化软件设计（13）工作温度: 0 - +55 3.2.3 模块接口说明12864LCD液晶显示屏具有20个引脚，20个引脚中，8个引脚三态数据数据，4个引脚为控制引脚。其具体引脚说明如表1.3.2.4 12864与单片机硬件连接图12864的DB0-DB7的三态数据线与单片机的P0口相连，四根控制线与单片机的P3口的前3位脚连接，同时改变变阻器来调节显示亮度。其连接原理图如图8。同时P3.0、P3.1、P3.5为液晶控制pin脚。通过改变引脚状态来实现数据传输及控制。表1 模块的引脚定义与说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“1”,表示显示数据RS=“0”,表示显示指令5R/W(SID)H/LR/W=“1”,E=“1”,数据被读到DB7DB0 R/W=“0”,E=“10”, DB7DB0的数据写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L数据线8DB1H/L数据线9DB2H/L数据线10DB3H/L数据线11DB4H/L数据线12DB5H/L数据线13DB6H/L数据线14DB7H/L数据线15PSBH/L1：并口方式，0：串口方式16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUT-LCD的驱动电压19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源负端图8 12864LCD连接原理图3.3 模数转换器TLC2543在我们所测控的信号中均事是连续变化的物理量，而要对这些信号进行处理,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TLC2543，下面就具体的介绍一下TLC2543的工作原理。3.3.1 TLC2543的引脚排列及说明TLC2543有两种封装形式：插针和贴片，这两种封装的引脚排列如图9引脚说明见表2。图9 TLC2543的封装3.3.2 TLC2543的工作过程TLC2543的工作过程分为两个周期：I/O周期和转换周期。(1) I/O周期I/O周期由外部提供的I/O CLOCK时钟频率定义，通过选定的数据长度决定了是延续时钟周期，有3种延续时钟周期分别为8、12或16个。器件开始采样后有两种操作。，首先，在时钟频率的前8个脉冲的上升沿，以MSB前导方式从数据输出T端输入8位数据流到输入寄存器。这8位数据中前4位为采样模拟模拟通道地址，通过控制通道模拟多路器，将从11个模拟输入信号值中一通道的值送到采样保持电路，该电路从第4个时钟脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样，直到最后一个时钟脉冲的下降沿。TLC2543的I/O周期的时钟脉冲个数和输出数据长度(位数)有关，是通过输入数据的D3、D2位选择为8、12或16。若工作于12或16位时，在前8个时钟脉冲之后，DATA INPUT无效。其次，在DATA OUT端串行输出8位、12或16位数据。当保持为低时，第一个数据出现在EOC的上升沿。若转换由控制，则第一个输出数据发生在的下降沿。而得到的数据串是前一次转换的结果，在第一个输出数据之后的每一个后续位均有后续的I/O时钟下降沿输出。(2) 转换周期在I/O周期的最后一个下降沿之后，EOC引脚变低，芯片进行采样值保持不，同样转换周期开始，内部转换器对所采样值利用逐次逼近A/D进行转换，其工作与时钟频率同步的内部时钟控制。当数据转换完成后EOC将变高，而转换得到的二进制结果锁存在输出数据寄存器中，当下一个I/O周期输出开始后通过数据线进行数据输出，我们就可以得到采样的结果。TLC2543将I/O周期和转换周期交替进行，这样大大减小了外部输入数字噪声对转换精度的影想。3.3.3 接口时序TLC2543可以选择使用12或16个时钟周期。TLC2543的时序比较简单，首先将片选信号插在每次转换之前。同时在转换开始处变换一次电平后一直保持，直到时序结束。图10显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期和在每次传递周期之间插入的时序，图11显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期，仅在每次转换序列开始处插入一次时序。表2 TLC2543引脚说明引脚号名称I/O说明19,11,12AIN0AIN10I模拟量输入口。11路接口，连接外部输入信号，通过内部多路器选通15I片选端。片选信号，信号从高到低，内部计数器复位，反之则在设定的时间内禁止数据输出和脉冲输入。17DATAINPUTI串行数据输入端。16DATA OUTOA/D转换结果的三态串行输出端。19EOCO转换结束端。EOC为高电平表示转换结束可以输出转换结果。为低表示正在转换。10GND地。18I/O CLOCKI输入/输出时钟端。时钟脉冲14REF+I正基准电压端。13REF-I负基准电压端。20Vcc电源。图10 时钟时序传送图(使用，MSB在前)图11 时钟时序传送图(不使用，MSB在前)3.3.4 TLC2543与单片机硬件连接图TLC2543与单片机连接方式比较简单，主要是控制TLC2543的DATAINPUT、DATA OUT、CS、EOC、CLK.。这些pin脚接单片机P2口，具体连接图如图12所示。图中SDO为采集数据串口输出，SDI为串口控制输入，CLK为时钟信号，EOC为转换状态标志,、REF为基准电压5v。INT0到INT10为模拟信号输入采集口。控制方式时序图如图10和图11所示。图12 TLC2543电路连接图3.4 矩阵式键盘单片机系统中的非编码式键盘程序主要判别是否有键按下子程序、按键的识别子程序、找到闭合键后，读入相应的键值，再转到相应的键处理程序几个部分组成。矩阵式键盘有16个按键，如此多的按键使操作方便、简单。同时也减少了软件设计上的许多问题。图13为矩阵式键盘接口原理图，系统将按键连接单片机P1口，通过键盘操作，单片机从P1口得到感应，处理相应事件。 图13 矩阵式按键接口图4 系统软件设计4.1 简介KeilUvision4Keil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：全功能的源代码编辑器；1) 器件库用来配置开发工具设置；2) 项目管理器创建和维护项目；3) 集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；4) 真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器；5) 所有开发工具的设置都是对话框形式的；6) 高级GDI(AGDI)接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信4.2 程序设计本软件系统有主程序，三个主要子程序，三个子程序分别为液晶显示驱动程序子程序，键盘扫描子程序，TLC2543数据采集以及采集数据处理程序。4.2.1 主程序主程序对系统进行初始化，主要是调用显示程序显示开机画面，显示所有通道，然后调用键盘扫描程序Keys_Scan()，使用键盘操作，查看所需通道的模拟信号值，键盘操作后，传送该通道参数调用TLC2543驱动程序，并将得到数据进行处理，送到显示缓冲数组，调用显示函数。其流程图见图14: 图14 主程序流程图4.2.2 液晶驱动程序该驱动程序主要通过控制命令来驱动显示屏，整个驱动程序包括液晶初始化模式函数，判忙函数，写命令函数，写显示数据函数，以及液晶汉字基本显示函数。初始化函数为初始化液晶，判忙为判断液晶是否为忙的状态，写命令主要是液晶进行命令控制，显示数据函数为所需显示数据的函数。流程图如15. 图15 液晶驱动流程图 具体函数如下：/*判忙*/void checkbusy()rs=0;rw=1;en=1;P0=0xff; /类似于键扫少了此句非常容出错while(1)en=1;if(P00x80)break;en=0;en=0; /*写指令*/void writecommand(uchar command)checkbusy();rs=0;rw=0;en=1;P0=command;/下降沿时指令数据写入液晶en=0;/*写数据*/void writedata(uchar data0)checkbusy();rs=1;rw=0;en=1;P0=data0; /下降沿时显示数据写入液晶en=0;/*液晶工作模式设置*/void lcdset()writecommand(0x30);/基本指令集,writecommand(0x01);/清屏 DDRAM地址归零writecommand(0x02);/地址归为writecommand(0x0c);/显示开，光标关，反白关writecommand(0x06);/DDRAM地址加一/*液晶显示*/void display(uchar yy ,uchar xx ,uchar*p) /中文字符串 以国标汉字代码存放 ，该代码与液晶显示代码相同 ，一个汉字两个字节switch(yy) case 1: writecommand(0x7f+xx);break;