毕业设计（论文）-基于单片机的多通道数据监测系统.doc

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文） 基于单片机的多通道数据监测系统 A multi-channel data detection system based on MCU 年 级:2004 级 学 号:20041426 姓 名:刘天豪 专 业:机械电子工程 指导老师:肖世德 2008 年 6 月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 页 院 系 机械工程学院 专 业 机械电子工程 年 级 2004 级 姓 名 刘天豪 题 目 基于单片机的多通道数据监测系统 指导教师 评 语 指导教师 (签章) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章) 成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 页 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 班 级 茅机 学生姓名 刘天豪 学 号 20041426 发题日期： 2008 年 3 月 5 日 完成日期： 6 月 10 日 题 目 基于单片机的多通道数据监测系统 1、本论文的目的、意义 温度压力液位流量是工业自动化常见控制参量，实现其监测与控制是基础性工作， 也是机械电子工程专业学生必须掌握的基础内容。本课题要求学生综合利用所学知 识，培养动手能力，在前人工作基础上，改进完善，实现多通道模拟工业温度压力 液位信号采集和处理显示，实现上下限报警和电磁继电器和开关通断控制。该课题 对于机电测控实验中心完善实验建设具备价值。 2、学生应完成的任务 （1）查阅收集资料、熟悉设计原始资料、完成相关不少于 10000 个字符的外文资料 翻译。 （2）完成毕业实习调研以及实习报告的撰写 。 （3）现有温度压力液位流量监测与控制系统调研和资料搜集。 （4）多路参量监测与控制系统方案设计。 （5）接口电路板制作和加工 。 （6）实验程序设计与调试。 （7）完整程序和实物一套。 （8）整理完成不少于 24000 字的毕业论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周） 第一部分 调研准备和资料搜集 （2 周） 第二部分 方案设计和元器件采购 （2 周） 第三部分 硬件制作 （3 周） 第四部分 软件调试 （3 周） 第五部分 系统集成，撰写毕业论文 （1 周） 评阅及答辩 评阅答辩 （1 周） 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 I I 页 备 注 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 IIII 页 摘摘 要要 随着电子计算机信息技术的不断发展和完善，采用单片机实现的数据采集系统 的应用越来越多。采用单片机实现的数据采集系统具有自动化和无人值守的特点。 在许多工业测控机械、医疗仪器以及消费电子产品中，都对数据采集系统的实 时性与功耗提出了更高的要求：即在满足微功耗、微型化的总体设计原则基础上， 又要能实时反映现场采集数据的变化。这就对系统的功耗、采样速度、数据存储和 传输速度等提出了更高的要求。然而，随着半导体与微控制器技术的飞速发展，各 种微电子器件的性能不断提高，功耗却不断降低。技术的进步使得高速度、低功耗 的数据采集系统得以实现。 本文设计的数据采集与显示、处理系统采用 TI 公司研制的 MSP430 系列超低功 耗单片机作为核心控制元件，实现了 8 通道模拟量数据的采集、自动循环显示、用 户查询、限位设定及报警、外围驱动能力、时间显示、以及和上位机组态软件的通 信功能。该系统功能齐全，且具有一定的通用性。主要研究内容如下： 首先，分析了数据采集系统技术领域内国内外的研究现状，以及 MSP430 系列低 功耗单片机的特点和应用情况。其次，分析了研究数据采集系统的现实意义，在此 基础上给出了基于 MSP430 单片机的数据采集系统的总体设计方案。比较详细的介绍 了实现该系统的硬件电路设计，包括电源电路、按键电路、复位电路、点阵 LCD 显 示电路、LED 指示灯和蜂鸣器报警电路、直流电机驱动电路和 USART 异步串行通信 电路等电路的原理图设计。最后详细的介绍了基于 C 语言的软件系统实现方案。 其中，软件系统的设计是本设计的工作重点。设计过程采用了模块化的软件设 计思想。文中第 4 章前 6 小节详细介绍了系统中各个模块软件设计过程。其中和组 态王的串口通信程序设计是最有创新性的内容；第 7 小节介绍了这些模块之间的输 入、输出等链接关系，并最终给出了主处理程序的结构框架。 本设计的最终实验结果表明，下位机的数据采集及显示、查询、报警等功能均 能顺利实现；与组态王的串口通信程序设计取得了明显的成果。 关键词：数据采集 MSP430 串行通信 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页 Abstract With development of computer and information technology, using of MCU in a data detection system is becoming more and more popular. Data detection system with MCU has character of automated and unattended. Real-time and lower power consumption is demanded in many industrial measurement and control machinery, medical equipment and consumer electronics products: principle of overall design is not only meet micro-power consumption and miniaturization but also reflect real-time data changes when the scene changes. This make a higher demand of the systems power consumption, sampling speed, data storage speed and transmission speed. With the rapid development of semiconductor and microcontroller technology, performance of microelectronic devices is improved but the power consumption is reduced. Advances in technology make high-speed, lower-power data detection system can be realized. The data detection and processing system designed in this paper use TIs MSP430 as the core element, which achieves the functions such as: 8-channel analog data detection, automatic cycle display, user queries, set the limit and give alarm, to drive the external devices, show time and communicate with PC(through KingView 6.51). The system has enough functions and is commonality. Main contents are as follows: First, analyses the research status quo of the data detection system at home and abroad. Second, analyses the practical significance of data detection system, on basis of this, we give a data detection system design programme which based on MSP430. We detail the systems structural design and hardware circuit design, including power circuit, button circuit, reset circuit, dot-matrix LCD display circuit, LED and buzzer alarm circuit, motor-driven circuit and USART communication circuit, Finally, give a detail introduction to design a software system based on C language to realize the whole function. The software design is the key work of this design. The whole design processing based on a concept called “modular design”. In Chapter 4 the first six sections detail every modules designing process. Serial communication procedures design between KingView 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页 and MSP430 is believed to be the most innovative content in this paper; in section 7, input and output relations among all the modules is analysed. And finally, I give the main programs structural framework. Final test results show that data detection and display, query and alarm function can runs smoothly; serial communication design between KingView and MSP430 have achieved remarkable results. keykey wordswords：data detection MSP430 serial communication 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 页 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 数据采集系统概述 .1 1.1.1 嵌入式系统概述 .3 1.1.2 嵌入式数据采集系统简介 .3 1.2 数据采集系统发展方向 .3 1.3 本文研究的主要内容及组织结构 .7 第 2 章 基于 MSP430 的数据采集系统的系统设计.6 2.1 基于 MSP430 的数据采集系统的系统构建 .6 2.1.1 系统功能分析 .6 2.1.2 系统的硬件原理框图 .7 2.1.3 系统的工作过程 .8 2.2 系统主要功能器件的介绍及选择 .8 2.2.1 单片机的选择 .8 2.2.2 传感器简介 .11 2.2.3 AD 转换模块结构介绍.11 2.2.4 LCD 显示模块的选择.14 2.2.5 上位机处理系统软件的选择.15 第 3 章 基于 MSP430 的数据采集系统的硬件设计.17 3.1 电源电路的设计 .17 3.2 复位电路设计 .18 3.3 模拟量采集电路的设计 .18 3.4 图形点阵 LCD 显示电路 .19 3.5 按键处理电路 .20 3.6 串行通信电路设计 .21 3.7 报警系统及外围驱动模块电路设计 .23 3.7.1 报警电路设计 .23 3.7.1 电机驱动电路设计 .24 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 I 页 3.8 单片机电路设计 .24 第 4 章 基于 MSP430 的数据采集系统的软件设计.26 4.1 系统时钟模块的初始化设置 .28 4.2 模拟量采集模块软件设计 .28 4.2.1 转换模块的初始化设置 .28 4.2.2 转换数据的读取 .28 4.2.3 转换数据的格式化 .30 4.2.4 ADC12 模块的启动.31 4.3 输入模块的软件设计 .32 4.3.1 输入模块的初始化设置 .32 4.3.2 中断处理程序 .34 4.4 显示模块的软件设计 .42 4.4.1 LCD 初始化设计.42 4.4.2 LCD 显示设计.43 4.5 串行通信模块的软件设计 .45 4.5.1 组态王与单片机的通信协议 .46 4.5.2 单片机通讯程序设计 .49 4.6 报警系统及外围驱动电路模块的软件设计 .56 4.6.1 报警系统的软件设计 .57 4.6.2 外围驱动模块的软件设计 .58 4.7 主处理模块程序设计 .60 第 5 章 系统的调试及运行.63 5.1 系统实物电路的搭建 .63 5.2 下位机设计功能调试 .63 5.1 和组态王 6.51 串口通信的调试 .63 结 论.68 致 谢.69 参考文献.70 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 II 页 附录 1：电路原理图 .71 附录 2：程序 .72 附录 3：实习报告 .72 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 III 页 MSP430F44X 系列器件的封装形式为 100 引脚的 PLASTIC100-PIN QFP，其引脚如 图 2-4 所示。 2.2.2 传感器简介 传感器就是能感知外界信息并能按一规律将这些信息转换成可用信号的装置。 传感器是系统对环境或被感知对象的感知元件，它的分辨率和精度对整个系统的精 度有很大的影响。在本系统中，所用传感器应当能够将被测的非电量信号转换为与 之有确定对应关系的电量信号。 传感器的品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为：（1） 、物理类： 基于力、热、光、电、磁和声等物理效应；（2） 、化学类：基于化学反应的原理； （3） 、生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能。 通常据基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏 元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏元件、色敏元件和味敏元件等十大类。 2.2.3 A/D 转换模块结构介绍 由于本数据采集系统采用的核心处理器为 MSP430F449，该器件集成了 12 位精 度的模数转换模块 ADC12。这样使对系统 A/D 转换模块的结构设计变得非常简单。 由于 A/D 转换的基准为电压，所以，如果传感器获得的为电流信号，则只需要将电 流转换为电压即可；若传感器获得的为电压信号，则可直接利用。 这里只对 A/D 转换及其原理作简单介绍。 在 MSP430 的实时控制和只能仪表等应用系统中，控制或测量对象的有关变量， 往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量。利用传感器 把各种物理量测量出来，转换位电信号，经过模数转换（ADC）变成数字量，这样 模拟量才能被 MSP430 处理和控制。 分析或设计 MSP430ADC 相关应用时都会设计到有关性能指标的术语，弄清这 些术语对理解应用 ADC 模块是很重要的。ADC 模块常用性能指标有如下几个： （1） 分辨率。分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需要输入模拟电压 的变化量，它定义为转换器的满刻度电压与 2 的比值，其中 n 为 ADC 的 位数，因而分辨率的与 ADC 的位数有关。ADC 的位数越多，数据采集精 度就越高。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 IV 页 （2） 量化误差。量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟 数值进行离散取值（量化）而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个 单位分辨率即1/2LSB。提高分辨率可以减少量化误差。 （3） 转换精度。ADC 模块的转换精度反映了一个实际 ADC 模块在量化上与一 个理想 ADC 模块进行摸/数转换的差值，可表示为绝对误差或者相对误差， 与一般测量仪表的定义相似。 （4） 转换时间。指 ADC 模块完成一次模数转换所需要的时间，转换时间越短 越能适应输入信号的变化。转换时间与 ADC 模块的结构、位数有关。 此外，还应当考虑所使用的电压范围、工作温度、接口特性、输出形式等性能。 MSP430ADC12 模块的结构原理如图 2-5 所示： 由上图可以看出，ADC12 由如下几个功能模块组成： 1、参考电压发生器 所有模数转换模块（ADC）和数模转换模块（DAC）都需要一个基准信号，通 常为电压基准。ADC 的数字输出表示模拟输入相对于它的基准的比率；DAC 的数 字输入表示模拟输出相对它的基准的比率。有些转换器需要内部基准，有一些转换 器需要外部基准。 MSP430 ADC12 内置参考电源，而且参考电压有 6 种可编程选择，分别为 与的组合。其中，有（模拟电源正端） 、（A/D 转换器内部参 R+ V R- V R+ V Vcc A REF+ V 图 2-4 ADC12 结构原理图 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 V 页 考电源的输出正端）及（外部参考电源的正输入端） ，VR-包括（模拟 eREF+ V R- V Vss A 电源负端）和（A/D 转换器参考电源负端内部或者外部） 。 REF-eREF- V/V 2、模拟多路器 当对多个模拟信号进行采样并进行 A/D 转换时，为了共用一个转换内核，模拟 多路器需要分时地将多个模拟信号接通，即每次接通一个信号采样并转换。MSP430 ADC12 配置有 8 路外部通道与 4 路内部通道，通过 A0A7 实现外部 8 路模拟信号 输入，4 路内部通道可以将、以及片内温度传感器 eREF+ V REF-eREF- V/V)/2 VccVss (A-A 的输出作为待转换模拟输入信号。这样就能同时对多路 模拟信息进行测量和控制， 从而满足实际控制和实时数据处理系统的要求。 3、具有采样与保持功能的 12 位转换器内核 ADC12 内核是一个 12 位的模数转换器，并能够将结果保存在转换存储器中。 该内核使用两个可编程的参考电压（和）定义转换的最大值和最小值。当输 R+ V R- V 入模拟电压等于或高于时，ADC12 输出满量程值 0FFFH，当输入电压等于或小 R+ V 于时，ADC12 输出 0。输入模拟电压的最终转换结果满足公示： R- V ADCinRRR- N=4095V -VVV + （/(-（ 因为 A/D 转换需要一定的时间来完成量化及编码操作，对高速变化的信号进行 瞬时采样时，不等 A/D 转换完毕，采样的值却已经改变。为了保证转换精度 ADC12 内核具有采样和保持功能，即使现场模拟信号变化比较快，也不会影响 ADC12 的转 化。采样状态，输出随输入而变化，保持状态，输出保持某个值一段时间以备转换。 ADC12 内核接收到模拟信号输入并具有转换允许的相关信号之后，便开始进行 AD 转换。在没有模拟信号转换的时候，为了节省功耗，可以通过位 ADC12ON 关 闭转换内核。 4、采样及转换所需的时序控制电路 这部分提供采样及转换所需要的各种时钟信号：ADC12CLK 时钟、SAMPCON 采样及转换信号、SHT 控制的采样周期、SHS 控制的采样出发来源选择、 ADC12SSEL 选择的内核时钟、ADC12DIV 选择的分频系数等。在时序的控制下， 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 VI 页 ADC12 的各部件能够协调工作。 5、转换结果缓存 ADC12 共有 12 个转换通道，设置了 16 个转换存储器用于暂存转换结果，合理 设置之后，ADC12 硬件会自动将转换结果存放到相应的 ADC12MEM 寄存器中。每 个转换存储器 ADC12MEMx 都有自己对应的控制寄存器 ADC12MCTLx。控制寄存 器控制各个转换存储器必须选择基本的转换条件。 ADC12 的主要特点归纳如下： 12 位转换精度，1 位非线性微分误差，1 位非线性积分误差。 有多种时钟源提供给 ADC12 模块，而且模块本身内置时钟发生器。 内置温度传感器。 Timer_A、Timer_B 硬件触发器。 配置有 8 路外部通道与 4 路内部通道。 内置参考电源，并且参考电压有 6 种组合。 模数转换有 4 种模式。 16 字转换缓存。 ADC12 可关断内核支持超低功耗应用。 采样速度快，最高可达 200Ksps。 自动扫描。 DMA 功能。 2.2.4 LCD 显示模块的选择 液晶的种类有很多，分类方法也有很多种，按照显示方式可分为：段式液晶、 字符式液晶、图形式液晶等。 段式主要用于显示数字及其它简单符号；字符式液晶主要用于显示数字及英文 字母等。 点阵图形液晶模块的功能比较强大，不仅可以显示数字、英文字母和汉字，而 且可以显示图形。在本系统中，由于要显示汉字，所以液晶模块选择低功耗点阵图 形式 LCD 模块 ZJM12864BSBD。 12864 点阵液晶显示模块（LCM）就是由 12864 个液晶显示点组成的一个 128 列64 行的阵列。每个显示点对应一位二进制数，1 表示亮，0 表示灭。存储这些 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 VII 页 点阵信息的 RAM 称为显示数据存储器。要显示某个图形或汉字就是将相应的点阵信 息写入到相应的存储单元中。图形或汉字的点阵信息当然由自己设计，问题的关键 就是显示点在液晶屏上的位置（行和列）与其在存储器中的地址之间的关系。 由于多数液晶显示模块的驱动电路是由一片行驱动器和两片列驱动器构成，所 以 12864 液晶屏实际上是由左右两块独立的 6464 液晶屏拼接而成，每半屏有一个 5128 bits 显示数据 RAM。左右半屏驱动电路及存储器分别由片选信号 CS1 和 CS2 选择。 （少数厂商为了简化用户设计，在模块中增加译码电路，使得 12864 液晶屏 就是一个整屏，只需一个片选信号。 ） 有关本液晶模块的详细使用方法，将在下一章作详细介绍。现只列举本液晶模 块的特点如下： （1） 显示格式：128 点（列）64 点（行） ； （2） 显示类型：STN 黄绿模式、半反半透、6：00 视角、正向显示； （3） 驱动方式：1/64 占空比； （4） 易与 8 位的 MPU 相连； （5） 多功能指令； （6） 加电自动复位； （7） 控制芯片：KS0107B、KS0108B； （8） EL 背光源：AC 110V、400HZ； （9） 工作电压：+5.0V 0.5V。 2.2.5 上位机处理系统软件的选择 目前有很多的测控系统是由 PC 机和单片机控制装置组成的，单片机采集现场的 数据和状态，通过串行口传送到 PC 机进行分析、存储与显示，PC 机的命令通过串 行口传到单片机，以控制设备的运转。为了扩展该数据采集系统的功能，决定采用 工控软件开发一个上位机数据处理和控制系统。 在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态英文是“Configuration”。简单 的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念 最早出现在工业计算机控制中。如 DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器） 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 VIII 页 梯形图组态。 虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供一些灵活 性，组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类 BASIC 语言，有 的甚至支持 VB。 在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：WinCC，iFix，Intouch， 组态王，力控等。 本系统选用的上位机处理组态软件是“组态王 6.51” 。 “组态王 6.51”是一款国 产的性能优良的工控组态软件。为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发 平台，能够完成现场数据的采集和处理、趋势曲线绘制及报表输出等功能。 组态王为数据采集和控制提供了大量的底层设备的驱动程序，但大多是针对有 名厂商的板卡和模块，对于用户自己设计的采集、控制装置则没有驱动程序提供。 但组态王提供了一些通用的数据交换的标准协议。组态王提供的单片机通用通信协 议可支持 HEX 型和 ASCII 型，其中 HEX 型效率较高。本文选择使用 HEX 型单片机通 讯协议。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 IX 页 第 3 章 基于 MSP430 的数据采集系统的硬件设计 通过第二章的介绍，知道本系统主要有：A/D 转换模块、点阵 LCD 显示模块、 按键处理模块、USART 异步串行通信模块、外围电路驱动模块五个功能模块以及电 源电路、复位电路这两个基础模块组成。 3.1 电源电路设计 考虑到数据采集系统可能用于不同的环境中，所以系统设计时候，提供了较为 灵活的供电方式：既可以利用外部电源供电，也可以采用电池供电。 电源电路设计如下图 3-1 所示： 供电方式原理及选择方法： 1、外部电源供电：当采用外部电源供电时，必须按照下面步骤连接： A、将变压器接头接入 AC9V_IN 接口。 B、连接器 J1 的 P2、P3 短接，系统就选择外部电源供电。 C、连接器 J2 的 EXT_ACC 和 VCC 短接。 经变压器获得的外部交流电源经过整流、滤波电路，得到 9V 的直流电源，再 经过 LM317 和 RH5RL36AA 分别得到了 5V 和 3.6V 的直流电源。其中 3.6V 供 MSP430F449 所用，5V 提供给其它用电器件（这里主要是蜂鸣器和继电器） 。 2、电池供电。由于 MSP430F449 为低功耗器件，在一些应用场合可以利用自带 电 图 3-1 电源管理电路 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 X 页 池供电。此时只需将连接器 J2 的 JTAG_VCC 和 VCC 短接即可。 3. 4. By-gnksguybb 3.2 复位电路设计 在单片机系统中，单片机需要复位电路，复位电路可以采用 R