多路数据采集及显示系统2.doc

数据采集及显示系统设计多路数据采集及显示系统设计The Design Of Multi-channel Data Sampling and Display SystemBased On SCM总计 课程设计（论文） 19 页 表 格 2 个插 图 17 幅 摘 要本文介绍了基于单片机的数据采集的硬件设计和软件设计，重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机。数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了单片机AT80C51来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括A/D模数转换模块， 10路被测电压通过串行A/D模数转换TLC2543进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过串行输出口，由单片机负责数据的接受、处理和输出到显示，显示用LED数码显示器来显示所采集的结果。软件部分应用C语言编写控制软件，对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。关键词： TLC2543 AT80C51 C语言控制软件 LED数码显示器Abstract This paper introduces the data acquisition based on single chip computer hardware design and software design, the point is the data acquisition system, and the system hardware centered on single chip microcomputer. Data collection and communication control using modular design, data acquisition and communication control adopts single-chip AT80C51 to realize, hardware is based on single chip microcomputer as the core, including A/D conversion module modulus, 10 and the voltage to be measured through the serial A/D conversion module TLC2543 for conversion module to realize the collected data simulation to the digital quantity of the conversion, and will convert the data through the serial lose exports, by single-chip microcomputer in charge of data processing and export to accept and display, with LED digital display to show that the results of the collected. Some applications software written in C language control software, for data acquisition systems, modulus conversion system, data display, data communication and other procedures to carry on the design.Key Words: TLC2543 AT80C51 C language LED digital display- 19 -目 录摘要IIABSTRACT III第一章 引言 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究进展 1第二章 硬件方案论证 22.1 课题内容要22.2 数据采集系统构思22.3A/D相关知识22.4硬件选择 32.4.1 单片机89C5132.4.2 TLC2543引脚功能52.4.3 LED显示电路72.4.4键盘扫描72.5 系统总体结构设计8第三章 硬件匹配软件设计论证 93.1 软件设计构思与说明 93.2 程序设计93.3 软硬件联机调试 103.4硬件显示说明11第四章 课程设计总结 12参考文献 13附录1：C语言程序14附录2：硬件图及元件清单 19第一章 引言1.1 研究背景及意义数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，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。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。1.2国内外研究进展近年来，我国又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。第二章 硬件方案轮证2.1 课题内容要求运用51系列单片机及相关外围器件制作一多路数据采集及显示系统，具体要求为： 要求：1、采用51系列单片机作控制CPU； 2、能对3路输入的直流电压进行测量，输入电压05V； 3、测量的电压值由3位数码管显示，其中一位显示通道，两外两位显示测量的电压值，显示精度0.1V； 4. 采用按键切换测量路径； 5、完成实物制作或proteus仿真实现。2.2 数据采集系统构思在该系统中需要将模拟量转换为数据量，（1） A/D是将模拟量转换为数字量的器件，它需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。（2）单片机是该系统的基本的微处理系统，它是完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。在该系统中采用的是8051系列的单片机。（3）数据的显示则采用的是共阴极LED数码管，该器件比较简单，在生活中接触也较多。（4）同时还要采用按键切换不同的采集通道。2.3 A/D相关知识A/D转换器是单片机应用中常见的接口，从事单片机开发的人员通常都会遇到使用A/D的要求，目前常使用通过多路输入电压表来学习常用串行接口A/D转换器的用法。A/D 转换电路种类很多，在选择模/数转换器时，主要考虑以下技术指标：转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。ADC0809是八路输入，八位并行输出，在硬件电路设计时要占用单片机的端口比较多，在单片机控制外围电路较多时会影响电路的有效控制，浪费硬件资源，而且成本会很高。然而，目前较为流行的 AD 转换器件有很多都采用了串行接口，这使得这类芯片与单片机的硬件连接非常简单，而软件编程相对要复杂一些，这样会在很大程度上节省硬件资源，减少成本。2.4硬件选择2.4.1 单片机80C5151系列单片机因其优越的性能，较低的价格，灵活方便的控制方法获得广泛应用。如图2.4.1-1所示： 图2.4.1-1 AT80C51单片机引脚说明：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P0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，它可以被定义为数据/地址的低八位。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外部必须接上拉电阻。 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口作为低八位地址接收。 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。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） 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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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低位字节。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。 /PSEN：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/PSEN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。 /EA/VPP：当/EA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/EA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。 本电路采用外接晶体时钟振荡信号，电路如图2.4.1-2所示：图2.4.1-2外接晶体时钟振荡电路2.4.2 TLC2543作为数字系统的单片机要想处理现实中广泛存在模拟量就必须进行A/D转换。目前AD转换芯片有很多，但大多数是精度不高，占用单片机太多的I/O口，使其应用受到很大的限制。此处以课程设计中所使用的基于11通道、12位串行的A/D转换芯片TLC2543来实现数据采集系统。芯片图如图2.4.2-1所示：图2.4.2-1 TLC2543芯片图引脚说明如下：AIN0AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。CS：片选端，CS由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK。DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后I/O CLOCK将余下的几位依次输入。DATA OUT：A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平；EOC：转换结束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输； VCC、GND：电源正端、地；REF、REF：正、负基准电压端。通常REF接VCC，REF接GND。最大输入电压范围取决于两端电压差；I/O CLOCK：时钟输入/输出端。 TLC2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。在TLC2543的CS变低时开始转换和传送过程，I/O CLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATA OUT端，在I/O CLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时， I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT为高阻态。相应时序图2.4.2-2图2.4.2-22.4.3 LED显示电路LED发光二极管显示器是一种当外加电压加在发光二极管上可产生可见光的器件它适用于在光线暗的环境中使用。显示器显示接口按驱动方式可分为静态显示和动态显示。对于多位LED显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即逐个地循环点亮各位显示器，这样虽然在任一时刻只有一显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。为了实现LED显示器的动态扫描，除了给显示提供段码的输入之外，还有对显示器选择位的控制，即段选和位控。因此，多位LED显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个(P3口)用于输出8条段控线，另一个（P2.0P2.3口）用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。设计采用七段共阴数码管如图2.4.3-1所示：图2.4.3-1七段共阴数码管2.4.4 键盘切换使用单片机P1（P1.6,P1.7）口直接输入时的连接图，每个按键独占一条I/O口线，键盘的另一端接地。无键按下时，单片机的输入口线状态为高电平；当某键按下时，该键对应单片机的输入口变为低电平，即可判定按键的位置。如电路图2.4.4-1所示：图2.4.4-1按键切换2.5系统总体结构设计本系统为10路模拟量输入，范围为0 - 5V。要求对10个通道的模拟量进行巡回采样，再将采集的数据进行工程量转换后在LED显示器上显示，并能通过按键来回切换显示选择通道的采样数据。系统总体结构如图2.5-1所示：图2.5-1系统总体结构图第三章 硬件匹配软件设计论证3.1 软件设计构思与说明根据TLC2543的工作原理，可以进行A/D转换采集程序的设计。设TLC2543输出数据为8位、高位先送出、输出数据为二进制的格式，这样控制字的高4位为通道号，低4位均为0100B,由单片机的P1.1输入TLC2543的SDI端。A/D转换串行输出口SDO输入到单片机P1.0输入。P1.3送CLK信号。以此为基础设计采集一个通道的TLC2543 A/D转换程序，值得注意的是，每次读取的数据是上一次采样的数据，所以第一次读得数据应当丢弃。另外，程序是采用C编写。程序设计流程图如3.1-1所示：图3.1-1程序设计流程图3.2程序设计上运行时，执行主程序给变量赋初值；紧接着进入循环体：先把TLC2543初始化，调用初始化子程序；使其采集0通道的值并送给单片机处理，再进行按键扫描（调用键盘扫描子程序），判断有无按键按下，若有给a和key赋新值即新的通道号，重新进进入相应通道的初始化；若无按键按下，再将进入显示子程序调用，显示相应通道号及对应的电压值。显示完后再回到初始化子程序调用处继续重复前述指令。void main()/主程序 a=0;key=0;while(1) daout();/初始化调用jp();/键盘扫描子程序调用display(qian,shi,ge);/显示调用对应的子程序设计及完整程序详见附录一。3.3 软硬件联机调试运用keil和proteus分别进行软件调试和硬件电路图描绘；调试完之后进行上电软硬件联机调试，调试图如3.3-1：图3.3-1：硬件调试图组硬件调试数据对照表一：采集通道号0采集电源12 3 4 5 67 8 9实际值（V） 53.293.942.043.043.744.691.842.392.04显示值（V）4.93.23.92.03.03.74.61.82.32.03.4硬件显示说明本课程设计对题目进行了扩展：由3路扩展到10路。而且设定上电后通过0通道采集电源电压显示电源电压是否正常（即是否电压不足），而其余9个通道才是对所要采集的对象进行采集。相对于实际输入而言，该系统输出显示由于位数不够，及A/D转换位数不够，所以显示数据存在量化误差。 第四章 课程设计总结在这次设计过程中，我通过对题目所要求的目的，功能进行分析，确定了所要用到的硬件及设计的大致思路，之后，通过查找相关资料，对具体功能逐一分模块进行实现，通过C语言进行编写，最终实现了串行A / D转换器多路数据采集及显示系统的设计，使设计作品符合课程要求，而且在老师的指导下在原课程要的基础上进行了扩展，完成了课程设计，使其成为一个可以运用到实际的作品。因此我们既提高了知识运用能力及相应软件的应用，并掌握如何利用软硬件联合仿真的能力。参考文献1、李建忠，单片机原理及应用，西安电子科技大学出版社，2002 2、何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术， 北京航空航天大学出版社，2001 3、张俊谟，单片机中级教程原理与应用，北京，北京航空航天大学 出版社，2000.6 4、潘永雄，新编单片机原理与应用.西安：西安电子科技大学出版社.20035 宋家友.集成电子线路设计手册M.福建科技出版社出版，2000.6 张友德等编 .单片微型机原理、应用与实验M.上海：复旦大学出版社出版，2007.7、吴建国. ADC0809AD转换芯片的原理及应用. 电子制作. 2007/02 8、元增民; AT89S51单片机与ADC0809模数转换器的三种典型连接，长沙大学学报，2005/05 9、李亚芬等，12位A/D转换器TLC2543与51系列单片机的接口，微计算机信息，2001年第17卷第2期10、串行AD转换器TLC2543与51系列单片机接口设计，仪表技术杂志，2004年第1期附录1：C语言程#include /对P1口定义sbit d1=P16; sbit key1=P17;sbit cs=P12;sbit clk=P13;sbit din=P11;sbit dout=P10;#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar a,x,y,z,date,temp;uchar conword,qian=1,shi,ge,key; uint dianya,temp1;/制做LED显示查询表uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /共阴极个位数码管段码表uchar code table2=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef; /共阴极十位和小数点数码管点显示表Uchar code table3=0x04,0x14,0x24,0x34,0x44,0x54,0x64,0x74,0x84,0x94,0xA4;/tcl2543初始化通道号表bit cy;sbit bit7=B7;void display(qian,shi,ge);/宏定义void delay(z);void jp();void daout();/主函数void main() a=0;key=0;while(1)daout();/初始化调用jp();/键盘扫描子程序调用display(qian,shi,ge);/显示调用/键盘扫描