2012智能仪器课程设计.doc

课程设计报告课程名称： 智能仪器课程设计 题 目： 基于51单片机的智能多路数据采集系统 学 院： 环境与化学工程 系：过程装备与测控工程 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测仪091 学 号： 5801209028（组员：5801208077） 学生姓名： 熊金兵（组员：韦正） 起讫日期： 2012-06-152012-06-30 指导教师： 杨大勇、杨俊清、熊剑 - 10 -摘要随着工业化的发展,微型计算机和数据采集的作用日益突出, 微型计算机在实时控制、在线动态测量和对物理过程进行监控,以及图像、语音处理领域都得到了广泛的应用。针对CPU只能处理数字信号的特点,通常将一些变化的模拟量(如温度、压力、流量、位移、速度、声音等)转换为数字量后,再由CPU完成对检测对象的处理。数据采集在现代工业控制中也起着越来越重要的作用。随着工业自动化水平的提高，对数据采集的精度和速度的要求都有很高的要求。数据采集系统的速度,不仅与CPU、A/D转换器的性能有关(如采用高速A/D转换芯片),还与数据传送方式有着密切的关系针对目前高速采集系统复杂，成本高的现状，提出一种简单的基于51系列单片机的高速数据采集系统。采用价格低廉的51单片机,结合DMA技术传送数据(即将A/D转换器所采集的数据不经过CPU累加器而直接存入存储器),将使得数据传送时间得到大大缩减,传送速率得到很大提高,从而实现了高速数据采集,这尤其适用于磁盘存取、图像处理、同步通信中的收/发信号等需要高速、大批量传送数据的场合，本设计采用高速AD芯片TLC5510外部，经过CD4051多路开关最多可采集八路模拟信号。通过矩阵键盘可以设置人机对话设置不同参数。本设计用到PLCC-44引脚的封装STC89C52单片机，外部扩展有存储设备EEPROM24C02，以及DAC0809控制增益程控放大器，经过NOKIA5110液晶显示各种不同的信息。关键词：单片机 A/D转换器 程控放大器 矩阵键盘 EEPROM 目录一、设计任务、要求二、方案总体设计与论证三、硬件设计四、软件设计五、系统仿真与调试六、设计总结、心得体会等七、参考文献一、设计任务、要求1、设计任务：设计一个基于51单片机的数据采集系统2、设计要求：设计一个基于51单片机的数据采集系统，该系统具有以下基本功能：1) 具有多路数据采集功能，至少两路；2) 4位数据显示功能，利用电位器分压方式，通过调节电位器，能够改变输入，同时在数码管中进行显示；3) 具有至少2x2的矩阵键盘，通过按键可以设置不同的采集通道，或不同的采集方式；4) 具有简单的数据处理功能，如中值滤波、平均滤波等等；5) 系统具有较好的模块化，功能分块合理。3.发挥部分：1) 具有数据存储功能 2）具有可编程程控放大功能4.创新部分: 1）NOKIA5110液晶显示屏输出 2）采用两路供电 3）系统外部扩展二、方案总体设计一个系统的实现包括软件和硬件,设计过程中要坚持软件硬件兼顾的原则，使设计的更为合理，制作简易，操作方便等等。现预拟定两套方案，分别为软件最优和硬件最优方案。讨论如下：方案一：硬件最优方案。所谓硬件最优就是使硬件的设计更为合理，电路连接方便，制作周期短。电路板选择，有万能板和覆铜板两种板子可用。其中万能版上有制作好的焊盘，使用时需要用焊锡代替导线连接元件；覆铜板为一张覆盖有铜箔的化纤板，使用前要用Altium Designer画图软件画好电路，然后打印再经过转印，刻蚀形成电路，最后把元件对号入座，焊在电路板上。相比之下，前者步骤少，步骤单一，容易掌握；后者所需制作周期长，步骤繁琐。考虑到课程设计制作需要仔细用心，硬件质量需要保证，我们最终决定用Altium Designer制作PCB电路图。单片机选用常用的PLCC_44封装STC89C52作为主控单片机，显示器件用NOKIA5110液晶，输入设备选用市场上常见的微动按键，报警等提示用蜂鸣器显示，电源输入用7.2V电池经过两路LM2940输出5V给单片机以及其他模块，电源指示用一个红色发光LED。本着硬件质量第一的原则，用最好的布线电路。软件编程则根据硬件连接方式，编制相应的控制函数。方案二：软件最优方案：所谓软件最优方案，就是可以利用之前实验室练习时用过的编码，程序框架，以及算法等等。除此之外还要根据硬件条件合理选择最佳的软件编程方法。总体设计：设计总体框架图如图所示。三、硬件设计3.1、单片机最小系统P0口为D/A输出，P1口为A/D输入，P20到P22控制多路开关，P23到P27控制液晶显示，P30到P31为串口下载，P32到P35控制按键，P36到P37为EEPROM总线，P41口控制蜂鸣器。3.2、LCD液晶显示模块液晶显示为诺基亚5110，采用模拟SPI通信进行控制显示 3.3、系统电源外部7.2V电池经过两路LM2940输出5V分别给单片机以及其他模块供电3.4、高速AD采集电路外部高速AD，TLC5510采集多路模拟信号3.5、外部扩展存储3.6、DAC0809数字放大程控DAC0809进行放大3.7、整体电路数据采集系统电路原理图四、软件设计程序流程如图所示。五、系统仿真与调试仿真软件简介、调试过程等 本着硬件为最基本的态度，我们首先查阅资料，然后直接制作PCB板，很早就把硬件制作出来，调试的过程一直是那硬件来实现的，没有用仿真软件，调试的时候都分模块调试的，然后一步步加上去，首先调试的是液晶，然后每一个模块的调试都是用液晶显示出来的，首先是高速AD的测试，然后是程控放大器，接着是外部存储器EEPROM，最后是按键和蜂鸣器，而且软件部分也是一步步加上去的，程序模块化非常清晰，每个模块见独立存在，互不影响但是可以相互调用。调试过程图使用说明首先打开电源开关，然后等待液晶屏幕的介绍，按照最后一页液晶屏幕的指示，按下液晶对面的左一按键，系统开始工作，系统会进入一个显示全部模块的画面。按键说明，液晶对面左一：控制系统运行或者停止；右一：设置采集通道左二：设置向EEPROM写入数据；右二：设置程控放大器增益6、 设计总结、心得体会本次课程设计是非常有意思的，围绕数据采集，围绕AD模数转换绞尽脑汁在做各种创新，各种应用，大家集思广益。AD转换在显示生活中是相当的试用，可以测试不同的信号，人们经过转换出来的数据就能直观的知道当前的各种参数了，我们生活当中是无处不在的。这次智能仪器的课程设计也就是把书本上学到的知识实现了，让我们更能理解理论，而不是停留在理论的基础上，经过动手可以让枯燥无味的理论知识变得生动有趣。我们小组设计的作品是以AD转换为基础，在保持AD的基础上扩展了外部存储功能EEPROM，以及基于DAC0809的程控放大器，用诺基亚液晶显示屏，蜂鸣器输出指示。软件部分的制作需要相当的仔细，分模块写程序是最好的，模块化清晰的程序能很好的调试，互相不干扰思绪有条理，也能很好的检查到错误，遇到问题也能很好的解决。软件部分的工作是最辛苦的，调试的时候要很耐心，调试好之后还要优化程序。消耗的是大量的脑力，但是调出来的软件能够的到很好的安慰。写程序需要在一个比较安静的环境下，认真仔细的思考，整个人都陷入一种状态下，让自己的思路很清晰的情况下，才可以写出质量高的程序。当遇到问题的时候，一定要冷静下来分析问题的所在，特别是在一些时序的问题上，我们的想法过于简单，写程序的能力又不是很高的情况下就应该多查资料多学习。用各种不同的方法去调试。程序开发的能力是锻炼出来的，不断的去编程，不断的去学习，不断的去看别人写的高级的程序这样学着其中高手编程的技巧。只有这样自己的能力才能得到提升。七、参考文献【1】张友德，单片微型机原理应用与实践（第四版），复旦大学出版社，20