基于单片机的多通道数据监测系统方案

基于单片机的多路数据监测系统基于MCU的多通道数据检测系统毕业设计（论文）作业本题目基于单片机的多通道数据监测系统一、本文的目的和意义温度、压力、液位和流量是工业自动化中常见的控制参数。其监测与控制的实现是一项基础工作，也是机械电子工程专业学生必须掌握的基础内容。本科目要求学生综合运用所学，培养动手能力，在前人工作的基础上提高完善，实现多路模拟工业温度压力液位信号采集与处理显示，实现上下限报警和电磁继电器和开关控制。本课题对完善机电测控实验中心的实验建设具有一定的价值。2.学生应该完成的任务（一）审阅收集资料，熟悉原设计资料，完成不少于10000字的相关外文资料。翻译。(2)完成毕业实习研究并撰写实习报告。(3)现有温度、压力、液位、流量监控系统的调查和数据采集。(4)多通道参数监控系统方案设计。(5)接口电路板的制作加工。(6)实验程序设计与调试。(7)一套完整的程序和对象。（八）组织完成毕业论文不少于24000字。3.论文各部分内容及时间分配：（共12周）第1部分 研究准备和数据收集 （2周）第二部分 方案设计和组件采购 （2周）第3部分 硬件生产 （3周）第IV部分 软件调试 （3周）第五部分 ，写毕业论文 （1周）复习与答辩 复习与答辩 （1周）评论摘要随着电子计算机信息技术的不断发展和完善，单片机实现的数据采集系统的应用越来越多。单片机实现的数据采集系统具有自动化、无人值守的特点。在许多工业测控机械、医疗仪器和消费类电子产品中，对数据采集系统的实时性和功耗提出了更高的要求：即在满足微功耗总体设计原则的基础上和小型化，并能够实时反映现场采集数据的变化。这就对系统的功耗、采样速度、数据存储和传输速度提出了更高的要求。然而，随着半导体和微控制器技术的飞速发展，各种微电子器件的性能不断提高，而功耗不断降低。技术的进步使高速、低功耗数据采集系统的实现成为可能。本文设计的数据采集、显示及处理系统采用TI开发的MSP430系列超低功耗单片机为核心控制元件，实现了8路模拟量数据的采集，自动循环显示，用户查询、限位设置和报警。，外设驱动能力，时间显示，与上位机组态软件通讯功能。系统功能齐全，具有一定的通用性。主要研究内容如下：首先分析了国外数据采集系统技术的研究现状，分析了MSP430系列低功耗单片机的特点和应用。其次，分析了研究数据采集系统的现实意义，并在此基础上给出了基于MSP430单片机的数据采集系统的总体设计方案。详细介绍了系统的硬件电路设计，包括电源电路、按键电路、复位电路、点阵液晶显示电路、LED指示灯和蜂鸣器报警电路、直流电机驱动电路和USART异步串行通信电路等的原理图设计电路。最后详细介绍了基于C语言的软件系统的实现方案。其中，软件系统的设计是本次设计的重点。设计过程采用模块化软件设计思想。本文第4章前6小节详细介绍了系统各模块的软件设计过程。其中组态王的串口通讯程序设计是最具创新性的内容；第7节介绍了这些模块的输入输出关系，最后给出了主处理程序的结构框架。本设计的最终实验结果表明，能够成功实现下位机的数据采集与显示、查询、报警等功能；与组态王的串口通信程序设计取得了明显的效果。关键词：数据采集MSP430串口通讯目录第1章引言11.1数据采集系统概述11.1.1嵌入式系统概述31.1.2嵌入式数据采集系统介绍31.2数据采集系统发展方向31.3本研究的主要内容及组织结构7第2章基于MSP430的数据采集系统系统设计62.1基于MSP430的数据采集系统系统搭建62.1.1系统功能分析62.1.2系统硬件框图72.1.3系统工作流程82.2系统主要功能器件介绍与选型82.2.1MCU8的选择2.2.2传感器介绍112.2.3AD转换模块结构介绍112.2.4LCD显示模块的选择142.2.5上位机处理系统软件的选择15第三章基于MSP430的数据采集系统硬件设计173.1电源电路设计173.2复位电路设计183.3模拟采集电路设计183.4位图形点阵液晶显示电路193.5按键处理电路203.6串行通信电路设计213.7报警系统及外围驱动模块电路设计233.7.1报警电路设计233.7.1电机驱动电路设计243.8单片机电路设计24第4章基于MSP430的数据采集系统软件设计264.1系统时钟模块的初始化设置284.2模拟量采集模块软件设计284.2.1转换模块的初始化设置284.2.2转换数据的读取284.2.3转换数据的格式304.2.4ADC12模块的启动314.3输入模块软件设计324.3.1输入模块的初始设置324.3.2中断处理程序344.4显示模块软件设计424.4.1LCD初始化设计424.4.2LCD显示设计434.5串口通信模块软件设计454.5.1组态王与MCU46的通信协议4.5.2MCU通讯编程494.6报警系统及外围驱动电路模块软件设计564.6.1报警系统软件设计574.6.2外设驱动模块软件设计584.7主处理模块编程60第5章调试和运行系统63系统物理电路的构建63机设计功能调试635.1组态王6.5163串口通讯调试结论68到69参考70附录1：电路原理图71附录2：程序72附录三：实习报告72MSP430F44X系列器件采用100引脚PLASTIC100-PINQFP封装，其引脚如图2-4所示。2.2.2传感器介绍传感器是一种能够感知外部信息并将这些信息按照规则模式转换为可用信号的设备。传感器是系统对环境或被感知物体的传感元件，其分辨率和精度对整个系统的精度影响很大。在本系统中，所使用的传感器应能将被测非电量信号转换成与其有确定对应关系的电量信号。传感器有很多种。就其感知外界信息的原理而言，可分为：（1）物理：基于力、热、光、电、磁、声等物理效应；（2）化学：基于力、热、光、电、磁、声等物理作用的化学反应原理；(3)、生物：基于酶、抗体和激素等分子识别功能。一般按基本传感功能可分为十大类：热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、辐射-敏感元素、颜色敏感元素和味觉敏感元素。.2.2.3A/D转换模块结构介绍由于本数据采集系统采用的核心处理器为MSP430F449，器件集成了12位精度的模数转换模块ADC12。这使得系统A/D转换模块的结构设计非常简单。由于A/D转换的参考是电压，如果传感器获得电流信号，只需将电流转换成电压即可；如果传感器获得电压信号，则可以直接使用。这里只简单介绍A/D转换及其原理。在MSP430的仪表等实时控制及应用系统中，控制或测量对象的相关变量往往是一些不断变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量。利用传感器测量各种物理量，转换电信号，通过模数转换（ADC）将其转换为数字量，使模拟量可以通过MSP430进行处理和控制。在分析或设计MSP430ADC相关应用时，会设计与性能指标相关的术语。理解这些术语对于理解应用ADC模块非常重要。ADC模块常用的性能指标如下：解析度。分辨率表示输出数字量改变相邻数字量所需的输入模拟电压的变化。它定义为转换器满量程电压与2ⁿ之比，其中n是ADC的位数，因此分辨率与ADC相同。位数。ADC中的位数越多，数据采集的精度就越高。量化误差。量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由有限数对模拟值的离散值（量化）引起的误差。因此，量化误差理论上是一个单位分辨率或±1/2LSB。增加分辨率可以减少量化误差。转换精度。ADC模块的转换精度在量化上反映了实际ADC模块与理想ADC模块模数转换的差异，可以表示为绝对误差或相对误差，类似于a的定义通用测量仪器。转换时间。指ADC模块完成一次模数转换所需的时间。转换时间越短，越能适应输入信号的变化。转换时间与ADC模块的结构和位数有关。此外，还应考虑使用的电压范围、工作温度、接口特性和输出形式等性能。MSP430ADC12模块的结构原理如图2-5所示：图图2-4ADC12结构原理图从上图可以看出，ADC12由以下功能模块组成：参考电压发生器所有模数转换模块(ADC)和数模转换模块(DAC)都需要参考信号，通常是电压参考。ADC的数字输出表示模拟输入与其参考的比率；DAC的数字输入表示模拟输出与其参考的比率。一些转换器需要内部参考，而一些转换器需要外部参考。MSP430ADC12设置参考电源，参考电压有6种可编程选择，为和的组合。其中，有（模拟电源正端）、（A/D转换器参考电源正端）和（外部参考电源正输入端），VR-包括（模拟电源负端）和（A/D转换设备参考电源的负端-外部或外部）。模拟多路复用器在对多个模拟信号进行采样并进行A/D转换时，为了共享一个转换内核，模拟多路复用器需要时分开启多个模拟信号，即一次采样转换一个信号。MSP430ADC12配备8个外部通道和4个外部通道，通过A0~A7实现外部8个模拟信号输入，4个外部通道可以使用、、、和芯片温度传感器的输出作为模拟输入信号进行转换.这样就可以同时测量和控制多路模拟信息，从而满足实际控制和实时数据处理系统的要求。具有采样和保持功能的12位转换器内核ADC12内核是一个12位模数转换器，可以将结果存储在转换存储器中。内核使用两个可编程参考电压(和)来定义转换的最大值和最小值。当输入模拟电压等于或高于时，ADC12输出满量程值0FFFH，当输入电压等于或小于时，ADC12输出0。输入模拟电压的最终转换结果满足这个通告：由于A/D转换需要一定的时间来完成量化和编码操作，当对高速变化的信号进行瞬时采样时，在A/D转换完成之前，采样值已经发生变化。为保证转换精度ADC12内核具有采样保持功能，即使现场模拟信号发生快速变化，也不会影响ADC12的转换。采样状态，输出随输入变化，保持状态，输出保持一定值一段时间，为转换做准备。ADC12内核接收到模拟信号输入，并有内容转换的相关信号后，开始进行AD转换。当没有模拟信号转换时，为了省电，可以通过位ADC12ON关闭转换内核。采样和转换所需的顺序控制电路这部分提供了采样转换所需的各种时钟信号：ADC12CLK时钟、SAMPCON采样转换信号、SHT控制的采样周期、SHS控制的采样源选择、ADC12SSEL选择的内核时钟、ADC12DIV选择的分频系数等。在时序的控制下，ADC12的各个组件可以协同工作。转换结果缓存ADC12共有12个转换通道，设置了16个转换存储器，用于暂存转换结果。经过合理设置后，ADC12硬件会自动将转换结果存入对应的ADC12MEM寄存器中。每个转换存储器ADC12MEMx都有自己对应的控制寄存器ADC12MCTLx。控制寄存器控制每个转换存储器必须选择的基本转换条件。ADC12的主要特点总结如下：12位转换精度，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差。ADC12模块提供多种时钟源，模块本身自带时钟发生器。设置温度传感器。Timer_A、Timer_B硬件触发。配置8个外部通道和4个外部通道。设置参考电源，参考电压有6种组合。有4种模数转换模式。16字转换缓存。ADC12可以关闭内核以支持超低功耗应用。采样速度快，可达200Ksps。自动扫描。DMA功能。2.2.4LCD显示模块的选择液晶的种类很多，分类方法也很多。按显示方式可分为：段液晶、字符液晶、图形液晶等。段型主要用于显示数字等简单符号；字符型LCD主要用于显示数字和英文字母。点阵图形液晶模块的功能比较强大，不仅可以显示数字、英文字母和汉字，还可以显示图形。在本系统中，由于要显示汉字，液晶模块选用了低功耗点阵形式的液晶模块ZJM12864BSBD。12864点阵液晶显示模组（LCM）是由128×64个液晶显示点组成的128列×64行的阵列。每个显示点对应一个二进制数，1表示开启，0表示关闭。存储这些点阵信息的RAM称为显示数据存储器。显示某个图形或汉字，就是将相应的点阵信息写入相应的存储单元。当然，图形或汉字的点阵信息是自己设计的。问题的关键在于液晶显示屏上显示点的位置（行列）与其在内存中的地址之间的关系。由于大部分液晶模块的驱动电路是由一个行驱动器和两个列驱动器组成，所以12864液晶屏实际上是由左右两个独立的64×64液晶屏组成，每半屏有一个512×8液晶屏幕。位显示数据RAM。左右半屏驱动电路和存储器分别由片选信号CS1和CS2选择。（为了简化用户设计，少数厂家在模块中加了解码电路，使128×64液晶屏为一整屏，只需要一个片选信号。）该液晶模组的详细使用将在下一章介绍。现仅列出该液晶模组的特点如下：显示格式：128点（列）×64点（行）；显示类型：STN黄绿模式，透反，透反，6:00视角，正向显示；驱动方式：1/64占空比；易于连接8位MPU；多功能指挥；上电自动复位；控制芯片：KS0107B、KS0108B；EL背光源：AC110V，400HZ；工作电压：+5.0V±0.5V。2.2.5上位机处理系统软件的选择目前，很多测控系统都是由PC机和单片机控制装置组成。单片机采集现场的数据和状态，通过串口传输到PC机进行分析、存储和显示。PC的命令通过串口传输到单片机。,来控制设备的运行。为了扩展数据采集系统的功能，决定采用工业控制软件开发上位机数据处理与控制系统。在工控软件的使用中，我们经常提到配置这个词，配置就是英文的“Configuration”。简单来说，配置就是使用应用软件中提供的工具和方法来完成项目中特定任务的过程。配置软件很专业。一个组态软件只能适用于某个应用领域。组态的概念最早出现在工控机控制中。如DCS（分布式控制系统）配置、PLC（可编程控制器）梯形图配置。虽然配置是在不编写程序的情况下完成特定的应用程序。但是为了提供一定的灵活性，组态软件也提供了编程手段，一般都内置在编译系统中，提供类BASIC语言，有的甚至支持VB。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：WinCC、iFix、Intouch、组态王、力控等。本系统选用的上位机加工组态软件为“组态王6.51”。“组态王6.51”是一款性能卓越的国产工控组态软件。为用户提供解决实际工程问题的完整解决方案和开发平台，可完成现场数据采集处理、趋势曲线绘制、报表输出等功能。组态王为数据采集和控制的底层设备提供了大量的驱动，但大多是针对知名厂商的板卡和模块，没有用户设计的采集和控制设备的驱动。但组态王提供了一些通用的数据交换标准协议。组态王提供的单片机通用通信协议可以支持HEX类型和ASC=2\*ROMANII类型，其中HEX类型效率更高。本文选择使用HEX单片机通信协议。第三章基于MSP430的数据采集系统硬件设计通过第2章的介绍，我们知道该系统主要包括：A/D转换模块、点阵液晶显示模块、按键处理模块、USART异步串行通信模块、外围电路驱动模块、与电源连接的五个功能模块供电电路，复位电路由这两个基本模块组成。3.1电源电路设计考虑到数据采集系统可能在不同的环境下使用，在系统设计时提供了一种更加灵活的供电方式：可以采用外接电源供电，也可以采用电池供电。电源电路设计如下图3-1所示：图图3-1电源管理电路供电方式的原理及选择方法：外接电源：使用外接电源时，必须按以下步骤连接：将变压器连接器连接到AC9V_IN接口。当连接器J1的P2和P3短接时，系统选择外部电源供电。连接器J2的EXT_ACC和VCC短接。变压器得到的外接交流电经整流滤波后得到9V直流电，再通过LM317和RH5RL36AA分别得到5V和3.6V直流电。其中3.6V给MSP430F449使用，5V给其他用电器件（这里主要是蜂鸣器和继电器）。电池供电。由于MSP430F449是一款低功耗器件，因此在某些应用中它可以使用自己的电源电池供电。此时，只需将连接器J2的JTAG_VCC和VCC短接即可。3.yzzygj./188金宝博/4.ssscgs./188金宝博/_By-gnksguybb3.2复位电路设计在单片机系统中，单片机需要复位电路。复位电路可以使用RC复位电路或复位芯片复位电路。RC复位电路经济，但可靠性不高。该复位芯片实现的复位电路具有高性能。因此，为保证复