单片机原理与应用课程设计-多路数据采集系统设计.doc

课 程 设 计课程名称 单片机原理与应用 课题名称 多路数据采集系统设计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2011年 4 月 10 日课 程 设 计 任 务 书课程名称 单片机原理与应用 课 题 多路数据采集系统设计 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学 号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2010 年 4 月 4 日任务完成日期 2010 年 4 月 10 日目 录目 录3第一章 设计要求及目的4第二章 系统总体方案选择与说明5第三章 系统方框图与工作原理63.1 主程序73.2 八路循环显示控制调用73.3 显示子程序8第四章 器件说明94.1 A/D转换电路说明94.2 单片机89C51说明94.3 ADC0809说明104.4 LED显示器11第五章 软件设计与说明125.1 主程序的设计125.2 A/D转换电路及其程序设计145.3 数据采集子程序的设计155.4 八路显示子程序的设计16第六章 调试步骤、结果、使用说明176.1 硬件调试说明：186.2 软件调试：196.3 ADC0809 应用说明19总 结20参考文献22附录A23附录B24电气与信息工程系课程设计评分表28第一章 设计要求及目的数据采集系统用于将模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号.该系统目的是便于对某些物理量进行监视.数据采集系统的好坏取决于他的精度和速度.设计时,应在保证精度的情况下尽可能的提高速度以满足实时采样、实时处理、实时控制的要求.在科学研究中应用该系统可以获得大量动态;是研究瞬间物理过程的重要手段;亦是获取科学奥秘的重要手段之一.本文采用新颖的方法完成设计,用到的集成芯片主要有8051单片机、ADC0809、DAC0832等.ADC0809主要作用是对八路模拟信号进行选择采集,并将其转化为八位数字信号,再送至主控制器(8051单片机);采集完毕后,再由主控制器将信号传输到DAC0832的串行输入端,最后由DAC0832将数字信号转换为模拟信号并通过放大(LM324)与滤波电路输出.软件部分即为控制单片机的工作进程,程序由汇编语言完成并在PROTEUCE开发软件中进行的调试与仿真.本系统利用单片机为核心，设计一个多路数据采集系统，采用8路模拟量输入设计，工作范围是0-5V。要求对输入的8个通道的模拟量进行巡回采样，并将采集的信号数据经A/D转换后以10进制数在LED 显示器上显示，并能通过按键切换所选通道的采样数据。经过这次课程设计进一步的去培养学生的工程设计能力和工程设计思想，同样把书本的知识应用到实际当中去，考察了学生的实际操作能力和理论知识与实际应用相结合的能力。为将来进入工厂中进行生产奠定好一个良好的基础。第二章 系统总体方案选择与说明为了充分利用学校的有效资源，我们仅仅对本课题做一个简单的设计，并且在网上下载PROTUEUCE软件，运行后进行初步的仿真实验八路模拟信号数值测量显示电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。A/D转换由集成电路0809完成，0809具有8路模拟输入端口，地址线（23-25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换，22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2S宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从端口输出。单片机的P1、P3端口作四位LED数码管显示控制，P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0809的A/D转换控制。74LS273是一种带清除功能的8D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。动触开关用来模拟输入信号装置。数据处理则只由80C-52来完成，从P0端口读入数据，将各个数据以二进制的形式存储在片内RAM的70H-77H。通过P1端口将数据传给LED显示，而P3端口则传给74LS73芯片的显示窗口地址。而74LS273将编译的地址给LED来选择输出窗口。当然，还有很多的电阻器等等一些防止电路出现故障的外围设备这里不做详细的解说。该方案简单具有低价格，程序少的，运算得快的优点。第三章 系统方框图与工作原理路数据采集器：数据采集系统第一路输入自制1V5V直流电压，第27路分别输入来自直流源的5V、4V、3V、2V、1V、0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度）。将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号，在经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。模数转换器LED显示74LS273锁存器80C52地址地址 图3.1 系统方框图主控器通过串行传输线路对各路数据进行 采集和显示。采集方式包括循环采集（即1路、2路7路、1路）和选择采集（任选一路）二种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。3.1 主程序 系统通电后，单片机开始根据程序进行信号采样，并根据采集的信号程序设置循环参数，通过程序选择的循环参数选择通信信号,单片机根据显示子程序选择相应的通道信号进过处理后，显示到LED显示器上。3.2 八路循环显示控制调用在刚上电时，因内存单元的数据为0，每一通道的数码管显示值都为000，当进行一次测量后，将显示出每一通道的A/D转换值。每个通道的数据显示时间在1秒左右。主程序在调用显示程序和测试程之间循环。3.3 显示子程序采用动态扫描法来实现四位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在内存单元中，测量数据在显示时需经过转换成为十进制BCD码放在78H7BH中，其中7BH存放通道标志数。寄存器R3用来控制8路循环控制，R0用作显示数据地址指针。 单片机二进转换开始初始化调用显示子程序图：A/D转换流程图测测量调用A/D转换子程序第四章 器件说明4.1 A/D转换电路说明多路数据采集系统，通过多路模拟开关控制多路之间的切换，实现单片AD芯片对多路数据信号的逐个采集。模数转换的核心是模数转换器(ADC)，即AD芯片。它将输入的模拟信号进行量化，即把连续的模拟信号转换为计算机能处理的离散数字信号。因此，数据采集系统的性能在很大程度上取决于AD芯片的性能。AD芯片的主要参考指标是：量化误差、零位偏置误差、增益误差和非线性误差等。4.2 单片机89C51说明80C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，80C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。8051是典型的单片机，由CPU系统，外围功能单元和一体化的I/O端口3部分组成。CPU系统：包括CPU，时钟系统和总线控制逻辑3部分。CPU包含运算器和控制器，专门为面向控制对象，嵌入式特点而设计，有突出控制功能的指令系统。时钟系统：包含振荡器，外接谐振元件，可关闭振荡器或CPU时钟。总线控制逻辑：主要用于管理外部并行总线时序及系统的复位控制,外部引脚有RET、ALE、EA和PSEN。外围功能单元包括ROM程序存储器,RAM数据存储器,I/O端口和SFR特殊功能寄存器4部分。80C51基本功能单元包括定时/计数器、中断系统和串行接口3个基本功能单元。4.3 ADC0809说明ADC0809 由一个8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8 个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809 各脚功能如下：D7-D0：8 位数字量输出引脚。IN0-IN7：8 位模拟量输入引脚。VCC：+5V 工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D 转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D 转换）.EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。4.4 LED显示器本LED显示器可自动轮流显示8路输入模拟电压的数字值，最小分辨精度为0.02V，最大显示数值为255（输入为5V时），模拟输入最大值为5V。表一 LED数码显示器的字形（段）码显示字形字形码（共阳极）字形码（共阴极）0C0H3FH1F9H06H2A4H5BH3B0H4FH499H66H592H6DH682H7DH7F8H07H880H7FH990H6FHA88H77HB83H7CHCC6H39HDA1H5EHE86H79HF8EH71H熄灭FFH00H第五章 软件设计与说明系统软件主要功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监视及服务等。它能够使系统的各种资源得到合理的调度和高效的使用，并能监视系统的运行状态，一旦出现故障就能自动保护现场信息使之不受破坏，并诊断出故障部位。它还可以帮助用户调试程序、查找程序中的错误等。5.1 主程序的设计主程序主要是用来各个子程序进行调用和控制来达到采集数据的功能。这里我们设计的主程序主要对数据采集子程序（TEST）和转码保存子程序（TUNBCD），以及八路循环显示子程序进行调用和控制及参数的设定。主要程序内容如下：ORG 0000HDJMP MAINORG 0003HDJMP RETIMAIN:LCALL TEST ;调用采集信号程序 MOV R3,#08H ;设置循环参数 MOV 7BH,#00H MOV R1,#70H ;选择通道信号LCALL TUNBCD LCALL DISP ;调用八路循环显示子程序 INC R1 INC 7BH ；通道信号送入寄存器 DJNZ R3,TUNBCD LJMP MAIN图5.1 主程序流程图YN转BCD码并保存指向下一个数据地址调用八路循环显示子程序调用采集信号程赶紧回家序开始设置循环参数是否满八次5.2 A/D转换电路及其程序设计单片机8031、ADC0809及或非门74LS02等共同组成数据采集系统的AD转换电路。设有一路信号巧(0V5V)从ADC0809的IN0通道输入，地址输人端A、B、C均接地，这时IN0的通道地址为OOH。0809是8位ADC，对0V-5V的信号，其转换精度为20mV级。P2.4和、共同组成ADC0809的口地址和启动转换控制信号。当P24=0时，指定ADC0809的口地址为0EFFFH；当8031的来到时，0809的ALE在脉冲的上升沿锁存地址信号，START在脉冲的高电平启动A/D转换。在转换结束后EOC输出高电平，转换后的数字量锁存在0809内部的三态输出锁存器中。当输出允许信号为高电平时，转换结果经数据线D7D0输出，图2.36中，8031采用了中断方式读取转换结果，也可以采用时等待的方式读取转换结果, A/D转换的程序如下：TEST: MOV R0,#70H ；显示数据初值(70H-77H) MOV R5,#08 ；八路信号循环控制 MOV DPTR,#0CFA0H ；选中通道0LOOP: MOVX DPTR,A ；启动A/D MOV R4,#8FH ；延时子程序LOOP11: DJNZ R4,LOOP11 MOV R4,#0FHLOOP22: DJNZ R4,LOOP22 MOVX A,DPTR ；读取A/D转换值 MOV R0,A ；把采集数据送到指定位置 INC R0 ；移动存储位置 INC DPTR ；指向下一通道 MOV 7BH,R5 DJNZ R5,LOOP ；判定采集八通道5.3 数据采集子程序的设计 调用数据采集子程序后，该程序就开始初始化存储首地址和循环，输出信号通道编号并等待中断后从输入端读取数据。数据存储由首地址开始，每存储一个数据就指向下一个地址，并进入下一次循环读取数据。这样反复循环八次就完成了数据采集的工作，其工作流程图如图5.2。开始初始地址获取数据并保存指向下一地址读完数据返回主程序NY 图5.2 数据采集流程图5.4 八路显示子程序的设计 调用八路显示子程序后，开始设置各个循环参数和初始化起初输出的0000。之后则是开始将调用显示子程序。八路显示子程序将数据存储的地址给显示子程序，并且反复调用它，使得LED显示器亮得能够用人眼睛识别所显示的代码；自动再次调用到转码保存子程序（TUNBCD），并进入下一个循环去显示下一路保存的数据。八路显示子程序的流程图如图5.3开 始初始循环参数显示零延 迟显示数据延 迟循环显示完指向下一地址并调用TUNBCD返回主程序NY 图5.3 八路显示子程序流程图第六章 调试步骤、结果、使用说明单片机应用系统的开发过程可以分为系统硬件设计、系统软件设计、系统仿真调试及系统脱机运行等四个阶段。如前所述，系统的硬件设计与软件设计工作是同时进行的，可以在设计硬件电路时编制相应电路的软件模块或子程序。系统的仿真调试工作是指修改软件模块，将软件模块链接成二个完整的满足系统功能要求的软件，并对硬件系统进行诊断，系统的仿真调试工作必须借助于开发工具才能进行，目前较常见的开发工具有在线仿真开发装置它可在计算机上调试单片机的应用程序，既能输入程序、设置断点运行,单步运行、修改程序，也能方便地查询各寄存器，I/O口、存储器的状态和内容，还能判断硬件系统的故障。系统应用软件调试通过后，应固化在EPROM中，然后脱机运行，即脱离开发装置，独立运行。6.1 硬件调试说明： 硬件调试是利用Proteus仿真开发系统、检查用户程序语言系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。第一步 目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。第二步 用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测 各种电源线与地线之间是否有短路现象。第三步 加电检测。给板加电，检测所有插座或是器件的电源端是否符合要求的值 第四步 联机检查。因为只有用单片机开发系统才能完成对用户系统的调试。 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。由近及远是将信号流经的各器件按照距离单片机的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。6.2 软件调试：软件调试是通过对程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。74LS273应用说明74LS273是一种带清除功能的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。 CPU 的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK 端相连。1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。6.3 ADC0809 应用说明（1） ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。（2） 初始化时，使ST 和OE 信号全为低电平。（3） 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4） 在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。（5） 是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。（6） 当EOC 变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。软件设计完成后，可根据PRTEL99SE中的电路原理图进行引脚锁定，然后启动编译程序来编译项目。编译器将进行错误检查、网表提取、逻辑综合和器件适配，然后进行行为仿真、功能仿真和时序仿真。总 结经过这此单片机课程设计,我学会了很多东西。比如，对汇编语言的理解就已经有了一个更进一步的理解，同时也对那些我们已经学过的各种计算机语言进行了一个简单的对比。在经过大一的语言课程设计和大三的电子电路课程设计以及此次单片机课程设计。使我养成了模块化工程设计方法的习惯，在设计功能模块时候，得先确定是什么功能模块，并绐模块读取地址或数据和存储地址或传出变量。只要这样，在需要时候进行调用或中断就可以了。在这里我不防去比较一下这三次课程设计：首先,语言课设计中,只要求单纯由软件实现预定功能。其次,电子电路课程设计更侧重由一些硬件组合直接实现预定功能。最后，单片机课程设计则结合以上两次设计的优点：既使用了软件又结合了硬件，并且告诉我们使用正确的接口。经过这次经历，我不仅加深了对单片机理论的理解，还熟悉和掌握了单片机的许多基础设计语言和模拟单片机软件程序，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类造福为意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想到的事。使之不断地战胜自己，超越前人。这个设计过程中，我遇到过许多次失败的考验，就比如，自己对实际生活中的不了解给整个设计带来的困扰，真想要就此罢休，然而，就在想要放弃的那一刻，我明白了，原来结果并不那么重要，更应该引起我们重视的是创作的这一整个过程。这次课程设计让我受益匪浅，无论从知识上还是其他的各个方面。上课的时候的学习从来没有见过真正的单片机，只是从理论的角度去理解枯燥乏味。但在实习中见过甚至使用了单片机及其系统，能够理论联系实际的学习，开阔了眼界，提高了单片机知识的理解和水平。在这次课程设计中又让我体会到了合作与团结的力量，当遇到不会或是设计不出来的地方，我们就会在QQ群里讨论或者是同学之间相互帮助。团结就是力量，无论在现在的学习中还是在以后的工作中，团结都是至关重要的，有了团结会有更多的理念、更多的思维、更多的情感。 单片机是很重要的一门课程，老师和一些工作的朋友都曾说过，如果学好一门单片机，就凭这个技术这门手艺找一个好工作也不成问题。尽管我们在课堂学到的内容很有限，但在以后的学习中单片机还需要好好的深入研究和学习，学好了单片机也就多了一项生存的本钱。最后感谢老师对我们的精心指导和帮助，感谢同学们对我的帮助。参考文献1 何立民.单片机应用系统设计.北航出版社2 王迎旭.单片机原理及应用.机械工业出版社，北京：20043 楼然苗.51系列单片机设计实例. 北航出版社4 戴家.51单片机应用系统开发典型实例. 中国电力出版社社5 陈光东.单片微型计算机原理及接口技术.华中科技大学出版社6 房小翠.单片机实用系统设计技术. 国防工业出版社附录A 八路模拟信号数值测量电路图附录B程序清单：ORG 0000HMAIN:LCALL TEST ;调用采集信号程序 MOV R3,#08H ;设置循环参数 MOV 7BH,#00H MOV R1,#70H ;选择通道信号LCALL TUNBCD LCALL DISP ;调用八路循环显示子程序 INC R1 INC 7BH ；通道信号送入寄存器 DJNZ R3,TUNBCD LJMP MAIN；-八路循环显示控制子程序-DISP: MOV SP,#60H MOV R5,#100 ；设置调用显示次数，使显示稳定 LP: MOV A,#0 MOV R0,#30H MOV R7,#04HLP2: MOV R0,A INC R0 INC A DJNZ R7,LP2 ACALL DIS ；调用显示模块 DJNZ R5,LP MOV R6,#0F4H ；延时 DL1: MOV R7,#0A9H DL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET ;- -A/D转换子程序-TEST: MOV R0,#70H ；显示数据初值(70H-77H) MOV R5,#08 ；八路信号循环控制 MOV DPTR,#0CFA0H ；选中通道0LOOP:MOVX DPTR,A ;启动A/D MOV R4,#8FH ;延时子程序LOOP11: DJNZ R4,LOOP11 MOV R4,#0FHLOOP22: DJNZ R4,LOOP22 MOVX A,DPTR ;读取A/D转换值 MOV R0,A ；把采集数据送到指定位置 INC R0 ；移动存储位置 INC DPTR ；指向下一通道 MOV 7BH,R5 DJNZ R5,LOOP ；判定采集八通道 RET；-二进制转换BCD码子程序-TUNBCD: MOV A,R1 ;255/51=5.