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单片机 数据 采集 控制系统 设计 含有 CAD 文件

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南京理工大学泰州科技学院毕业设计（论文）任务书系部：机械工程系专 业：机械工程及自动化学 生 姓 名：谢益陶学 号：05010206设计(论文)题目：单片机数据采集和控制系统的设计起 迄 日 期:2009年3月09日 6月14日设计(论文)地点:南京理工大学泰州科技学院指 导 教 师:陆宝春 王荣林专业负责人:龚光容发任务书日期: 2009 年 2月26日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系部领导签字后生效。此任务书应在第七学期结束前填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系部主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“系部”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 77142005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：要求学生独立设计一个单片机通用控制系统，主要包括：显示模块、按键输入模块、I/O输入输出模块、光电隔离模块、通讯模块等部分，能够实现工业中常用的数据采集与控制等功能。通过该课题的锻炼，使学生能了解并学会使用单片机，熟悉单片机系统的外围芯片组成；同时对控制系统在工程中的应用有深刻认识，学会单片机程序的编写和调试；学会一整套分析问题、解决问题的方法，培养出独立的工作能力和动手能力。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：该课题是利用单片机作为控制器件，通过有关的外围接口芯片，完成模拟数据的采集和显示、键盘按键输入、I/O输入输出、继电器隔离输出、与其他外部设备的串行通讯等功能。为做好该课题，同学需要理解单片机的工作原理、有关外围接口芯片的工作机理；电源电路设计、模拟数字电路处理；C和汇编语言设计等等方面的知识。首先要能够读懂理解单片机的工作原理、各接口的功能作用；熟悉外围芯片的工作原理和典型电路；其次要根据任务书的内容要求，综合各个芯片，正确连接各芯片引脚，画出整个采集与控制系统的电路原理图；最后配合相应的控制程序来实现预定的各项功能。对该课题的要求分成两个方面：一方面是硬件的要求，另一方面是软件的要求。对硬件的要求：AD、DA部分采用12bit分辨率，实现10V范围内的电压信号采集和控制输出；显示部分采用LCD，能够正确识别键盘的按键，并显示各种状态；具备RS232、RS485和CAN通讯接口；IO部分采用光电隔离。对软件的要求：能够正确采集并显示模拟信号的幅值；能够与其他设备进行正常通讯，并显示通讯状态和数据；能够按照设定程序控制外部IO端口动作；能够正确识别键盘的按键。整个课题设计完成后，要全部调试通过单片机程序，检查考核是否实现了应有的功能。最后整理资料，并撰写毕业论文。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：课题成果内容包括：1) 正确的系统硬件电路图；2) 所用到的各模块或者芯片的原理资料；3) 调试通过的单片机源程序；4) 搭建的硬件电路和毕业论文。4主要参考文献：1 何立民. 单片机应用系统设计M. 第1版. 北京:北京航空航天大学出版社,1990.2 李华. MCS-51系统单片机实用接口技术M. 第1版. 北京:北京航空航天大学出版社,1993.3 赵建领. 51系列单片机开发宝典M. 第1版. 北京:电子工业出版社,2007.4 中国自动化技术公司. 速查手册. 北京:中国自动化技术公司.5 龙宪惠. 脉冲与数字电路M. 第1版. 四川:四川大学出版社,1991.6 王远. 模拟电子技术M. 第1版. 北京.北京理工大学出版社,1991.7 任致程. 电子制作工艺技巧M. 第1版. 北京:人民邮电出版社,1999.8 陈隆昌，阎治安. 控制电机M. 第三版. 西安:西安电子科技大学出版社，20009 张积东. 单片机51/98开发与应用M. 北京:电子工业出版社，1994.10 张志良. 单片机原理与控制技术M. 北京:机械工业出版社，2002.11 杜尚丰等. CAN总线测控技术及其应用M. 北京:电子工业出版社，2007.12 .（广州周立功单片机发展有限公司）13 .14 .15 /Article/embed_system/dsptech/200307/107.html.16 .毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2009 年3月9日 3月28日3月29日 4月15 日4月16日 5月15日5月16日 6月8日6月9日 6月14 日查阅资料，熟悉所需选用的元件，单片机原理及外围芯片原理，翻译外文资料，写开题报告构思整体结构，理解各芯片的典型电路工作原理。绘制整体电路原理图。编写控制程序，调试运行、修改。完善硬件电路和软件功能，撰写论文。毕业答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日系部意见：系部主任： 年 月 日南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)前期工作材料学生姓名:谢益陶学 号：05010206系部:机械工程系专 业:机械工程及自动化设计(论文)题目:单片机数据采集与控制系统的设计指导教师:王荣林助教 材 料 目 录序号名 称数量备 注1毕业设计(论文)选题、审题表12毕业设计(论文)任务书13毕业设计(论文)开题报告含文献综述14毕业设计(论文)外文资料翻译含原文15毕业设计（论文）中期检查表12009年5月 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 谢益陶 学 号： 05010206 (用外文写)外文出处： 附 件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文4.液压辅助元件4.1 滤油器液压系统的故障大多数是由于油液中的杂质而造成的，油液中的污染杂质会使液压元件运动副的结合面磨损，堵塞阀口，卡死阀芯，使系统工作可靠性大为降低。在系统中安装滤油器，是保证液压系统正常工作的必要手段。4.1.1 滤油器的分类按滤芯的材料和结构形式，滤油器可分为网式、线隙式、纸质滤芯式、烧结式滤油器及磁性滤油器等。按滤油器安装的位置不同，还可以分为吸滤器、压滤器和回轴过滤器。考虑到泵的自吸性能，吸油滤油器多为粗滤器。（1）网式滤芯如图4.1所示，网式滤芯是在周围开有很多孔的金属筒形骨架1上，包着一层或两层铜丝网2，过滤精度由网孔大小和层数决定。网式滤芯结构简单，清洗方便，通油能力大，过滤精度低，常作吸滤器。图4.1 网式滤油器 图4.2 线隙式滤油器1骨架；2钢丝网 1滤网；2骨架；3外壳（2）线隙式滤芯线隙式滤芯如图4.2所示，用铜线或铝线密绕在筒形骨架的外部来组成滤芯，油液经线间间隙和筒形骨架槽孔汇入滤芯内，再从上部孔道溢出。这种滤油器结构简单，通油能力大，过滤效果好，多为回油过滤器。（3）纸质滤芯纸质滤芯，结构类同于线隙式，只是滤芯为纸质，纸质滤芯过滤精度可达530m，可在32Mpa的高压下工作。它结构紧凑，通油能力大，在配备壳体后用作压力油的过滤；其缺点是无法清洗，需经常更换滤芯。图4.3所示为纸质滤油器的结构，滤芯由三层组成：外层2为粗眼钢板网，中层3为折叠成星状的滤纸，里层4由金属丝网与滤纸折叠组成。为了保证滤油器能正常工作，不致因杂质逐渐聚积在滤芯上引起压整增大而损坏纸芯，滤油器顶部装有堵塞状态发讯装置1，当滤芯逐渐堵塞时，压差增大，感应活塞推动电气开关并接通电路，发出堵塞报警信号，提醒操作人员更换滤芯。图4.3 纸质滤油器 图4.4 烧结式滤油器1压溢报警器；2粗眼钢板网；3滤纸；4金属丝网（4）烧结式滤芯图4.4所示为金属烧结式滤芯。滤芯可按需要制成不同的形状，选择不同粒度的粉末烧结成不同厚度的滤芯，可以获得不同的过滤精度，其范围在10100m 之间。烧结式滤油器的过滤精度较高，滤芯的强度高，抗冲击性能好，能在较高温度下工作，有良好的抗腐蚀性，且制造简单，它可安装在不同的位置。磁性滤油器的工作原理就是利用磁铁吸附油液中的铁质微粒。但一般的磁性滤油器对其它非铁质污染物不起作用，通常用作回油过滤或被用作其它形式滤油器的一部分。4.1.2 滤油器的选用滤油器按其过滤精度的不同，有粗过滤器、普通过滤器、精密过滤器和特精过滤器四种。在选用过滤器时，应注意以下几点：（1） 有足够的过滤精度过滤精度是指通过滤芯的最大尖硬颗粒的大小，以其直径d的公称尺寸表示。其颗粒越小，精度越高。不同的液压系统有不同的过滤精度要求。液压系统的滤油精度要求见表4.1.应该指出，近年来，有一种推广使用高精度滤油器的观点，实践证明，采用高精度滤油器，液压泵、液压马达的寿命可延长410倍，可基本消除阀的污染、卡紧和堵塞故障，并可延长液压油和滤油器本身的寿命。（2） 有足够的同有能力通油过滤能力是指在一定压降和过滤精度下允许通过滤油器的最大流量，不同类型的滤油器可通过的流量值有一定的限制，需要时可查阅有关样本和手册。（3） 滤芯便于清洗或更换。表4.1 各种液压系统的过滤精度要求系统类别润滑系统传动系统伺服系统工作压力（MPa）02.51414323221精度d（m）1003550251054.1.3 滤油器的安装位置（1）泵人口的吸油滤油器这种滤油器用来保护液压泵，使其不至于吸入较大的机械杂质，根据泵的要求，可选用粗过滤器，为了不影响泵的吸油性能，防止发生气穴现象，滤油器的过滤能力应为泵流量的两倍以上，压力损失不得超过0.010.035Mpa。（2）泵出口油路上的高压滤油器这种滤油器主要用来滤除进入液压系统的污染杂质，一般采用过滤精度1015m的滤油器，它应能承受油路上的工作压力和冲击压力，其压力降应小于0.35Mpa，并应有安全阀或堵塞状态发讯装置，以防泵过载和滤芯损坏。（3）系统回油路上的低压滤油器可滤去油液流入油箱以前的污染物，为液压泵提供清洁的油液。因回油路压力很低，可采用耐压较低的精密滤油器，并允许滤油器有较大的压力降。（4） 安装在系统以外的旁路过滤系统大型液压系统可专设由一液压泵和滤油器构成的滤油子系统，滤除油液中的杂质，以保护主系统。研究表明，在压力和流量波动较大时，滤油器功能会大幅度降低，显然，前面的滤油器安装方式都会受到影响，而系统外的过滤回路却不受影响，故过滤效果较好。安装滤油器时应注意，一般滤油器只能单向使用，即进、出口不可互换；其次，便于滤芯清洗；最后，还应考虑滤油器及周围环境的安全。因此，滤油器不要安装在液流方向可能变换的油路上，必要时可增设流向调整板，以保证双向过滤。作为滤油器的新进展，目前双向滤油器已经问世。4.2 蓄能器4.2.1 蓄能器的功能蓄能器主要用于储存油液的压力能。工作周期较短的间歇工作系统或一个循环内速度差别很大的系统，在系统不需要大流量时，可以把液压泵输出的多余压力油储存在蓄能器内，到需要时再由蓄能器快速向系统释放，这样就可以减小液压泵的容来那个以及电动机的功率消耗，从而降低系统稳升。在液压泵停止向系统提供油液的情况下，蓄能器所存储的压力油液向系统补充。补偿系统泄漏或充当应急能源，使系统在一段时间内维持系统压力，避免系统在油源突然中断时所造成的机件损坏。蓄能器的另一种功能是吸收系统脉动，缓和液压冲击。蓄能器能吸收系统压力突变时的冲击，如液压泵突然启动或停止，也能吸收液压泵工作时的流量脉动所引起的压力脉动，相当于油路中的平滑滤波。图4.5所示为一液压机的液压系统，当液压缸保压时，泵的流量进入蓄能器4被储存起来，达到设定压力后卸荷阀3打开，泵卸 图4.5 液压机液压系统荷；当液压缸快速进退时，蓄能器与泵一起向 1液压泵；2单向阀；3卸荷阀液压缸供油，因此，系统设计时可按平均流量 4蓄能器；5换向阀；6液压缸选用较小流量规格的泵。4.2.2 蓄能器的结构形式（1） 重力式蓄能器（图4.6（a）重力式蓄能器主要用于冶金等大型液压系统的恒压供油，其缺点是反映慢，结构庞大，现在已很少使用。（2） 弹簧式蓄能器（图4.6（b）弹簧式蓄能器利用弹簧的压缩和伸长来储存、释放压力能，它的结构简单，反应灵敏，但容量小，可用于小容量、低压回路起缓冲作用、不适用于高压或高频的工作场合。图4.6 蓄能器的结构形式（a）重力式；（b）弹簧式；（c）活塞式；（d）皮囊式；（e）薄膜式（3） 薄膜式蓄能器（图4.6（e）薄膜式蓄能器利用薄膜的弹性来储存、释放压力能，主要用于体积和流量较小的情况，如何作减震器、缓冲器等。（4） 活塞式蓄能器（图4.6（c）图4.7 活塞式蓄能器 图 4.8皮囊式蓄能器1活塞；2壳体；3充气阀；4油口 1壳体；2皮囊；3充气阀；4提升阀活塞式蓄能器如图4.7所示，气体和油液由活塞1隔开，活塞的上部为压缩空气，气体由充气阀3充入，其下部经油口4通向液压系统，活塞随下部压力油的储存和释放而在缸筒2内来回滑动。为防止活塞上、下两腔相通而使气液混合，在活塞上装有O形密封圈。这种蓄能器结构简单、寿命长，它主要用于大体积和大流量。但因活塞有一定的惯性和O形密封圈存在较大的摩擦力，所以反应不够灵敏，因此适用于储存能量，或在中、高压系统中吸收压力脉动；另外，密封件磨损后，会使液、气混合，影响系统的工作稳定性。（5） 皮囊式蓄能器（图4.6（d）皮囊式蓄能器中气体和油液用皮囊2隔开，其结构如图4.8所示。皮囊用耐油橡胶制成，固定在耐高压的壳体的上部，皮囊内充入惰性气体，壳体1下端的提升阀4是一个弹簧复位的菌形阀，压力油由此通入，并且因皮囊惯性小而克服了活囊式蓄能器响应慢的弱点，因此，它的应用范围非常广泛，其缺点是工艺性较差。 南京理工大学泰州科技学院本科生毕业设计（论文）选题、审题表系部机械工程系指导教师姓 名陆宝春专业技术职 务副教授课题名称单片机数据采集和控制系统的设计适用专业机械工程及自动化课题性质ABCDE课题来源ABCD课题预计工作量大小大适中小课题预计难易程度难适中易课题简介 数据采集系统在工程实际中应用非常广泛。本课题是利用单片机作为控制器件，通过有关的外围接口芯片，完成模拟数据的采集和显示、键盘按键输入、I/O输入输出、继电器隔离输出、与其他外部设备的串行通讯等功能。课题应完成的任务和对学生的要求课题应完成的任务:1. 分析各个器件的工作原理。2. 设计数据采集系统。3. 掌握模，数电的知识。对学生的要求:1. 输入一个05V的电压,通过此系统能够在数码管上实时显示出来。2. 应用合适的A/D转换器,论证其性能,特点及应用。3. 写出系统的硬件设计方案,编制相应的软件。所在专业审定意见： 专业负责人(签名)： 年 月 日注：本课题由 谢益陶 同学选定，学号： 05010206 注：1该表由指导教师填写，经所在专业负责人签名后生效，作为该专业学生毕业设计（论文）选题使用；2有关内容的填写见背面的填表说明，并在表中相应栏内打“”； 3课题一旦被学生选定，此表须放在学生“毕业设计（论文）资料袋”中存档。填 表 说 明1该表的填写只针对1名学生做毕业设计（论文）时选择使用，如同一课题由2名及2名以上同学选择，应在申报课题的名称上加以区别（加副标题），并且在“设计（论文）要求”一栏中说明。2“课题性质”一栏：A产品设计；B工程技术研究；C软件开发；D研究论文或调研报告E其它。3“课题来源”一栏：A自然（社会）科学基金与省（部）、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校、院（系）级基金课题；D自拟课题。4“课题简介”一栏：主要指该课题的背景介绍、理论意义或实用价值。南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书(论文)作 者:谢益陶学 号：05010206系部:机械工程系专 业:机械工程及自动化题 目:单片机数据采集控制系统的设计王荣林助教陆宝春副教授指导者： 张卫高工评阅者： 2009年6月毕业设计说明书（论文）中文摘要论文围绕课题“单片机数据采集与控制系统的设计”而展开分析。论文主要由两部分组成：硬件部分和软件部分的介绍。硬件部分介绍控制芯片AT89S51、8279、AD574、DAC1210、键盘的设计、与其他外部设备的通讯接口、光电隔离等。软件部分采用模块化实现A/D转换、D/A转换、键盘改变数据显示和系统与其他系统之间的通讯。同时采用流程图的方式来详细说明各个模块的实现过程，附有电路原理图和C51语言程序清单。关键词 单片机 控制系统 A/D转换 光电隔离毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The design of data acquisition and control system AbstractThe thesis goes around the topic “The design of data acquisition and control system”. The thesis contains the introduction of two aspects. They are hardware and software. The hardware part introduced AT89S51, 8279, AD574, DAC1210, the keyboard designing, and communication interfaces of other external instruments, the Photoelectric and so on. The software part uses the modulation to realize A/D conversion , D/A conversion , the keyboard changing data display and the communication of this system and other system . Simultaneously,the flow chart is adopted to illustrate the realization process of each module in detail. The circuit schematic and the list of C51 procedures are attached.Keywords microchip control system A/D conversion Photoelectric 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：谢益陶学 号：05010206专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：单片机数据采集和控制系统的设计指 导 教 师:王荣林 年 月 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 近年来,各种单片机的数据采集系统(das)广泛应用于工业生产、测量和工业控制技术中，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。国内大大小小很多公司多开发了数据采集器和卡之类的产品，这使信息的数字化提供了极大的方便。关键词 单片机 数据采集 控制系统 光电隔离1 单片机单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来2。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。11 单片机控制系统一个单片机控制系统主要包括：显示模块、按键输入模块、I/O输入输出模块、光电隔离模块、通讯模块等。1. 液晶显示原理液晶显示原理主要特色在于体积小、薄，重量轻，低辐射等。LCD是基于液晶电光效应的显示器件，包括段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件，矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等3。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性在通电时导通，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得无序，从而阻止光线通过。2. 键盘编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能4。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。有：独立式按键结构、矩阵式按键结构。3. A/D转换原理A/D转换是指将模拟量离散化转换成计算机能接受的数字量。其主要指标是分辨率、满刻度误差、输出模拟量的类型和范围、转换时间及与CPU的接口方式。4. D/A转换原理将每位代码按照其“权”值转换为相应的模拟量(仅指模拟电压) 5，然后再把对应于各位代码的模拟量加起来，所得模拟量的总和，就是与被转换数字量相对应的模拟量。5. 串行接口串行通信是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。 串行通信本身又分为异步通信与同步通信两种。 串行通信线路上传送的是数字信号，表示传送数字信号能力的指标为数据速率(Data Rate)，其单位为bps(bit persecond)，即每秒钟传送的二进制位数6 7。 串行接口标准： 目前普遍采用的一种串行接口标准是RS232C标准。RS232C接口标准采用25个引脚的连接器（D型插座）。RS232C规定有25根连线。6. 继电器隔离继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系。因此，可以利用继电器的线圈接受电气信号，而用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接联系，实现了抗干扰隔离8。7. I/O端口的功能I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起。12 单片机的发展纵观我们现在生活的各个领域，从导 弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据 处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机9。以前没有单片机时，这些 东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达3 亿片，且每年以大约20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的10。2 数据采集“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。2. 1 数据采集系统的功能从严格意义上说，数据采集系统应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算，以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大1。2. 2 数据采集系统的任务数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。2. 3 数据采集系统的现状在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。首先,分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展。其次,总线兼容型数据采集插件的数量不断增大,与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据采集机先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。3 结束语 本设计主要以单片机AT89C51芯片为控制核心和数据采集电路、LED数码管显示电路以及供电系统四大部分构成数据采集和显示功能11 12。当有模拟信号输入时，单片机控制A/D转换器，把要输入的模拟信号转换为相应的数字信号存入到单片的内存中，在控制LCD显示驱动器把内存中的数字信号显示出来。通过键盘来改变LCD中显示的数据，把改变的数据通过控制D/A转换器输出成相应的模拟信号。应用通讯端口（RS232、RS422、RS485）完成与其他控制器之间的数据通讯13 14。参 考 文 献1 肖忠祥.数据采集原理M.西安：西北工业大学出版社.19952 何宏.单片机原理与接口技术M.北京：国防工业出版社.19983 蔡方凯.单片机原理及基于单片机的嵌入式系统设计M.北京：中国水利水电出版社.19954 南建辉.MCS-51单片机原理及应用实例M.北京:清华大学出版社.20005 戴佳.51单片机应用系统开发典型实例M.北京：中国电力出版社.19996 郭文川.单片机原理与接口技术M.北京:化学工业出版社.19987 杨斌.微机系统及其接口设计原理M.重庆:西南交通大学出版社.20008 彭为等.单片机典型系统设计M.北京:电子工业出版社.20019 付家才. 单片机实验与实践M.北京：高等教育出版社.200610 陈正义.单片机控制实习M.北京：人民邮电出版社.200411 朱善君等.单片机接口技术与应用M.北京：清华大学出版社.200512 李广第等.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社.200713 姜志海.单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社.200514 罗耀华.单片机原理及应用技术M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.200515 黄仁欣.单片机原理及应用技术M. 北京： 北京大学出版社，2005. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一要研究和解决的问题：理解单片机的工作原理、有关外围接口芯片的工作机理；电源电路设计、模拟数字电路处理；C和汇编语言设计等等方面的知识。首先要能够读懂理解单片机的工作原理、各接口的功能作用；熟悉外围芯片的工作原理和典型电路；其次要根据任务书的内容要求，综合各个芯片，正确连接各芯片引脚，画出整个采集与控制系统的电路原理图；最后配合相应的控制程序来实现预定的各项功能。二采用的研究手段1. 通过AD/DA转换器，把输入的模拟信号转换成数字信号和把输出的数字信号转换成模拟信号。2. 通过LCD来显示输入的信号数值。3. 应用键盘来对输入信号的改变。4. 通信端口负责系统与其它系统之间的数据交换。5. 通讯端口兼容性采用RS232、RS422、RS485等各种典型的通讯接口来解决。6. 通过单片机（CPU）对各个端口的编程来控制各端口数据的输入/输出。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 39 页目 录1引言11.1 单片机的发展概况11.2 单片机的应用系统概述32各个器件及工作原理52.1 AT89S5152.2 A/D转换器 (AD574)92.3 D/A转换器(DAC1210)102.4 继电器隔离112.5 通讯接口112.6 CAN总线122.7 8279芯片132.8 液晶显示原理142.9 键盘接口163硬件设计193.1 A/D转换模块203.2 D/A转换模块213.3 通讯模块213.4 显示模块223.5 电源模块233.6 键盘设计模块234软件设计254.1 主程序流程图254.2 通讯端口流程图264.3 A/D转换流程图274.4 D/A转换流程图274.5 I/O端口流程图28结 论29致 谢30参 考 文 献31附录A32附录B33 本科毕业设计说明书（论文） 第 40 页 共 40 页1 引言单片机是微型计算机的一个重要分支,它被广泛应用于工业控制、数据采集以及仪器仪表等众多领域。近几年来，随着各种高性能、高集成度、低成本的新型单片机的出现以及嵌入式系统的兴起，单片机应用领域不断扩大。除了工业控制外、民用娱乐、消费性产品上也随处可见单片机的身影。本设计主要以单片机AT89C51芯片为控制核心和数据采集电路、LED数码管显示电路以及供电系统四大部分构成数据采集和显示功能。当有模拟信号输入时，单片机控制A/D转换器，把要输入的模拟信号转换为相应的数字信号存入到单片的内存中，在控制LCD显示驱动器把内存中的数字信号显示出来。通过键盘来改变LCD中显示的数据，把改变的数据通过控制D/A转换器输出成相应的模拟信号。应用通讯端口（RS232、RS422、RS485）完成与其他控制器之间的数据通讯。1.1 单片机的发展概况从诞生至今，单片机的发展已经经历了4个阶段，今后单片机的发展主要应该体现在以下几个方面。（1）更高的集成度高集成度意味着开发难度、开发成本的降低。近几年来各个单片机生产厂家都推出了许多集成了各种外围器件的增强型单片机，如Cygnal的C8051F系列，其中集成了看门狗、C总线、12位A/D、10位D/A等，对于一般的系统来说，基本上不用再进行外围扩展，而且其价格也比这些外围器件的价格总和要低得多，大大降低了开发难度和成本。（2）更快的运算能力 虽然单片机是面向控制和采集的，对计算能力的要求并不高，但是更好的运算速度和精度将意味着控制的更为精确。此外，一些需要大数据量计算的产品的出现也要求单片机需具有较高的运算能力。（3）降低功耗和价格，更好的稳定性在很多应用场合应用系统对功耗和稳定性的要求是非常高的。因此，许多厂商在这个方面动了很多脑筋，比如采用CMOS技术、空闲掉电的方法来节电等，而价格则是设计者在选择阶段重点考虑的音素。无疑，在性能接近的条件下价格将会起主导作用。近几年来，单片机技术的发展、制造工艺的成熟使单片机价格下降成为可能。1.2单片机的应用系统概述单片机系统是一个相当复杂的系统，需要设计者对软/硬件设计都非常了解。硬件设计方面一般需要设计者考虑器件选择，单片机外围接口电路、驱动电路的设计等问题；软件方面则需要设计者根据硬件结构来完成相应的功能设计。此外，由于系统的环境对单片机系统的影响很大，在系统设计的过程中还需要再软/硬件上考虑系统的可靠性、抗干扰性和体积大小等问题。一般来说一个单片机应用系统的设计应该分为以下几步。（1） 总体设计:主要是确定系统的功能，研究系统的可行性，估计系统成本，确定系统的整体方案。如果系统比较庞大，则需要划分功能模块，确认各个模块的功能目标，相互间的接口等问题。（2） 硬件设计:在确定了整体方案的基础上，根据方案中对系统和功能的要求，进行器件的选型，然后设计单片机外围器件的接口、驱动电路，画出原理图并进行验证，还需要考虑硬件上抗干扰、功耗等问题。最后设计PCB板。（3） 软件设计:软件是系统的灵魂。此部分可以在硬件设计的后期与硬件设计同步进行。软件设计的目标是根据硬件的结构设计出相应的功能程序，并在硬件平台上进行功能测试，根据测试结果进行进一步的修改。（4） 全系统整体测试:在软/硬件设计完成，必须进行全系统整体测试，测试系统功能是否完备，硬件设计整体是否合理。此外，应该对系统整体在相应环境下的稳定性、抗干扰性进行测试。测试完成后进行烧片，并考虑产品化问题。（5） 系统功能扩展、升级、完善。在系统设计时还需考虑到今后产品的更新问题，可能的话应该保留升级的接口，做好今后升级的准备。一个常规的单片机应用系统一般包括以下3个子系统。（1） 人机交互系统一般来说，单片机应用系统都需要和人进行对话：人需要了解应用系统的行为进行干预；系统也需要把数据和状态给人显示。一般的人机交互系统有：输入设备，如键盘、拨码开关等；输出设备，如数码管、LCD等。此外，还包括人、机间的通信手段：串行通信、USB总线等。（2） 前向通道系统前向通道系统指单片机应用系统中将被测对象需测量的外部信息转换为单片机可以处理的内部信息的子系统。可以说，前向通道系统是整个系统的信息传入部分，没有这部分，整个系统就像没感觉的人一样，对外界的信号毫无反应。在测量系统中，前向通道系统就是整个系统的核心部分；在测控系统中，前向通道系统就是控制的必要环节。一般前向通道系统中包括各种传感器、信号调理电路以及信号转换等。（3） 后向通道系统后向通道系统是指单片机应用系统中将单片机输出的控制信息转换为被控对象可以利用的控制信号的子系统。一般的后向通道系统中都存在着弱电控制强电，或者以小功率控制大功率。因此后向通道系统包括各种功率接口器件和各种驱动电路，有的系统中还需要有信号转换等。一个完整的单片机应用系统一般都是由上面3个子系统组合而成的。当然，根据应用系统的功能要求不同，在子系统配置上的侧重会有所不同。例如，在单纯的测量系统中就基本不需要后向通道系统，只要有前向通道系统加上人机交互系统就可以了；而对于一些人工控制的系统就不需要前向通道系统了。具体怎么配置都必须根据系统功能要求，在系统整体设计时确定。2 各个器件及工作原理设计一个“单片机数据采集与控制系统”，芯片的选择尤为重要，在控制芯片的选择上，由于AT89S51芯片与MCS-51兼容，擦写次数为1000次，比8051功能更全，所以控制芯片选AT89C51。系统采集的一般都是模拟数据量，因此需用A/D转换器转换成单片机系统识别的数字数据量。通讯端口可以方便地与其他系统进行数据交换，由于通讯接口芯片的更新，有些系统还采用老的通讯接口芯片，因此系统的通讯接口芯片采用RS232、RS422、RS485和CAN芯片。2.1 AT89S51AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要特性：8031 CPU与MCS-51 兼容4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定128*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路引脚功能说明：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8TTL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 图2.1 AT89S51引脚图据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH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。表2.1 P1口第二功能引脚说明端口引脚 第二功能 P1.5MOSI(用于ISP编程)P1.6MOSI(用于ISP编程)P1.7SCK(用于ISP编程)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。表2.2 P3口第二功能引脚说明端口引脚 第二功能P3.0RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 (外中断0) P3.3 (外中断1) P3.4 T0（定时/计数器0外部输入） P3.5 T1（定时/计数器1外部输入） P3.6 （外部数据存储器写选通） P3.7 （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。I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，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。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。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。/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），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。2.2 A/D转换器 (AD574)AD574是一种单片高速12位逐次比较型A/D转换器，这里介绍AD574中文资料，他内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下： 分辨率：12位 非线性误差：小于1/2LBS或1LBS 转换速率：25us 模拟电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种 电源电压：15V和5V 数据输出格式：12位/8位 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式。各个管教作用： 模拟电压输入范围 0 +10V ；0+20V；-5+5V； -10V+10V。 (1)10Vin 、20Vin 、BIP OFF：接10VDC、20VDC；单极性输入时BIP OFF接模拟公共地，双极性时BIP OFF接对应的-5V、-10V。 图2.2 AD574引脚图(2)VDD、VEE 模拟电路工作电源正、负输入线。（12VDC、-12VDC）。 (3)Vcc 数字电路正电源（+5VDC） (4) DGND 数字地 (5) VREFO 内部基准电源输出线（10VDC） (6)VREFI A/D 转换基准电压输入线 (7)STS 转换结束输出信号线，低电平有效。 (8)CE 片使能信号输入线，高电平有效。 (9)CS：片选信号输入线，低电平有效。 (10)R/C 读/启动控制信号，当高电平时，表示读A/D 转换数据；低电平时，启动A/D。 (11)12/8 12位/8位读取方式输入线。必须与Vvv 或数字地连接。接Vcc 时，进行12位读取，接数字地时与A0 配合进行高八位和低四位读取。 (12)A0 字节选择输入线。在启动A/D时，低电平，产生12位转换，高电平时，产生8位转换；在读取数据时，低电平，输出高8位数据，高电平，输出低4位。接到Vcc 此线不起作用。2.3 D/A转换器(DAC1210)DAC1210系列是美国国家半导体公司生产的12位双缓冲乘法D/A转换器，可以与各种微处理器直接接口。在与16位微处理器一起使用时，DAC1210系列的12根数据输入线可直接与微处理器的数据总线接口。其主要技术指标如下：(1) 分辨率12位。(2) 电流建立时间1s。(3) 线性度，满量程的8位、10位、11位、12位。(4) 可双缓冲、单缓冲或直接数字输入。(5) 满足TTL电平规范的逻辑输入。(6) 可与所有通用微处理器直接接口。(7) 参考电压VREF=-10V+10V。(8) 单电源，+5V+15V。(9) 低功耗，20mW。DAC1210共有24个管脚，采用双列直插式结构，其排列顺序如图所示。DAC1210管脚又分为三组，先描述如下：(1) 输入输出线数据总线D0D11用来传送被转换的数字，高8位D4D11对应高8位输入寄存器，低4位D0D3对应低4位输入寄存器。电流输出线IOUT1和IOUT2。IOUT1+IOUT2=常数。DAC寄存器中所有数字位均为“1”时，IOUT1为最大；为全“0”时，IOUT为零。(2) 电源及地线VCC：数字电源电压输入。AGND:模拟地。DGND：数字地。VREF：基准电压输入，选择范围-10+10V。(3) 控制线Rfb：片内集成反馈电阻，为外部运算放大器提供一个反馈电压。：片选信号。:第一级缓冲器的写选通信号。 图2.3 DAC1210引脚图:字节顺序控制信号。此控制为高电平，高8位输入寄存器及低4位输入寄存器均被允许；此控制端为低电平时，仅低4位输入寄存器被允许。:第二级缓冲器的写选通信号，即12位DAC寄存器写信号。:传送控制信号。2.4 继电器隔离在微机测控系统中被控对象往往是强点设备，负载功率较大。因此，微机系统必须具有将输出的低电压、小电流信号转换成高电压、大电流信号的装置，成为功率接口。由于功率接口直接控制着被控设备的启停，经它引入的干扰更直接、更强烈。因而被控设备成为微机系统的主要干扰源。工程实践表明抑制被控设备的干扰或者提高功率接口的抗干扰能力，是保证工业自动化装置正常运行的关键。许多继电器负载，如电磁继电器、接触器、电铃、电磁阀门和电磁抱闸等，它们的一个共同特点是工作电压高于单片机+5V电源，驱动电流一般较大，因此，从单片机输出的信号经过驱动电路进行转换，使输出的驱动电压、电流能够适应这些负载的要求。此外，还要解决在负载工作过程中对电源的干扰以及线圈断电时在线圈两端产生极高的感应电压等问题，针对不同的措施以提高单片机应用系统的可靠性。2.5 通讯接口RS-232与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如Louth、Odetis协议是公开的，而ProLINK则是基于Profile上的。(1) RS-232-C串行接口RS-232-C串行接口是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 (2) RS-485串行接口RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 2.6 CAN总线控制器局部网（CANCONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。2.7 8279芯片8279的引脚功能： 采用单5V电源供电，40脚封装。 DB0DB7:双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。 CLK:时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。 RESET:复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。CS:片选输入线，低电平有效，单片机在CS端为低时可以对8279读/写操作。A0:缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为 图2.4 8279引脚图低电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。 RD:读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。 WR:写信号输入线，低电平有效，将缓立器读出,将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。可按其功能分为:键盘功能块;显示功能块;控制功能块;与CPU接口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器,定时和控制,扫描计数器三部分,它主要用来控制键盘和显示功能块工作. 控制和定时寄存器:用于存贮来自CPU的编程命令,CPU对8279编程以确定键盘与显示器工作方式和其它工作条件时,先把命令控制数据放到数据总线上,然后使A0=1,WR=0CS=0,并在WR上升沿把命令键存在控制和定时寄存器中,并经译码,建立适当的功能. 定时和控制:它含基本的定时计数器,第一个计数器是一个分频系数为2-31的前置定时器,分频系数可由程序预置,使内部频率为100KHz,从而能给出5. 1ms键盘扫描时间和10.3ms反跳时间,其它计数器将此基本频率分频后,提供适当的按键扫描.行扫描.键盘阵列扫描.以及显示器扫描次数. 扫描计数器:扫描计数器有两种工作方式,在编码工作方式时,计数器提供一种二进制计数,通过管脚SL0-SL3输出后经外部译码才能提供给键盘和显示器的扫描作用,在译码工作方式时,扫描计数器对最低二位进行译码,SL0-SL3输出4选1的译码信号,作为显示器和键盘的译码扫描. 2.8 液晶显示原理液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display)的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。一般来讲液晶运用在显示器上，主要靠液晶的电光效应和偏光的特性。偏光的涵义是指光波只会在一个平面上震动，主要是靠偏光滤光器（滤光器是由两块互相成为90度的单一滤光镜片构成）。而LCD是以两块玻璃片中填满液晶材料所构成，由于液晶拥有黏性（viscosity）、弹性（elasticity）和极化性(polarizalility)的性质，因此当电极通过就会改变偏光的特性。为了使LCD能显示影像，在LCD的两块玻璃片中间的顶部和底部排列互相成为90度的导体，每一个交叉点就是一个单元，透过讯号输入至每一单位，因此就能控制影像的显示。液晶显示器的分类目前液晶显示器可分成三大种类，分别是扭转向列型（Twisted Nematic；简称TN）、超扭转向列型（Super Twisted Nematic简称STN）和彩色薄膜型（Thin Film Transistors；简称TFT）。(1) TN-LCDTN是继DSM型的液晶材料后，所发展的新液晶材料，TN-LCD的最大特点就如同其名称扭转向列一般，其液晶分子从最上层到最下层的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋状。TN-LCD的出现奠定了现今LCD发展的主要方式，但是由于TN-LCD具有两个重大缺点，那就是无法呈现黑、白两色以外色调，以及当液晶显示器越做越大时其对比会越来越差，使得各种新的技术陆续出现。(2) STN-LCDSTN-LCD的出现是为了改善TN-LCD对比不佳的问题，最大差别点在于液晶分子扭转角度不同以及在玻璃基板的配合层有预倾角度，其液晶分子从最上层到最下层的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋状。但是，STN-LCD虽然改善了TN-LCD的对比问题，其颜色的表现依然无法获得较好的解决，STN-LCD的颜色除了黑、白两个色调外，就只有橘色和黄绿色等少数颜色，对于色彩的表达仍然无法达到全彩的要求，因此仍然不是一个完善的解决方式。(3) TFT-LCD为了改善对于色彩的要求，又发明了TSTN（Triple Super Twisted Nematic）和FSTN（Film Super Twisted Nematic）两种新技术。TSTN和FSTN的基本构造原理与STN相同，差别在于TSTN在两片玻璃上加上两片色补偿用薄膜，而FSTN则是加上一片色补偿用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的优点，完全改善TN的比对问题和STN的色彩问题。但可惜的是，TSTN和FSTN却有液晶分子的反应较慢的问题，在放映数量较大的资料时，会造成无法负荷的缺点，因此也不是完善的解决方式。2.9 键盘接口在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。当所设置的功能或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入并检查是哪一个键按下将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。键盘的输入：键盘的可靠输入是键盘接口设计的关键点。键盘的可靠输入大致有如下两个方面的内容。第一、去抖动，目前的键盘按键均为机械式接触点，由于触点的机械弹性效应，在按键闭合和断开的时候，接触点的电压并不是立即变化，而是会出现抖动。根据按键的不同机械特性，抖动的时间长短不等，大致在5ms10ms。第二、一次按键处理，当按键按下之后，相应的按键编码以高低电平的方式输入到单片机的I/O口。按键闭合是有一定的时间的，一般来说，大致为0.10.5s。因为单片机的执行速度很快，如果处理不当，就有可能一次按键操作被执行很多次。为了去除按键的抖动，并且保证单片机对键盘按键的一次输入仅响应一次，可以在硬件和软件上采取不铜的措施。软件去抖动和一次按键处理的方法是：当程序检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序，然后再检测一次，看是否该键仍然闭合。如果仍然闭合则可以确认确实有键按下，从而可以消除抖动的影响。在单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。（1） 编程扫描方式编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。键盘扫描程序一般应包括以下内容：(a）判别有无键按下。(b）键盘扫描取得闭合键的行、列值。(c）用计算法或查表法得到键值。(d）判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。(e）将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。（2） 定时扫描方式：定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。定时扫描方式的硬件电路与编程扫描方式相同。初始化时将这两个标志位设置为0，执行中断服务程序时，首先判别有无键闭合，若无键闭合，将标志1和标志2置0后返回；若有键闭合，先检查标志1，当标志1为0时，说明还未进行去抖动处理，此时置位标志1，并中断返回。由于中断返回后要经过10ms后才会再次中断，相当于延时了10ms，因此，程序无须再延时。下次中断时，因标志1为1，CPU再检查标志2，如标志2为0说明还未进行按键的识别处理，这时，CPU先置位标志2，然后进行按键识别处理，再执行相应的按键功能子程序，最后，中断返回。如标志2已经为1，则说明此次按键已做过识别处理，只是还未释放按键，当按键释放后，在下一次中断服务程序中，标志1和标志2又重新置0，等待下一次按键。（3） 中断扫描方式采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态，为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。3硬件设计此次设计采用AT89S51芯片作为控制芯片，用AD574来实现12位模数转换，转换电压-10V+10V。DA1210实现12位数模转换，转换电压-10V+10V。AT89S51通过控制两个芯片的片选端口,从而控制数据的输入或者输出。为了与其他系统之间保持通讯，接有通讯接口RS232，考虑现在接口的全面通讯外加了RS422、RS485和CAN通讯接口。键盘的设计要具有通用性，基本设计键数为16个，按键分别为09、负号、小数点、输入、输出、修改、确定。键盘能实现对A/D的输入、D/A的输出、LCD数据的显示及修改等功能。LCD能显示A/D转换后的数字量，能实时显示键盘对其显示数据的改变。LCD显示CAN通讯通讯接口RS232RS422RS485D/A转换AT89S51键盘/8279A/D转换光电隔离 图3.1 总线连接图系统采用AT89S51的P0口作为数据的输入/输出口，P1和P2口作为控制口。AT89C51通过控制各芯片的选通信号来决定哪个芯片处于工作状态，处于工作状态的芯片按照程序的要求实现各自的功能。系统由A/D转换模块、D/A转换模块、通讯模块、显示模块、电源模块和键盘设计模块组成。3.1 A/D转换模块在图中，AD574的输出是三态锁存器，因而可直接与AT89S51单片机数据总线接口。该电路是12位向左对齐的数据输出格式，AD574的低4位DB3DB0，接到AT89S51的D7D4上；AD574的高8位DB11DB4接到AT89S51的D7D0上。可分二次读出数据，第一次读出高8位，第二次读出低4位。为了便于寻址查询，AD574的标志STS接AT89S51单片机的P1.0。 图3.2 A/D转换模块电路连接图3.2 D/A转换模块从图中可以看出，DAC1210转换器占有两个地址：当P2.7=0、A0=1时，送高8位数据；而A0=0时，送低4位数据。即DAC1210的8位输入寄存器地址为7FFFH，4位输入寄存器地址为7FFFH。从图中还可以看到，DAC1210转换器的工作采用输入双缓冲方式，在送入数据时要先送12位数据中的高8位D11得D4，然后再送入低4位数据D3D0，而不能按相反的顺序传送。这是因为在输入8位寄存器时，4位输入寄存器也是打开的，如果先送低4位后送高8位，结果就会产生错误。这里4位输入寄存器与12位DAC寄存器是同一个地址7FFFH，即当送完高8位数据后，送低4位数据时，12位DAC寄存器同时被打开送12位D/A转换器转换。设12位数据存放在内部RAM的两个单元中：DIGIT和DIGIT+1。12位数字量的高8位在DIGIT单元，低4位在DIGIT+1单元的低4位。 图3.3 D/A转换模块电路连接图3.3 通讯模块通讯端口是为了方便与其他系统交换数据，由于很多系统用的通讯端口芯片都不相同，在设计时为了此系统能够通用，芯片选用了RS232、RS422、RS485芯片。 图3.4 通讯模块电路连接图选用74LS153（四选一）芯片来分开3个通讯芯片的冲突。单片机通过控制74LS153芯片来选择通讯芯片的数据输入/输出。74LS153的G、A、B脚的高低电平决定了3个芯片的选通。当G、A、B都为低时，选通C0口;当G、B为低，A为高时，选通C1口；当G、A为低，B为高时，选通C2口；当G为低，A、B、为高时，选通C3口；当G为高时，无选通端口。3.4 显示模块对于一位LCD的显示可使用七段译码器实现。其中七段译码器能实现BCD码与七段码的译码，可以得到LCD显示所需译码的控制。 图3.5 显示模块电路连接图3.5 电源模块设计用的所有芯片自身都需要电源（Vcc）,所需电源电压为5V，而我们日常用的电为220V的交流电，因此得把220V的交流电转为5V的直流电。7805芯片只能输出5V的电压，如果设计的系统中有除了5V的其它电源，应选择其它的三态稳压芯片。 图3.6 电源模块电路连接图3.6 键盘设计模块 键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘扫描程序的运行结果是把闭合键的键码放在累加器A中，接下来的程序是根据键码进行程 图3.7 键盘模块电路连接图序转移，转去执行该键对应的操作。当设计的键盘键数少于8个时可以直接连在单片机上，当键数在832之间时，可选用8279来扩展。当为低电平时，8279选通，开始扫描是否有键被按下，如果有，则执行相关的程序，如果没有，则继续扫描。4 软件设计系统只有硬件部分也不能工作，必须靠软件来驱动硬件工作。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持,很多硬件开发都用C语言编程，如各种单片机、DSP、ARM等。C语言程序本身不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改或仅作简单的修改就可将程序从不同的系统移植过来直接使用。C语言提供了很多数学函数并支持浮点运算，开发效率高，可极大地缩短开发时间，增加程序可读性和可维护性。单片机的C51编程有如下优点：1）对单片机的指令系统不要求有任何的了解，就可以用C语言直接编程操作单片机。2）寄存器分配、不同寄存器的寻址及数据类型等细节完全由编译器自动管理。3）程序有规范的结构，可分成不同的函数，可使程序结构化。4）库中包含有很多标准子程序，具有较强的数据处理能力，使用方便。5）具有方便的模块化编程技术，使已编好的程序很容易移植。4.1 主程序流程图 图4.1 主程序流程图主程序流程图如图4.1所示,系统运行时,各芯片初始化,并把初始化的结果显示出来,接着执行键盘扫描程序,为扫描到有键按下时,继续扫描，当扫描到有按键按下时，辨别是那个键按下，辨别之后执行相应的子程序。执行完子程序后，返回，继续扫描是否有键按下。4.2 通讯端口流程图通讯端口的流程图如图4.2当主程序执行到控制通讯端口的按键按下时，初始化通讯端口芯片，显示按下的是那个通讯按键，执行程序，交换数据，交换完数据后显示。 图4.2 通讯端口流程图4.3 A/D转换流程图 图4.3 A/D转换流程图A/D转换的流程图如图4.3，A/D转换流程图是当主程序执行到有控制A/D转换的按键按下时，则转向此流程图执行程序，此流程图完成模数转换并把转换结果显示出来。当此子程序开始执行时，首先选择转换通道，启动A/D转换，判断是否转换完，转换完后显示转换的结果。4.4 D/A转换流程图 图4.4 D/A转换流程图D/A转换的流程图如图4.4，扫描到D/A转换键按下时，启动D/A转换，判断转换是否完成，完成则输出转换后的模拟量。4.5 I/O端口流程图 图4.5 I/O端口输出流程图I/O端口的流程图如图4.5，程序执行到此I/O端口时，只要判断P1口是否为高电平即可，如为高电平，则执行数据的输出；如为低电平，则退出。以上为次系统的主流程图和各个模块流程图，根据流程图，用C51语言编写程序，程序见附录B。结束语论文主要阐述利用单片机作为控制器件，通过有关的外围接口芯片，完成模拟数据的采集和显示、键盘按键输入、I/O输入输出、继电器隔离输出、与其他外部设备的串行通讯等功能。数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。在设计的过程中，由于对单片机了解比较少，遇到了很多麻烦。在王老师的精心指导下，通过学习单片机的相关知识，一步步地完成了设计的要求。在确定方案以后通过查找相关资料，把总体电路图完成；学习Protel软件，画出了总体电路图。学习C51语言，基本完成各端口的程序编制。虽然这里面出现了很多问题，但经过这