模拟数字通用数据采集器设计.doc

i 摘摘 要要 数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程 随着微型计算机技术的飞 速发展和普及 数据采集监测已成为日益重要的检测技术 广泛应用于工农业等需 要同时监控温度 湿度和压力等场合 数据采集是工业控制等系统中的重要环节 通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现 作为测控系统不可缺少的部分 数据采集的性能特点直接影响到整个系统 本系统以 AT89S52 单片机为核心 以逐次逼近式 A D 转换器 ADC0832 为主体 是一款 8 路数据采集 传输模块 本系统不仅可以采集模拟信号 而且为使传输的距 离增长 提高信号的准确性 本设计采用基于 MAX232 的芯片 可以与 PC 机通信 将采集数据送入 PC 机中 从而实现实验数据实时采集 处理 存储与显示 关键词 AT89S52 单片机 数据采集 A D 转换 串口通信 ii ABSTRACT Data acquisition is the process of obtaining object information from one or more signal With the rapid development and popularization of Micro computer technology data collection has become increasingly important monitoring technology and is widely used in industry and agriculture and other situation in which temperature humidity or pressure monitoring is needed Data acquisition is an important part of the industrial control system and is usually achieved by some functionally independent SCM system As an indispensible part of the monitoring system its performance character influences the whole system The AT89S52 microcontroller is the core of the system and the successive approximation A D converter is the main part of this 8 channel data acquisition transmission module Not only can this system collect analogical signals but also increase the transmission distance and enhance the accuracy of the signal by basing on MAX232 chip to communicate with PC and to collect data into PC therefore achieve the goal of real time experimental data acquisition processing storage and display Keywords AT89S52 microcontroller data collection A D conversion serial communicatio 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 i 目目 录录 第一章 绪论 3 第二章 方案设计 5 2 1 方案选择 5 2 1 1 主控芯片设计 5 2 1 2 显示部分方案设计 5 2 2 方案论证 5 2 3 系统工作原理 6 2 4 单片机控制模块设计 7 2 4 1 主要性能参数 7 2 4 2 功能特性 7 2 4 3 单片机最小系统 8 2 4 4 引脚功能说明 8 2 4 5 时钟电路 12 2 4 6 复位电路 12 2 5 模拟与数字信号采集模块设计 12 2 5 1 ADC0832 简介 13 2 5 2 A D 转换电路设计 14 2 5 3 多路模拟开关模块设计 15 2 5 4 常用的多路开关 15 2 5 5 选择多路开关时要考虑的参数 15 2 5 6 光电耦合实现数字信号采集 15 2 6 显示与声音模块设计 17 2 6 1 LED 数码管显示模块 17 2 6 2 数码管的驱动方式 17 2 6 3 本系统数码管显示电路 18 2 6 4 声音指示电路 18 2 7 串口通信模块设计 20 2 7 1 串口通信介绍 20 2 7 2 单片机如何与 PC 机连接 20 2 7 3 电路原理图 21 2 8 按键电路设计 21 2 9 电源模块设计 21 第三章第三章 系统软件系统软件设设计计 24 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 ii 3 1 编程软件 KEIL C 24 3 2 主程序设计 25 3 3 A D 转换程序 26 3 4 中断服务程序 27 第四章第四章 系系统统仿仿真与调试真与调试 28 4 1 分局部调试 28 4 2 整机调试 28 4 3 系统仿真 28 结结 论论 30 致致 谢谢 31 参考文献参考文献 32 附录附录 A 系统源程序系统源程序 33 附录附录 B 系统原理图系统原理图 39 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 1 第一章第一章 绪论绪论 数据采集是对一个或多个信号获取对象信息的过程 数据采集器是一种具有 实验室或现场进行实时数据采集 自动存储记录 信号预处理 即时显示 即时 状态分析 自动传输等功能的自动化设备 本绪论主要介绍了数据采集系统的最 新发展 系统并行串行总线接口 系统通信的新技术 国内外常用的数据采集器 及不同采集器的特点和存在的问题 数据采集中 关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成数字量 完成这 种转换的电路叫模数转换器 A D 数据采集的核心部件就是 A D 转换器 由 于各种不同的 A D 转换原理构成了各种不同类型的 DVM 一般说来 A D 转换 的方式可分为两类 积分式和逐次逼近式 积分式 A D 转换器是先用积分器将输入的模拟电压转换成时间或频率 再将 其数字化 根据转化的中间量不同 它又分为 U T 电压 时间 式和 U F 电压 频率 式两种 逐次逼近式 A D 转换器分为比较式和斜坡电压式 根据不同的 工作原理 比较式又分为逐次比较式及零平衡式等 斜坡电压式又分为线性斜坡 式和阶梯斜坡式两种 本毕业设计将介绍一种以单片机为核心的数据采集卡设计 它能测量直流电 压 直流电流以及交流电压 并且测量结果能通过数码管显示和将所测的数据传 送给 PC 机 从而具有一定的智能性 本设计将就这一系统的硬件电路部分和软 件程序部分分别作介绍 在硬件部分 本文就系统的各个组成模块的原理做了详 细的介绍 另外 在每一模块电路中都对元器件的选择做了简单的介绍 其中包 括有关数值的计算和分析 在软件部分 详细阐述了各个模块电路的软件设计方 法和设计中的细节 随着计算机技术的飞速发展和普及 数据采集系统在多个领域有着广泛的应 用 数据采集是工 农业控制系统中至关重要的一环 在医药 化工 食品 等 领域的生产过程中 往往需要随时检测各生产环节的温度 湿度 流量及压力等 参数 同时 还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻 将其在某一时间段 内检测得到的数据经过转换提取出来 以便进行比较 做出决策 调整控制方案 提高产品的合格率 产生良好的经济效益 随着工 农业的发展 多路数据采集势必将得到越来越多的应用 为适应这 一趋势 作这方面的研究就显得十分重要 在科学研究中 运用数据采集系统可 获得大量的动态信息 也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一 总之 不 论在哪个应用领域中 数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 2 此外 计算机的发展对通信起了巨大的推动作用 计算机和通信紧密结合构成 了灵活多样的通信控制系统 也可以构成强有力的信息处理系统 这样对社会的发 展产生了深远的影响 数据通信是计算机广泛应用的必然产物 数据采集系统 从严格的意义上来说 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 数据采集系统一般由数据输入通道 数据存储与管理 数据处理 数据输出 及显示这五个部分组成 输入通道要实现对被测对象的检测 采样和信号转换等 工作 数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来 建立相应的数据库 并进行管理和调用 数据处理就是从采集到的原始数据中 删除有关干扰噪声 无关信息和必要的信息 提取出反映被测对象特征的重要信息 另外 就是对数 据进行统计分析 以便于检索 或者把数据恢复成原来物理量的形式 以可输出 的形态在输出设备上输出 例如打印 显示 绘图等 数据输出及显示就是把数 据以适当的形式进行输出和显示 由于 RS 232 在微机通信接口中广泛采用 技术已相当成熟 在近端与远端 通信过程中 采用串行 RS 232 标准 实现 PC 机与单片机间的数据传输 本课题研究的基本内容 1 总任务 设计一个模拟数字通用数据采集器 2 设计目标 1 测量范围 0 5V 的直流电压信号 2 精度 0 01V 3 其他功能 如 与 PC 机通信 3 结合设计任务书拟定的要求 确定总体设计方案 并对方案进行必要的 说明及论证 4 各部分设计 1 系统框图的设计 2 各功能模块的设计与元件选择及性 能描述 原理论述 4 单片机软件设计与编程 5 系统安装及调试 按实验室条件完成 按要求进行系统调试和参数测试 达到设计要求 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 3 第二章第二章 方案方案设计设计 单片机系统方案采用输入处理电路 ADC0832 AT89S52 数码管显示实现 被测信号由 ADC0832 模拟输入端输入 单片机采集转换数据 将转换数据送数 码管和 PC 机显示 2 12 1 方案方案选择选择 2 1 12 1 1 主控芯片设计主控芯片设计 方案一 选用专用电压转换芯片 INC7107 实现电压的测量和现实 缺点是精 度比较低 且内部电压转换和控制部分不可控制 优点是价格低廉 方案二 选用单片机 AT89S52 和 A D 转换芯片 ADC0832 实现电压的转换和 控制 用四位数码管显示出最后的转换电压结果 缺点是价格稍贵 优点是转换 精度高 且转换的过程和控制 显示部分可以控制 终上所述 方案二所需元件少 成本低且易于实现 可选此方案 2 1 22 1 2 显示部分方案设计显示部分方案设计 方案一 选用 4 个单体的共阴数码管 将 a h 全部连接起来 然后接到单 片机口的 I O 上进行控制 缺点是焊接时比较麻烦 容易出错 优点是价格比较 便宜 方案二 选用一个四位一体的共阴数码管 外加四个三极管驱动 这个电路 几乎没有缺点 优点是便于控制 价格低廉 焊接简单 终上所述 由于两个方案都可以实现同样的功能 但方案二设计简单 系统 开销小 反应速度较快 因此选择此方案 2 22 2 方案论证方案论证 经过以上方案设计 决定采用如图 2 1 所示方案 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 4 信号通 道选择 电路 数码管 显示电 路 串口通 信电路 单片机 ADC0832 转换电 路 电源 电路 LED 指示 电路 图图 2 1 系统框图系统框图 2 32 3 系统工作原理系统工作原理 本课题要求以单片机为控制器 对多通道模拟信号作数据采集并进行 8 位转 换 采集到的数据以中断方式接入内存加以显示 并送到上位机 进行处理 由于信号比较多 计算机不可能把这些信号同时接收 因此需要由多路开关 进行通道转换 分时地把信号送到采样 保持器 S H A D 转换器 把模拟量转 换成数字量 然后送到计算机 智能化 A D 板中 单片机完成数据的采集 滤波 和非线性补偿等 主计算机只将其作为一个 I O 口 每隔一定的时间 读其一次 数据 因而大大减轻了主机的负担 提高了系统的扩展能力 这样的智能化 A D 板自身就是一个小的数据采集系统 模拟量输入通道的主要任务就是把被测参数进行采集 并转换成数字量 以 便使用微型机进行处理 显示或打印 完成这一任务的核心部件是 A D 转换器 在选择系统结构时 必须认真考虑以下问题 参数变化的速率 分辨率 精度和 参数的通道数等 根据系统的不同要求 选择不同的结构形式 单通道的转换比 较简单 主要视其变化速度决定是否需要采样 保持器 并根据所要求的分辨率 及精度选择合适位数的 A D 转换 多通道的数据转换系统则根据不同的要求 采 用相应的结构形式 整个系统受 AT89S52 芯片的控制 定时器用来产生定时信号 因为一般模拟 信号的采集都是每隔一段时间进行的 利用 AT89S52 的片内定时 计数器配合 用相应的软件就可以完成该功能 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 5 2 42 4 单片机控制模块设计单片机控制模块设计 对于整个数据采集系统而言 起到控制和枢纽作用的单片机模块无疑是其中 最为重要的部分 AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单 片机 片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 256bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失存储技术 生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 AT89S52 是此系统的最佳选择 单片机控制模块的作用是控 制各单元电路的运行并完成数据的换算或处理 主要由单片机 时钟电路 复位 电路组成 2 4 12 4 1 主要性能参数主要性能参数 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 三级机密程序存储器 128X8 字节内部 RAM 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时 计数器 5 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 2 4 22 4 2 功能特性功能特性 AT89S52 提供一下标准功能 8k 字节 Flash 闪速存储器 256 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向量两级中断机构 一个全 双工串行通信口 片内振荡及时钟电路 同时 AT89S52 可降至 0Hz 的静态逻辑 操作 并支持两种软件可选的节电工作模式 空闲方式停止 CPU 的工作 只允 许 RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 6 2 4 3 单片机最小系统单片机最小系统 S0 SW PB EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P37 RD 17 P36 WR 16 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T0 14 P35 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 P31 RXD 11 P30 RXD 10 VCC 40 GND 20 U1 AT89S51 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RP 4K7 VCC VCC R1 200 R2 10K E1 10uF VCC C1 30 C2 30 Y1 P3 0 RXD P3 1 TXD a b c d e f g dp s1 s2 s3 s4 k1 k2 k3 k4 da clk cs a0 a1 a2 inh SP DAT1 DAT2 DAT3 DAT4 图图 2 22 2 系统单片机图系统单片机图 C1 30 C2 30 Y1 S0 SW PB R1 200 R2 10K E1 10uF VCC 图图 2 3 系统单片机晶振系统单片机晶振 图图 2 4 系统单片机复位系统单片机复位 2 4 42 4 4 引脚功能说明引脚功能说明 1 VCC 电源电压 2 GND 地 3 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 即地址 数据总线复用口 作为输 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 7 出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 可 使其成为高阻抗输入端 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分别被地址 低 8 位 和 数据总线使用 在访问期间激活内部上拉电阻 在 flash 编程时 P0 口接受指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校 验时 要求外接上拉电阻 4 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸 收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端 口拉到高电平 此时可作输入口 做输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某 个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 Flash 编程和程序校验期间 P1 接受 低 8 位地址 5 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平 此时可作输入口 做输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执 行 MOVX RI 指令 时 P2 口线上的内容 也即特殊功能寄存器 SFR 区中 R2 寄 存器的内容 在整个访问期间不改变 Flash 编程时 P2 亦接受高位地址和其 他控制信号 6 P3 口 P3 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写 1 它们被内部的上拉电 阻拉高 此时可作输入口 做输入口使用时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻 输出电流 P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如下表 2 1 所示 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 8 表表 2 12 1 I OI O 第二功能表第二功能表 端口引脚第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INTO 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 P3 4 T0 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口还接受一些用于法拉盛闪速存储器编程和程序校验的控制信号 7 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单 片机复位 8 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉冲用于 锁存地址的低 8 位字节 即使不访问外部存储器 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出拱顶的正脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时 要注意的是 每当 访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 flash 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 禁止后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令可激活 ALE 此外 该引 脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 无效 9 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 IB1 被编程 复位时内部 会锁存 E 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器中的指令 Flash 存储器编程时 该引脚要加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须 是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp 10 XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 11 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 9 空闲节电模式 AT89S5 有两种可用软件编程的省电模式 它们是空闲模式 和掉电工作模式 这两种方式是通过控制专用寄存器 PCON 即电源控制寄存器 中的 PD PCON 1 和 IDL PON 0 位来实现的 PD 是掉电模式 当 PD 1 时 激活 掉电工作模式 单片机进入掉电工作状态 IDL 是空闲等待方式 当 IDL 1 激 活空闲工作模式 单片机进入睡眠状态 如需同时进入两种工作模式 即 PD 和 IDL 同时为 1 则先激活掉电模式 在空闲工作模式状态 CPU 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态 这种方式由软件产生 此时 片内 RAM 和所有特殊功能寄存器的内容保持不变 空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止 终止空闲工作模式的方法有两种 其一是任何一条被允许中断的事件被激活 IDL PCON 0 被硬件清除 即刻终止空闲工作模式 程序会首先响应中断 进 入中断服务程序 执行中断服务程序并紧随 RETI 中断返回 指令后 下一条要 执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令 其二是通过硬件复位将空闲工作模式终止 需要注意的是 当由硬件复位来 终止空闲工作模式时 CPU 通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继 续执行程序的 要完成内部复位操作 硬件复位脉冲要保持两个机器周期 24 个 时钟周期 有效 在这种情况下 内部禁止 CPU 访问片内部 RAM 而允许访问其 他端口 为了避免可能对端口产生意外写入 激活空闲模式的那条指令后一条指 令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令 掉电模式 在掉电模式下 振荡器停止工作 进入掉电模式的指令是最后 一条被执行的指令 片内 RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结 退出掉电模式的唯一方法是硬件复位 复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但 不改变 RAM 中的内容 在 Vcc 恢复到正常工作电平前 复位应无效 且必须保持 一定时间以使振荡器重启并稳定工作 空闲和掉电模式外部引脚状态如下表 2 2 所示 表表 2 22 2 空闲和掉电期间外部引脚状态空闲和掉电期间外部引脚状态 程序存储器 ALEPSENP0P1P2P3 空闲模式内部 11 数据数据数据数据 空闲模式外部 11 浮空数据地址数据 掉电模式内部 00 数据数据数据数据 掉电模式外部 00 浮空数据数据数据 程序存储器的加密 AT89S52 可使用对芯片上的 3 个加密位 LB1 LB2 LB3 进行编程 P 或不编程 U 来得到如下表 2 3 所示的功能 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 10 表表 2 32 3 加密位保护功能表加密位保护功能表 程序加密位 LB1 LB2 LB3保护类型 1UUU 没有程序保护功能 2PUU 禁止从外部程序存储器中执行 MOVC 指令 读取内部程序存储器的内容 3PPU 除上表功能外 还禁止程序校验 4PPP 除以上功能外 同时禁止外部执行 当加密位 LB1 被编程时 在复位期间 EA 端的逻辑电平被采样并锁存 如果 单片机上电后一直没有复位 则锁存器的初始值是一个随机数 且这个随机数会 一直保存到真正复位为止 为使单片机能正常工作 被锁存的 EA 电平值必须与 该引脚当前的逻辑电平一致 此外 加密位只能通过整片擦除的方法清除 芯片擦除 利用控制信号的正确组合并保持 ALE PROG 引脚 10ms 的低电平脉 冲快读即可将 PEROM 阵列 4k 字节 和三个加密位整片擦除 代码阵列在片擦除 操作中将任何非空单元写入 1 这个步骤在编程之前进行 读片内签名字节 AT89S52 单片机内有三个签名字节 地址为 030H 031H 和 032H 用于声明该器件的厂商 型号和编程电压 读签名字节的过程和单元 030H 031H 及 032H 的正常校验相仿 只需将 P3 6 和 P3 7 保持低电平 2 4 52 4 5 时钟电路时钟电路 单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的 在单片机的 XTAL1 和 XYAL2 两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路 电路中电容器和 1 C 对振荡频率有微调作用 通常取 30 10 pF 石英晶体选择 6MHz 或 12MHz 都 2 C 可以 时钟电路如图 2 3 所示 2 4 62 4 6 复位电路复位电路 单片机的 RST 管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口 复位信号是高电 平有效 高电平有效的持续时间为 2 个机器周期以上 单片机的复位方式可由手 动复位方式完成 电阻 电容器的参考值 10K 10uF 0 01uF 复 1 R 1 C h C 位电路如图 2 4 所示 2 52 5 模拟与数字信号采集模块设计模拟与数字信号采集模块设计 模拟信号采集主要采用逐次逼近型 A D 转换器 它属于直接型 A D 转换器 它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码 而不需要经过中间变量 主 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 11 要由比较器 环形分配器 控制门 寄存器与 D A 转换器组成 在数字信号方面 我们采用的是光电耦合的方式使采集的信号与我们的系统互不影响 2 5 1 ADC0832 简介 1 ADC0832 引脚功能 ADC0832 芯片有 8 条引脚 采用双列直插式封装 如图 2 5 所示 下面说 明各引脚功能 1 2 3 45 6 7 8CS CH0 CH1 GND VCC CLK DO DI 图图 2 52 5 ADC0832ADC0832 引脚图引脚图 Error 片选使能 低电平芯片使能 CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN 使用 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN 使用 GND 芯片参考 0 电位 地 DI 数据信号输入 选择通道控制 表表2 4 ADC0832高低位配置表高低位配置表 配 置 位选择通道号 输入形式 CH0CH1CH0CH1 差分 单端 DO 数据信号输出 转换数据输出 CLK 芯片时钟输入 Vcc REF 电源输入及参考电压输入 复用 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 12 表示输入通道的端点为正极 表示输入通道的端点为负极 H 或 L 表高 低电平 输入配置位时 高位 CH0 在前 地位 CH1 在后 ADC0832 为 8 位分辨率 A D 转换芯片 其最高分辨可达 256 级 可以适 应一般的模拟量转换要求 其内部电源输入与参考电压的复用 使得芯片的模拟 电压输入在 0 5V 之间 芯片转换时间仅为 32 S 据有双数据输出可作为数据 校验 以减少数据误差 转换速度快且稳定性能强 独立的芯片使能输入 使多 器件挂接和处理器控制变的更加方便 通过 DI 数据输入端 可以轻易的实现通 道功能的选择 2 单片机对 ADC0832 的控制原理 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线 分别是 CS CLK DO DI 但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并且它们与 单片机的接口是双向的 所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上 使用 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平 此时芯片禁用 CLK 和 DO DI 的电平可任意 当要进行 A D 转换时 须先将 CS 使能端置于低电平 并且保持低电平直到转换完全结束 此时芯片开始转换工作 同时由处理器向芯 片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲 DO DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的 数据信号 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平 表示启始信号 在第 2 3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能 3 ADC0832 主要特性 8 位分辨率 双通道 A D 转换 输入输出电平与 TTL CMOS 相兼容 5V 电源供电时输入电压在 0 5V 之间 工作频率为 250KHZ 转换时间为 32 S 一般功耗仅为 15mW 8P 14P DIP 双列直插 PICC 多种封装 商用级芯片温宽为 0 C to 70 C 工业级芯片温宽为 40 C to 85 C 2 5 22 5 2 A DA D 转换电路设计转换电路设计 集成模数转换芯片 ADC0832 实现的 A D 转换电路如图 2 6 所示 被测信号 由 ADC0832 模拟输入端输入 完成 A D 转换后送入单片机 经相应处理后送出 显示 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 13 CS 1 CH0 2 CH1 3 GND 4 DI 5 DO 6 CLK 7 VCC 8 U4 ADC0832 VCC da clk cs 图图 2 6 ADC0832 与单片机的连接与单片机的连接 2 5 3 多路模拟开关模块设计多路模拟开关模块设计 多路模拟开关的作用主要是用于信号切换 如在某一时刻接通某一路 让该 路信号输入而让其他路断开 从而达到分时进行多通道检测的目的 理想的多路 开关其开路电阻无穷大 而接通时的导通电阻为零 此外 还需要有切换速度快 噪声小 寿命长 工作可靠的特点 2 5 42 5 4 常用的多路开关常用的多路开关 1 机械触点式多路开关 这类开关主要有干簧继电器 水银继电器和机 械振子式继电器等 其特点是 断开电阻大 导通电阻小 寿命长 输入电压 电流容量大 动态范围宽 主要缺点是 体积大 切换频率低 在通断时存在抖 动现象 因此一般用于低速 高精度检测系统中 2 模拟集成多路开关 模拟集成开关是指在一个单片上包含多路开关 其中采用 CMOS 工艺的模拟开关最为广泛 其特点是切换速度快 无抖动 但其 导通电阻较大 输入电压 电流容量较小 动态范围有限 常用于高速且系统体 积小的场合 2 5 52 5 5 选择多路开关时要考虑的参数选择多路开关时要考虑的参数 1 泄露电流 如果信号源内阻很大 传输的是电流量 此时就更多考虑 多路开关的泄露电流 一般希望泄露电流越小越好 2 切换速度 对于需要传输快速信号的场合 就要求多路开关的切换速 度高 同时要考虑其后级采样保持电路和 A D 的速度 开关切换速度只需大于它 们的速度即可 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 14 3 开关电阻 断开电阻尽可能大 导通电阻应远小于负载电阻 否则会 使信号衰减 4 在进行精密数据采集和测量时 需考虑模拟开关的传输精度问题 尤 其需注意模拟开关漂移特性 因为如果性能稳定 即使开关导通电阻较大 也可 以采取补偿措施来消除影响 但如果阻值和漏电流等漂移很大 将会大大影响测 量精度 由于模拟开关在接通时有一定的导通电阻 在某些情况下 可能会对信号的 传递精度带来较大的影响 作为一种补救 一般应尽可能使负载阻抗大一些 必 要时可在负载前加缓冲器 另外 为了防止两个通道在切换瞬间同时导通情况 多选开关 往往在某一通道断开到后一通道闭合之间加一延时 当然 这会 影响到模拟开关的切换速度 多路模拟开关地典型应用是与采样保持器和 A D 转 换器配合 构成多路数据采集通道 在此系统设计中我们用到的多路模拟开关是 CD4051 如图 2 7 所示 CD4051 由逻辑转换电路 地址译码电路和 CMOS 开关等三部 分组成 其中 S 引脚为选通端 只有当 S 为低电平时 才能选中某一通道 时开 关接通 A B C 是开关通道输入端 当 A B C 输入 000 111 时 分别对应 0 7 通道上的开关处于闭合状态 通常 S 和 A2 A0 信号由接在 CPU 数据总线 上的一个锁存器提供 这样就可以用输出指令实现通道选择 A B C 引脚均要 求输入 TTL 电平信号 而各个 CMOS 开关则要求用 CMOS 电平控制 逻辑电平控制 逻辑电平转换电路完成 TTL 电平到 CMOS 电平的转换 8 个 I O 引脚 I 00 I 07 可以作为输入端 这时 O I 引脚便作为输出端 开关实现 8 到 1 的选择功能 由 于 COMS 开关可以双向工作 即信号也允许从 O I 引脚输入 根据需要 从 8 个 I O 引脚从的某一个输出 实现 1 8 的分配功能 该片子有 3 个电源引脚 其 中 VSS 通常与系统模拟地相连 VDD 接正电压 VEE 接负电压或地 R23 POT2 I0 O0 13 I1 O1 14 I2 O2 15 I3 O3 12 I4 O4 1 I5 O5 5 I6 O6 2 I7 O7 4 I O 3 A0 11 A1 10 A2 9 Vee 7 Vss 8 INH 6 U5 CD4051 VCCVCC a0 a1 a2 inh 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 15 图图 2 72 7 通道选择电路通道选择电路 2 5 62 5 6 光电耦合实现数字信号采集光电耦合实现数字信号采集 图 2 8 为数字信号采集模块电路 JP5 为数字信号输入接口数字脉冲信号通过 TLP521 产生光电脉冲同时在输出端产生光电的电流信号然后提供给单片机 单片 机对信号作下一步处理 U7 TLP521 U8 TLP521 U9 TLP521 U10 TLP521 R32 200 R33 200 R34 200 R28 4K7 R29 4K7 R30 4K7 R31 4K7 R35 200 VCC GNDGND 1 2 3 4 JP5 Header 4 DAT1 DAT2 DAT3 DAT4 图图 2 82 8 为数字信号采集模块为数字信号采集模块 2 62 6 显示与声音模块设计显示与声音模块设计 2 6 12 6 1 LEDLED 数码管显示模块数码管显示模块 LED 数码管被广泛用作数字仪器仪表 数控装置 计算机的数显器件 系统 中采用 4 位一体数码管作为显示器件输出信息 LED 数码管的主要特点如下 1 能在低电压 小电流条件下驱动发光 能与 CMOS ITL 电路兼容 2 发光响应时间极短 高频特性好 单色性好 亮度高 3 体积小 重量轻 抗冲击性能好 4 寿命长 使用寿命在 10 万小时以上 甚至可达 100 万小时 成本低 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 16 2 6 22 6 2 数码管的驱动方式数码管的驱动方式 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示出 我们要的数字 因此根据数码管的驱动方式的不同 可以分为静态式和动态式两 类 1 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每 一个段码都由一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进制译 码器译码进行驱动 静态驱动的优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 端口多 如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5 8 40 根 I O 端口来驱动 一个 89S51 单片机可用的 I O 端口才 32 个 实际应用时必须增加译码驱动器进行驱 动 增加了硬件电路的复杂性 2 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显 示方式之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同 名端连在一起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选通由 各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字 形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通 COM 端电路的 控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使各 个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位数码管的点 亮时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管实际上 各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳定 的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是一样的 能够节省大 量的 I O 端口 而且功耗更低 2 6 32 6 3 本系统数码管显示电路本系统数码管显示电路 本设计 LED 显示选择的是动态显示在四位一体共阳极数码管用 9012 三极管 驱动 段选直接接单片机位选连接三极管集电极由三极管提供驱动 点亮数码管 这种设计方式数码管属于扫描点亮的形式 它的程序简单且在设计过程中又可以 节省元器件 这样既节省了开发成本又有一个比较好的效果 其电路原理图见图 2 9 所示 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 17 a b c d e f g dp S1 S2 S3 S4 SumLED1 Q3 9012 Q4 9012 Q5 9012 Q6 9012 c d e f g dp R7 470 8 R15 2K R16 2K R17 2K R18 2K R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 a b VCC S1 S2 S3 S4 图图 2 92 9 数码管显示电路数码管显示电路 2 6 4 声音指示电路声音指示电路 在本系统中我们加入蜂鸣器的主要作用是过压报警或者是欠压提示 在我们 的进行数据采集时当采集信号高于我们的量程是我们的蜂鸣器长鸣 但采集的数 据信号低于我们采集的最小范围是我们的蜂鸣器将发出嘀 嘀 嘀响声 A 1 B 2 U6 BUZZER VCC R26 1K D4 4148 Q7 9012SP 图图 2 102 10 蜂鸣器电路蜂鸣器电路 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 18 图中 D4 作用是防止电路中产生反向电流损坏电路 2 72 7 串口通信模块设计串口通信模块设计 2 7 12 7 1 串口通信介绍串口通信介绍 RS 232 C 接口也称标准串口 是目前最常用的一种串行通讯接口 它是在 1970 年由美国电子工业协会 EIA 联合贝尔系统 调制解调器厂家及计算机终 端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准 它的全名是 数据终端设备 DTE 和数据通讯设备 DCE 之间串行二进制数据交换接口技术标准 传统的 RS 232 C 接口标准有 22 根线 采用标准 25 芯 D 型插头座 后来的 PC 上使用简 化了的 9 芯 D 型插座 现在应用中 25 芯插头座已很少采用 现在的电脑一般有 两个串行口 COM1 和 COM2 你到计算机后面能看到 9 针 D 形接口就是了 现在 有很多手机数据线或者物流接收器都采用 COM 口与计算机相连 串口通讯对单片机而言意义重大 不但可以实现将单片机的数据传输到电脑 端 而且也能实现电脑对单片机的控制 比如你可以把写入单片机的数据码显示 在电脑上 如可以使用一个按键 当按下它时使某一个字母如 AA 通过单片机 的串口将它发送到电脑上显示 起到仿真器的某些功效 51 单片机有一个全双工 的串行通讯口 所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯 进行串行通讯 时要满足一定的条件 比如电脑的串口是 RS232 电平的 而单片机的串口是 TTL 电平的 两者之间必须有一个电平转换电路 我们采用了专用芯片 MAX232 进行 转换 虽然也可以用几个三极管进行模拟转换 但是还是用专用芯片更简单可靠 我们采用了三线制连接串口 也就是说和电脑的 9 针串口只连接其中的 3 根线 第 5 脚的 GND 第 2 脚的 RXD 第 3 脚的 TXD 这是最简单的连接方法 但是对我 们来说已经足够使用了 电路如图 2 11 所示 MAX232 的第 11 脚和单片机的 P31 脚连接 第 12 脚和单片机的 P30 脚连接 第 15 脚和单片机的 20 脚连接 2 7 22 7 2 单片机如何与单片机如何与 PCPC 机连接机连接 随着计算机技术的快速发展和广泛应用 上位机和下位机的主从工作方式更 加为数据采集系统所采用 由于微机的分析处理能力较强 处理速度更快 而单 片机则使用灵活方便 所以一般主机采用微机 从机采用单片机来构成主从多机 工作模式 上位机 386 以上 PC 机 的串行口采用的是标准的 RS 232C 接口 由于 8098 单片机的串行口电平是 TTL 电平 但是 TTL 电平特性与 RS232 的电气特性不匹配 因此为了使单片机的串口能与 RS 232C 接口通信 必须将串行口的输入 输出电 平进行转换 采用目前最常用的芯片 MAX232 来实现 RS 232C 与 TTL 的电平转换 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 19 图 2 11 为连接示意图 单 片 机 TXD RXD 机串口 芯片 脚 脚 图图 2 112 11 单片机与单片机与 PCPC 机连接图机连接图 单片机 CPU 和串行口之间通过 SBUF TX 发送寄存器和 SBUF RX 接收寄存器进 行数据传输 CPU 将欲发送的数据写入 SBUFTX 从 SBUFRX 中读取串行口接收到 的数据 一旦一帧信息中最后一个数据位写入缓冲器或从中读出 即产生相应的 发送和接收中断 2 7 3 电路原理图 VCC 16 V 2 V 6 GND 15 T1OUT 14 R1IN 13 T2OUT 7 R2IN 8 C1 1 C1 3 C2 4 C2 5 T1IN 11 R1OUT 12 T2IN 10 R2OUT 9 U2 MAX232CPE VCC P3 1 TXD P3 0 RXD 12 34 JP2 232 SEL 1 6 2 7 3 8 4 9 5 JP3 RS232 R25 510 D1 TX R24 510 D2 RX R5 2K R6 2K E2 10uF Q2 9012 Q1 9012 E3 104 E4 104 E5 104 E6 104 R3 10K R4 10K C3 473 C4 473 VCC 图图 2 122 12 串口通信电路图串口通信电路图 51 单片机有一个全双工的串行口 所以单片机和 PC 之间可以方便地进行串 口通讯 进行串行通信时要满足一定的条件 如 PC 的串口是 RS232 电平的 而 单片机的串口是 TTL 电平的 两者之间必须有一个电平转换电路 这里用专用芯 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 20 片 MAX232 进行转换 用专用芯片更简单可靠 2 82 8 按键电路设计按键电路设计 在本系统中 采用独立式键盘 四个按键一的端连在一起直接接地另一段分 别和单片机的 P 口相连接 加上上拉电阻和 100nF 的电容增加了按键的抗干扰性 能 本键盘完成的功能为输入