单片机多通道数据采集系统

1、单片机系统综合训练单片机多通道数据采集系统目     录1.功能描述32 方案设计32.1 系统分析32.2 器件选择42.2.1 微处理器42.2.2 显示器42.2.3 按键42.2.4 闹铃43、硬件电路设计53.1 最小系统设计53.2 显示电路设计63.3 按键电路设计63.4 声音报警电路设计73.5多通道数据采集电路设计74、软件设计84.1 操作功能设计84.2程序编制思想84.3 主程序95 程序调试166 技术小结177多通道数据采集系统的使用说明188心得体会199参考文献20附录1：电路原理图21附录2：程序参考清单22

2、23设计报告1.功能描述利用单片机控制A/D转换器实现多通道数据采集系统。具有如下功能：1.基本功能（1）采集的数据为0-5V电压信号；（2）通过按键选择任意通道的数据显示或轮流显示；（3）可以设定报警上下限。2.扩展功能自行扩展功能，如音乐铃声，通讯功能等。2 方案设计2.1 系统分析根据系统功能要求，可将系统组成结构分成五大部分：单片机控制中心、按键接口、多通道数据采集、数码管显示和报警播放音乐，如下图为系统的组成结构图。其中，单片机控制中心是核心。MCU根据按键输入，可切换不同的模式或设置不同的参数，从而实现多通道数据的采集。报警播放音乐可设置最高或最低温度报警值。 图 2.1 系统总体

3、结构图2.2 器件选择2.2.1 微处理器市场上微处理器种类很多。这里，选取微处理器从多方面考：成本低、性能高、能够满足功能要求等等。这里，选取STC89C52芯片。因为其功能与普通51芯片相同，其价格非常低廉、程序空间大、资源较丰富、在线下载非常方便。同时，使用该芯片，编程上亦可采用所熟悉的KEIL软件，使课程设计非常简单。2.2.2 显示器常见的显示器件LED数码管和LCD液晶器件。LED数码管能够显示数字和部分字符，价格便宜，硬件电路、软件编程均非常简单，而且使用动态扫描技术可节省大量硬件成本。LCD液晶显示器件，显示字迹清晰、能够显示数字、字符，本实验主要是用于显示所采集的电压与温度的

4、显示。系统显示主要还是数字，根据这两种显示器件的特性，选取LED数码管器件。由于系统要求显示所采集的通道数据，采用四位数码管显示即可。2.2.3 按键按键是用来变换显示模式以及设置传送上位机信息等功能的。这里采用普通按键即可，选用原则：以最少的按键，实现尽可能多的功能。所以这里，设置两个按键：模式键、传送键。2.2.4 闹铃选用最常见，亦最常用的声音提示方式蜂鸣器，用于报警音乐定时播放。3、硬件电路设计3.1 最小系统设计图3.1 最小系统电路3.2 显示电路设计图3.2 数码管显示电路3.3 声音报警电路设计图3.3 蜂鸣器连接电路3.4 按键电路设计图3.4 按键电路3.5多通道数据采集电

5、路设计图3.5 PCF89C51多通道数据采集4、软件设计4.1 操作功能设计根据系统功能描述，可以将功能大致分成四类：多通道数据播放采集功能、脉冲波形输出功能、报警温度设置功能和音乐功能，上位机信息传送功能。系统设有四个数码管，四个按键。采用模式式人机对话，便于操作。所以可分成多种菜单，功能键切换模式，UP或DOWN键可以设置报警上下限温度值。模式设计如下：模式1：温度显示：显示格式为：AA.BB摄氏度（如：51.25，为51.25摄氏度）模式2：电位电压显示：显示格式为：AA.BB伏（如03.45，为电位电压3.45伏）模式3：电压显示：显示格式为：AA.BB.伏（如02.34，为电压2.

6、34伏）模式4：输入电压显示：显示格式为：AA.BB.伏（如04.55，为输入电压4.55伏）模式5：脉冲波形输出：显示格式为：NF.分钟（如NF.34,为闹铃时间分钟设为34分）模式6：调节警报下限：显示格式为：AA.BB摄氏度（如00.00为当前报警温度下限）,在此种模式下，UP键设为用来增加报警温度下限值、DOWN键用来减小报警温度下限值。模式7：调节警报上限：显示格式为：AA.BB摄氏（如50.00为当前报警温度上限），在此种模式下，UP键设为用来增加报警温度上限值、DOWN键用来减小报警温度上限值。模式8：播放音乐：使用蜂鸣器播放音乐。4.2程序编制思想数码管采用动态扫描原理。所以系

7、统需使用单片机定时器资源。定时时间可设为5ms，即4位数码管，每5ms扫描一位数码管，20ms循环一次。另一方面，按键接普通IO口，所以按键管理程序所涉及到的识键、译键均需采用软件扫描的方法。这里选用查询扫描控制方式。所以，程序编制思想为：使用定时器0完成数码管动态扫描，并在主程序中循环查询按键是否被按下。查询到相应的按键时，如模式键，则执行相应的操作，如切换模式。切换模式的方法，主要是通过程序定义一个变量，变量不同的值表示不同的模式。在进行切换模式后，跳到相应模式的处理函数，并更新数码管显示内容。另外，系统有播放音乐功能，所以，切换到播放音乐模式，播放美妙动听的音乐。4.3 主程序（程序流程

8、图主要根据学生的思路来绘制）这里只给出数码管动态扫描所涉及的流程图。图4.2温度显示模块图4.3 电位电压显示模块图4.4 输入电压显示模块图4.5 DA转换波形显示模块图4.6 温度警报上限调节模块图4.7 温度警报下限调节模块图4.8 音乐播放模块5 程序调试在程序编制当中易出现问题：定时器中断的用法、动态扫描的过程、按键与显示的对应，按键的消抖动等。问题1：在按模式按键进行切换模式时，遇到按一次，模式切换多次的问题解决思路：在按按键时，在IO口由高电平变为低电平及低电平变为高电平的过程中，会电平抖动现象，为了不让抖动对按键判断产生干扰，需延时一段时间，再判断按键是否按下，并且当按键一直处

9、于低电平时在原处循环，直到电平为高则退出循环。问题2：在读取温度值时，读到的是一个0255之间的值，并不是我想要的温度值解决思路：使用PCF89C51读取温度值时，使用IIC协议读取时返回一个unsigned char 的数值，最大为255，最小为0，而设定的温度是20摄氏度到80摄氏度之间。假设返回值与温度值是线性关系（实际上不是，这里假设为有线性关系，方便计算），建立线性方程，求得关系系数为0.235294，将读到的数与相关系数相乘加20，即得到想要显示的温度值。6 技术小结单片机多通道数据采集系统的主要技术应包括：单片机最小系统结构、数码管显示技术、按键检测技术、系统功能设计、软硬件调试

10、等技术。系统设计：单片机多通道数据采集系统包含的功能有采集05V的电压信号，通过按键选择任意通道的数据显示，设置警报上下限以及音乐播放等功能。将功能细分为8种模式：温度显示模式、电位显示模式、电压显示模式、输入电压显示模式、脉冲波形显示模式、调节警报上限模式、调节警报下限模式及播放音乐模式。选择不同的模式来实现多通道数据采集系统。硬件设计：在设计单片机多通道数据采集系统的最小系统结构时，考虑到要在数码管上动态显示采集到的数据、温度报警的设置以及要使用PCF89C51芯片来采集几种信号等，硬件电路应能提供3.3V5V的电压来正常驱动蜂鸣器等设备，用USB转串口线来提供系统所要的运行电压。软件设计

11、：在设计单片机多通道数据采集系统的软件层时，要依据不同的按键实现不同的功能，本系统采用了按键查询的方法来实现按键检测功能，既简单易实现，在实际的测试中表现也很稳定。在用数码管显示多通道采集的温度、电压等信号时，因为是实时采集动态显示的，所以在设计数码管显示时，将采集到的数经过相应的计算及转换后，赋给P0，在定时器0中快速循环选择不同的数码管段码，即可动态显示温度、电压等信号。7多通道数据采集系统的使用说明1功能使用：（1） 温度显示：读取通过PCF89C51采集的数据并转换为2050摄氏度的温度，在数码管上动态显示（2） 电位电压显示：读取通过PCF89C51采集的数据并准换为05伏的电压，在

12、数码管上动态显示（3） 电压显示：读取通过PCF89C51采集的数据并转换为电压，在数码管上动态显示（4） 输入电压显示：读取通过PCF89C51采集的数据并转换为05V的电压，在数码管上动态显示（5） 脉冲波形输出：通过PCF89C51将数据转换为相应的电压，在示波器上输出脉冲波形（6） 警报设置：通过调整温度警报的上下限值，当温度达到警报值时，蜂鸣器警报（7） 播放音乐：播放单片机上的音乐2操作说明：进入系统，在第一个数码管上显示“0”，按KEY键，模式值循环变换，当调整到要进入的模式时，按下ENTER键，即可进入该模式。在一种模式下，要进入另一种模式时，直接按KEY键，即可循环选择模式，之后的过程同上。在调节警报温度值模式下，按UP键，设定值增加，按DOWN键，设定值减小，显示值即为设定值。8心得体会通过这一周的课程设计，我学到了许多有关51单片机系统设计及管理的东西，实际动手能力也得到了很大的提高，对51单片机系统的设计流程有了进一步的了解，通过团队合作，协商分析项目，提高了我的团队协作意识和能力。在本次课程设计中我也遇到了许多的困难，比如用有源蜂鸣器来播放音乐，IIC协议的实现，以及对系统总体构思不完整等问题。在以后的学习中希望能够对51单片机系统的设计更加熟悉，使设计出来的51单片机系统更加易用，更加稳健。9参考文献1沈红卫. 单片机的智能系统设计与实现M.