多路数据采集系统的设计.doc

目 录第一章 前 言3第二章 课题的设计要求、目的及意义52.1 设计要求52.2 设计目的52.3 设计意义5第三章 数据采集系统的基本介绍73.1 数据采集系统的结构原理73.2数据采集系统的分类73.3数据采集系统的基本功能73.4 数据采集系统的结构形式83.5数据采集系统设计的基本原则83.6数据采集系统的发展趋势8第四章 系统总体方案与说明10第五章 系统结构框图与工作原理115.1 系统框图115.2 系统工作原理11第六章 各单元硬件设计说明126.1 A/D转换单元126.2 数据处理单元136.3 数码管显示单元14第七章 软件设计与说明157.1 程序流程图157.2 软件说明167.3初始化程序167.4中断服务程序177.5 START1START2子程序177.6 BCD转换子程序207.7 显示程序21第八章 调试仿真说明与仿真结果238.1 调试仿真说明238.2仿真结果24总 结26参考文献27附录 A28附录 B29第一章 前 言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、地震数据采集领域已经得到应用。 随着测控技术的迅猛发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统己经在测控领域中占到了统治地位。数据采集系统是将现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作。数据采集系统的主要功能是把模拟信号变成数字信号，并进行分析、处理、存储和显示。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。近年来，随着计算机技术的发展数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。数据采集是工业控制系统中至关重要的一个环节，在生产过程中，往往需要随时检测各个环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某个检测点的任意参数进行随机查询，将所得到的检测结果提取出来以便进行比较做出决策，调整控制方案。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。数据采集系统与电气工程及其自动化的联系：该系统可以采集的发电厂运行数据包括电气参数和非电气参数两类。其中电气参数主要有电流、电压、功率、频率等模拟量，断路器状态、隔离开关位置、继电保护动作信号等开关量以及表示电度的脉冲量等。而非电气参数种类较多，既可以是采集火力发电厂运行中的各种温度也可有水电厂中的水位、流速、流量等水工信号，还可以采集诸如绝缘介质状态、气象环境等其它信号。这里设计的八路数据采集系统由数据输入通道，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。其中输入通道主要实现被测对象的检测，采样和信号转换的工作。数据存储与管理要用存储器把采集来的数据存储起来，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，提取出反映被测对象的重要特征的信息。最后，数据输出就是以可输出的形态在输出设备上输出。数据显示，就是通过打印，显示，绘图等方式将数据以恰当的形式进行显示。第二章 课题的设计要求、目的及意义2.1 设计要求1) 根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路图。2) 画出电路原理图，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系。3) 用protues软件绘制电路原理图。4) 软件设计并调试，给出流程图及源代码并加注释。2.2 设计目的1） 本设计包括确定控制任务、系统总体设计、硬件系统设计、软件程序的设计等。2） 使进一步学习理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序。3） 巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能。2.3 设计意义此次设计最主要的意义是让我们学以致用，通过自己亲手设计一个数据采集系统来巩固自己所学的单片机及其系统扩展的知识。让同学们懂得理论与实际相结合的重要道理。当然这次设计也是让是想让同学们认识到仅仅只靠平时的知识是无法解决一些实际的问题，一定要学会自己学习运用课余时间去查阅更多的资料，为同学们提供一个展示和挑战自己综合能力的机会。第三章 数据采集系统的基本介绍3.1 数据采集系统的结构原理数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。数据采集系统的输入又称为数据的收集；数据采集系统的输出又称为数据的分配。3.2数据采集系统的分类数据采集系统的结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见的分类方法有以下几种：根据数据采集系统的功能分类：数据收集和数据分配；根据数据采集系统适应环境分类：隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统的控制功能分类：智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号的性质分类：电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入(SE)和差动输入(DE)，单极性和双极性；根据信号通道的结构方式分类：单通道方式，多通道方式。3.3数据采集系统的基本功能数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数根进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视 。3.4 数据采集系统的结构形式从硬件力向来看，白前数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散型数据采集系统。微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、AD转换器、计算机及外设等部分组成。集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成。位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。 3.5数据采集系统设计的基本原则对于不同的采集对象，系统设计的具体要求是不相同的。但是，由于数据采集系统是由硬件和软件两部分组成的，因此，系统设计的一些基本原则是大体相同的 。 3.6数据采集系统的发展趋势微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面。1) 新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。2) 高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系统的广泛应用。3) 智能化传感器(Smarts nor)的发展，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的影响。4) 与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。5) 分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。第四章 系统总体方案与说明本系统由A/D转换单元，数据处理单元，数码管显示单元组成。A/D转换单元由集成电路ADC0808完成，0808具有8路模拟输入端口，地址线（23-25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换，22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为AD转换启动控制，当输入电平由低到高再到低后A，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从端口输出。单片机的P1、P2端口作四位LED数码管显示控制，P1端口作A/D转换数据读入用，P3端口用作0809的A/D转换控制。数据处理单元单元则只由AT89C51来完成，从P0端口读入数据，将各个数据以二进制的形式存储在片内RAM的35H单元。然后将35H单元的二进制数据转换成十进制的BCD码，分别将百位、十位、个位存入30H、31H、32H。通过P0端口将数据传给LED显示。而P3口主要是与ADC0808相连输送地址和检测0808工作状态。并且利用P3.2、P3.3两个外部中断实现对通道实现装换。数码管显示单元采用动态扫描显示，该模块共有四个共阴数码管组成，其段选与AT89C51的P0口相连，四个位选管脚分别于AT89C51的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连。第一位显示ADC0808通道编号，后面三位显示转换后的数值。当然，还有很多的电阻器等等一些防止电路出现故障的外围设备这里不做详细的解说。该方案具有简单，稳定的特点。第五章 系统结构框图与工作原理5.1 系统框图选用ADC0808的第三通道和第四通道，分别输入自制1V5V直流电压，来模拟要采集的信号，将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号传送给AT89C51的P1口，然后通过AT89C51芯片进过数据处理和分析通过P0和P2口送给数码管显示。同时AT89C51芯片控制着ADC0808的通道地址。系统框图如图5.1。 图5.1 系统框图5.2 系统工作原理 系统通过按钮申请AT89C51中断，从而改变ADC0808通道地址，实现能在任意时间切换不同通道的要求。ADC0808转换成二进制数后，立即送给单片机，然后单片通过相应的数据处理和分析，根据数据处理的结果然后确定是否置位相应管脚报警，同时通过P0口把处理后的结果输送给LED数码管显示ADC0808装换后的结果，同时在LED数码管上显示当前的工作通道编号。第六章 各单元硬件设计说明6.1 A/D转换单元 A/D转换单元主要有ADC0808芯片组成，同时还有外部时钟（500KHZ）和相应的连线。由于ADC0808芯片的工作过程为：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。所以其工作过程决定了其接线方案。其设计如图6.1。图6.1 A/D转换单元电路图6.2 数据处理单元数据处理单元是以芯片AT89C51为核心。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。故只用片内存储器就足够装下我们所编的程序，故无需扩展外部ROM。改芯片有4个端口P0P1P2P3。P0口单片机内部无上拉电阻，但其是双向I/O口。其它三个端口内部有上拉电阻，故其驱动功率大，但它们是准双向I/O口，只有当端口为高电平时，才能输入。因为本系统使用的是内部程序存储器，所以EA端必须接高电平。单片机使用内部时钟电路，晶振使用12MHZ，机器周期为1us。其具体设计如图6.2所示。图6.2 数据处理单元电路图6.3 数码管显示单元系统采用共阴极数码管，其结构原理图如图6.3所示。图6.3 共阴极数码管原理图图中a、b、c、d、e、f、g、dp为发光二极管，其中dp代表小数点，其它的按照一定的规律发光能组成0-9十个阿拉伯数字。这个八个端口称为位选端口，多个数码管连接在一起共用八个位选端口时，每个LED显示数码管都有一个段选端口（图中未给出），当段选端口为低电平时，选中该数码管。本系统的LED数码管显示电路如图6.4所示。图6.4 数码管显示单元电路图第七章 软件设计与说明7.1 程序流程图系统程序流程图如图7.1所示。 图7.1 系统程序流程图7.2 软件说明由流程图可知，系统程序可分成初始化程序中断服务程序START1START2BCD判值大小显示等子程序。下面分别说明。7.3初始化程序初始化程序如下：MOV LED_0,#00H;清零装换后BCD的百十个位MOV LED_1,#00HMOV LED_2,#00HCLR ZNG ;清零报警 CLR QNG SETB IT0 ;中断初始化 下降沿触发SETB IT1SETB EX1SETB EX0SETB EAMOV BZ1,#00HMOV BZ2,#00H CLR P2.0 CLR P2.1 CLR P2.2 CLR P2.3LOOP: LCALL START1LCALL START2LJMP LOOP可以看出初始化程序包括对LED数码管百十个位的清零，对报警管脚P2.6，P2.7清零，中断初始化的设置，对标志位BZ1和BZ2清零，清零数码管四个位选，使数码管开机显示四个八，并且不停的循环调用START1和START2，判标志位是否为1。7.4中断服务程序中断服务程序如下：INTA: MOV BZ1,#01H;外部中断0中断服务程序 MOV BZ2,#00H MOV TDBH,#4FH RETI INTB: MOV BZ2,#01H;外部中断1中断服务程序 MOV BZ1,#00H MOV TDBH,#66H RETI可以看出外部中断0和外部中断1的服务程序只要是对标志位进行置位或者清零。SW3和SW4分别对应通道3和通道4，当SW3按下时执行INTA，BZ1置位，BZ2清零。所以此时单片机分析计算的是通道3转换过来的数据。反之SW4按下此时单片机分析计算的是通道4转换过来的数据。并且同时中断服务程序还给出了通道编号（TDBH）的值。7.5 START1START2子程序START1: MOV A,BZ1 CJNE A,#01H,JIESU1 SETB P3.4 SETB P3.5 CLR P3.6 MOV DPTR,#TABLE;表头地址 CLR QNG CLR ZNG LCALLDELAYB LCALLDELAYB LCALLDELAYB CLR ST;启动转换 SETB ST CLR ST JNB EOC,$;等待转换结束 SETB OE ;允许输出 MOV ADC,P1;暂存转换结果 CLR OE;关闭输出 LCALL BCD MOV A,LED_2 CJNE A,#0,BJA;判断百位与0的大小 CLR QNG MOV A,LED_1;判断十位与5的大小 CJNE A,#5,$+3 JC XSA SETB ZNG;十位 大于5红灯亮 XSA: LCALLDISPB SJMP START1 BJA: SETB QNG;百位不等于0 黄灯亮 LCALL DISPB SJMP START1 JIESU1: RET START2: MOV A,BZ2 CJNE A,#01H,JIESU2 CLR P3.4CLR P3.5 SETB P3.6 MOV DPTR,#TABLE CLR QNG CLR ZNG LCALL DELAYB LCALL DELAYB LCALL DELAYB CLR ST;启动转换 SETB ST CLR ST JNB EOC,$;等待转换结束 SETB OE ;允许输出 MOV ADC,P1;暂存转换结果 CLR OE;关闭输出 LCALL BCD;将AD转换结果转换成BCD码 MOV A,LED_2 CJNE A,#0,BJB MOV A,LED_1 CJNE A,#5,$+3 JC XSB SETB ZNG XSB: LCALLDISPB SJMP START2 BJB: SETB QNG LCALLDISPB SJMP START2JIESU2: RET可以看出，START1和STARTA2实际上包含了判值大小程序段，当值大于50小于100时ZNG=1，然后返回重启AD0808循环转换。当值大于100是QNG=1，然后返回重启AD0808循环转换，这样便实现报警功能。这两个子程序同时也肩负着给定通道地址的作用。通过对P3.0、P3.1、P3.2管脚电平的改变，从而改变通道地址。7.6 BCD转换子程序 程序如下： BCD:MOV A,ADC;将AD转换结果转换成BCD码MOV B,#100DIV ABMOV LED_2,AMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV LED_1,AMOV LED_0,BRET可以看出，通过对ADC除百取商即百位上的数，然后对除百后的余数除十取商即十位上的数，剩下的余数即个位上的数。这样就转成了十进制的BCD码。7.7 显示程序 显示程序如下：DISPB: MOV A,LED_0;数码显示子程序 MOVC A,A+DPTR;个位 CLR P2.3 MOV P0,A LCALL DELAYB SETB P2.3 MOV A,LED_1;十位 MOVC A,A+DPTR CLR P2.2 MOV P0,A LCALLDELAYB SETB P2.2 MOV A,LED_2;百位 MOVC A,A+DPTR CLR P2.1 MOV P0,A LCALL DELAYB SETB P2.1CLR P2.0;通道编号 MOV P0,TDBH LCALL DELAYB SETB P2.0 RETDELAYB: MOV R6,#10;延时5毫秒 D1B: MOVR7,#250 DJNZR7,$ DJNZR6,D1B RETTABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH可知显示程序嵌套了延时子程序，包含了数码管编码表。四位数码管采用动态扫描显示，当位选信号为低电平时选中，数码管然后给其位选，关闭段选，延时5ms，然后选中下一个数码管，再给位选，再关闭段选，再延时5ms如此往复循环实现动态扫描。第八章 调试仿真说明与仿真结果8.1 调试仿真说明本系统的仿真在protues平台上进行。首先按照要求连接好硬件电路。然后加载KEIL软件翻译的HEX文件。系统采用外部中断控制通道变换，数码管第一位显示通道编号 后三位显示采集数据。系统开机默认数码管显示四个八。当SE3或者SW4按下时就会产生中断请求和中断响应，系统就开始进行数据采集和装换。由于采用中断的缘故。在运行过程，中可以任意通过按键转换通道，并查看实时转换数据，当采集数据大于50时黄灯闪光报警，当数据大于100时红灯闪光报警。程序调试主要是通过KEIL软件进行，由于程序比较多，整体调试不容易发现和改正错误，故采取子程序调试的方法，但要明确子程序的具体功能。例如：调试显示子程序时，只将显示子程序进行汇编，确认无误后单步执行，观察CPU窗口和DATA窗口以及CODE窗口相应单元的变化是否跟预期的一样。如果有问题找出问题所在。采取各个击破的方法调试好各个子程序。 确定各子程序无误后，再调试完整的程序，要注意各子程序之间的衔接以及和主程序之间的调用和返回。若运行结果不正确，首先应根据程序运行的实际现象分析判断哪些因素可引起相关故障，再通过调试方法逐一认证和排除。通过反复调试，发现并排除软件与硬件存在的各类问题，以满足系统设计的预期目8.2仿真结果(1)刚开机状态如图8.1所示。 图8.1 开机状态图 (2)按下SW3按钮此时单片得到中断信号，进入INTA中断服务程序，通过三通道采集信号。此时在显示器上显示采集转换后的数值，以及通道编号（第一个数码管），如图8.2所示。图8.2 三通道采集信号仿真图(3)按下SW4按钮此时单片得到中断信号，进入INTB中断服务程序，通过四通道采集信号。此时在显示器上显示采集转换后的数值，以及通道编号（第一个数码管），如图8.3所示。图8.3 四通道采集信号仿真图总 结回首这两周的学习和实践，发现自己还是收获颇丰。通过对课题的研究，让自己不只是对本门学科的知识有了更加深刻的印象，课题中涉及到一些我们学过的知识，也有还未曾接触的学科，让我们有机会复习了以前的知识，也主动去了解相关的一些的资料，将不同书本上的知识结合到了一起。这是一次对知识的学以致用环节。从前我们仅仅在教室听老师不厌其烦的传授课本知识，从来没有想过或是思考过知识的用处。这种依葫芦画瓢的模式使我深深的疲倦，我无法想象即使我们获得这些知识又能做什么。而此次的课程设计给了我们一次锻炼巩固平时之所学的机会。 然而要完成课题团队的合作也是必不可少的，设计的过程中也遇到了很多问题都是一个人解决不了的，在最初的课题思路的设计中就感觉到课题有一定的难度，觉得无从下手，相关的知识也不知道要怎样融合，所以久久没有开始。之后在老师的指导下，组员们发扬团结协作的精神，分工合作，将问题逐个解决，最后完成了任务。通过本学期对单片机基础知识学习以及此次为期两周的课程设计，让我们这门学科有了更好的掌握，在实践的过程中，培养我的综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼自己的实践能力，也让我体会到了团体合作的重要性。总的来说这个设计还是比较顺利的，在这里要感谢老师的指导，感谢同学们的帮助。正是有了这样一个机会才让我不仅在学识和能力上有了提高，也让同学之间有了好的默契和合作。参考文献1.张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.国防工业出版社2.房小翠.单片机实用系统设计技术. 国防工业出版社3.何立民.单片机应用系统设计.北航出版社4.王迎旭.单片机原理及及应用.机械工业出版社.2004年7月5.李念强，魏长智，潘建军，张羽，数据采集技术与系统设计。北京：机械工业出版社，2009.2。6.祝常红，彭坚，数据采集与处理技术。北京：电子工业出版社，2008.3。7.沈兰荪，数据采集技术。合肥：中国科学技术大学出版社，1990.附录 A附录 BLED_0 EQU 30H;存放三个数码管的段码 LED_1 EQU 31H LED_2 EQU 32HADC EQU35H;存放转换后的数BZ1 EQU 36H BZ2 EQU 37H TDBH EQU 38H ST BIT P2.4 OE BIT P3.0 ZNG BIT P2.6 QNG BIT P2.7 EOC BIT P3.1 ORG 0000H LJMP START;中断入口地址 ORG 0003H LJMP INTA ORG 0013H LJMP INTB ORG 0030HSTART: MOVLED_0,#00H;清零装换后BCD的百十个位 MOVLED_1,#00H MOVLED_2,#00H CLR ZNG;清零报警 CLR QNG SETB IT0;中断初始化 下降沿触发SETB IT1SETB EX1SETB EX0SETB EAMOV BZ1,#00HMOV BZ2,#00H CLR P2.0 CLR P2.1CLR P2.2CLR P2.3LOOP:LCALL START1 LCALL START2 LJMP LOOPINTA: MOV BZ1,#01H;外部中断0中断服务程序 MOV BZ2,#00H MOV TDBH,#4FH RETI INTB: MOV BZ2,#01H;外部中断1中断服务程序 MOV BZ1,#00H MOV TDBH,#66H RETI START1:MOV A,BZ1 CJNE A,#01H,JIESU1 SETBP3.4SETBP3.5CLR P3.6MOV DPTR,#TABLE;表头地址 CLR QNG CLR ZNGLCALLDELAYBLCALLDELAYB LCALLDELAYB CLR ST;启动转换SETB STCLR ST JNB EOC,$;等待转换结束SETB OE ;允许输出MOV AD