智能仪表综合训练课程设计报告

内蒙古科技大学智能仪表综合训练课程设计报告题目：数据采集器(LED显示)学生姓名：学号：专业：测控技术与仪器班级：指导教师：目录第1章概述11.1研究背景及其目的意义11.2该课题研究的主要内容内容11.3设计目的2第2章总体方案设计32.1数据采集系统的概述32.2数据采集系统各个组成局部的设计32.2.1单片机的选择32.2.2A/D模数转换的选择42.2.3串行口的选择42.2.4数据采集ADC0832的工作原理42.2.5显示局部的设计62.2.6按键的设计7第3章硬件设计与仿真93.1硬件设计9复位电路9晶振电路93.1.3串口通信电路103.2仿真11第四章软件设计134.1简介KeilUvision4134.1.1keilC51的概述134.1.2keilC51的优点134.2程序设计13第5章调试与总结155.1硬件、软件调试155.2总结16参考文献17附录A：数据采集器硬件原理图〔总图〕18附录B：数据采集器源程序19第1章概述1.1研究背景及其目的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开展，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开展主流方向。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。近年来，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开展，它可以广泛的应用于各种领域。国内现在已有不少数据测量和采集的系统，但很多系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对测试环境要求较高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。基于单片机的多通道数据采集系统是将来自传感器的信号通过放大、输入A/D转换器转换为数字信号后由单片机采集，、后期处理与显示，实现了数据处理功能强大、显示直观、界面友好、性价比高、应用广泛的特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的开展方向得到了迅速的开展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡本钱和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2该课题研究的主要内容内容本设计运用单片机STC89C52进行数据采集的设计，刚刚供电时，用户输入四位密码，如果输入错误，系统就会报警，如果输入正确，单片机就会让电压模拟量〔0-5V〕通过模拟量/数字量转换芯片〔ADC0832〕，送入单片机，进行数据处理之后，通过4个移位存放器〔74LS164〕，静态显示在LED数码管或LCD显示上。实验的模拟量数据是通过一个可调电位器输出0-5V的模拟量，显示是0-1000摄氏度的静态显示。该设计的预期结果就是设计出一套基于单片机控制的测温数字显示系统并能proteus实现仿真。根据要求编写出应用程序，绘制出protel电路图，动手完成实物设计。1.3设计目的在智能仪表课程设计学习中，练习单片机、嵌入式设计的相关技术，实现智能仪表功能要求，具体如下：⑴熟练掌握C语言的相关编程知识⑵了解电子系统的设计方法，稳固和提高学过的根底理论和专业知识⑶掌握ADC0832及其编程方法⑷增强对单片机的认识，掌握分析处理问题的方法，进行调试、计算等根本技能的训练，到达具有一定程度的实际工作能力⑸学会用Protel99se进行电路原理图和PCB图的绘制⑹学习用Proteus、Keil等软件进行电路程序设计和仿真⑺实践嵌入式系统开发流程及相关技能⑻练习设计报告及科技论文的写作标准第2章总体方案设计2.1数据采集系统的概述数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。在该系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机是该系统的根本的微处理系统，它完成数据读取、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。双机通信的串行口可以采用RS232C标准接口，由芯片MAX232实现双机的通信。而数据的显示那么采用的是LED数码管，该器件比拟简单，在生活中接触也较多。数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D,单片机等组成。完成课程设计所需要的系统框图如图2.1所示。图2.1系统框图2.2数据采集系统各个组成局部的设计2.2.1单片机的选择AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器〔RAM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本钱。而本设计选用的是AT89C52.2.2.2A/D模数转换的选择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32μS，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。鉴于在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐逼近式A/D转换器——ADC0809.2.2.3串行口的选择该串行口我选用了标准RS-232C接口，它是电平与TTL电平转换驱动电路。常用的芯片是MAX232，MAX232的优点是：⑴一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。⑵单一电源+5V供电⑶它的电路设计与连接比拟简单而且功能齐全。2.2.4数据采集ADC0832的工作原理正常情况下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使用并与单片机的接口是双向的，所以在I/O口资源紧张时可以将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〔CLK〕输入端输入时钟脉冲，DO/DI端那么使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能。如表2.1所示，当此两位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当两位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当两位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。到第三个脉冲的下降之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端那么开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下降沿开始由DO端输出转换数据最高位Data7，随后每一个脉冲的下降沿DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据Data0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下降沿输出Data0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。时序说明请参照图2.2。表2.1通道地址设置表通道地址通道工作方式说明SGL/DIFODD/SIGN0100+-差分方式01-+10+单端输入方式11+作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0—5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV，即〔5/256〕V。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压那么转换后的数据结果始终为00H。图2.2ADC0832的工作时序图2.2.5显示局部的设计74LS164为8位移位存放器,串行输入数据，然后并行输出。当去除端为低电平时，输出端〔Q0~Q7〕均为低电平。串行数据输入端〔DSA，DSB〕可控制数据。当DSA、DSB任意一个为低电平，那么禁止新数据输入，在时钟端〔CLOCK〕脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当DSA、DSB有一个为高电平，那么另一个就允许输入数据，并在CP上升沿作用下决定Q0的状态。时钟(CP)每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端(DSA和DSB)的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。⑴74LS164芯片引脚功能74LS164芯片引脚功能图如图2.3所示，各个引脚的用处如下：①DSA：数据输入②Q0~Q7：数据输出③DSB：数据输入④CP：时钟输入(低电平到高电平边沿触发)⑤：中央复位输入(低电平有效)图2.374LS164芯片引脚图⑵74LS164如何驱动四位共阴数码管图2.474LS164时序图这里单片机的RXD、TXD都是当作IO口使用的，每个74LS164在收到一个时钟后，D0(DSA/DSB)、Q0~Q6顺次移到Q0~Q7中，而前三个芯片的Q7分别接到后三个的DSA/DSB端，由于它们的时钟都是共用的，所以在时钟输入时，前一个芯片的Q7就通过后一芯片的A/B端锁存到其Q0了，而各芯片原来的Q0~Q6移到Q1~Q7。这样只要连续发送32个时钟就可以把32位数据分别移到4个芯片的32个输出脚上。图2.5共阴数码管图共阴极数码管是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为A、B、C、D、E、F、G及DP〔小数点〕，如图2.6所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的A~DP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。图2.6共阴数码管管脚图2.2.6按键的设计键盘在单片机中是一种常见的输入设备，用户可以向通过键盘输入数据或命令。键盘有两种接口方法：一种是独立按键；另一种是矩阵式按键。在本系统中，由于所需的按键较少，可采用独立式键盘。每只按键接单片机的一条I/O线，通过对线的查询，即可识别各按键的状态。如图2.7所示。4只按键分别在单片机的P1.4~P1.7I/O线上。无按键按下时，P1.4~P1.7线上均输入高电平。当某按键按下时，与其相连的I/O线将得到低电平输入，这四个独立按键用来输入用户密码。图2.7独立按键引脚图硬件设计与仿真3.1硬件设计3.1.1复位电路复位电路如图3.1所示,51单片机是高电平复位，所以先看给单片机加5V电源〔上电〕启动时的情况：这时电容充电相当于短路〔电容特性：通交流，隔直流，上电瞬间相当于交流),你可以认为RST上的电压就是VCC，这是单片机就是复位状态。随着时间推移电容两端电压升高，即造成RST上的电压降低，当低至阈值电压时，即完成复位过程。如果按下SW〔按键复位中的帽子按键〕，确实就是按钮把C短路了，这时电容放电，两端电压都是VCC，即RST引脚电压为VCC，如果超过规定的复位时间，单片机就复位了。当按钮弹起后，RST引脚的电压为0，单片机处于运行状态。51单片机复位要求是：RST上加高电平时间大于2个机器周期，你用的12MHz晶振，所以一个机器周期就是1us，要复位就加2us的高电平即可。图3.1复位电路图3.1.2晶振电路单片内部有单独的振荡电路部份，只不过为了得到稳定精准的频率，一般情况下需要外接一个晶振，它是一个被动器件，外接上就可以了，与内部电路相连就可以正常工作，产生外接晶振标定频率的震荡频率，提供应单片内部时序。用示波器测量晶振的两脚，都可以看到正弦波形。理论上来说，振荡频率越高表示单片机运行速度越快，但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。如同木桶原理。同时单片机性能的好坏，不仅与CPU运算速度有关，而且与存储器的速度、外设速度等都有很大关系。因此一般选用6~12MHZ。并联谐振电路对电容的值没有严格要求，但会影响振荡器的稳定、振荡器频率上下、起振快速性等。所以一般C1、C2选值20~100pF，在60~70pF时振荡器有较高的频率稳定性。陶瓷封装电容可以进一步提高温度稳定性。图3.2晶振电路图3.1.3串口通信电路我们在应用单片机的串口和PC进行串行通信时，通常都需要进行两种不同的电平之间的转换，大家都知道单片机实用的是TTL电平(+5V为高电平，低电平为0V)，而计算机的串口为RS-232C电平，其中高电平为-12V，低电平为+12V。这里要强调的是,RS-232C电平为负逻辑电平。我们平时用得比拟多的电平转换芯片是美信公司生产的MAX232芯片，该芯片可以直接完成以上两种电平的转换。为了更能丰富大家知识，我们也可以在没有MAX232的场合使用分立元件来完成TTL到RS-232电平的转换。如图3.3所示,MAX232的11脚T1IN接单片机TXD端P3.1，TTL电平从单片机的TXD端发出，经过MAX232转换为RS-232电平后从MAX232的14脚T1OUT发出，再连接到系统板上的串口座的第2脚RXD，至此计算机端接收到数据。PC机发送数据时从PC机串口座上的第3脚TXD端发出数据，再逆向流向单片机的RXD端P3.0接收数据。图3.3串口通信电路图3.2仿真为了使设计到达我们预期的效果，所以我们现在Proteus仿真软件的帮助下进行一次仿真测试。。它还可以与keil进行联调，可以更方便的调试程序错误。ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是:(1)现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。(2)支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。(3)提供软件调试功能。如图3.4所示，程序刚刚运行时，数码管显示AAAA，单片机不采集数据，整个系统被锁死。图3.4系统锁死图如图3.5所示,程序设置正确密码为2255，用户通过按键输入密码，当密码输入错误时，系统就会报警。当密码输入正确时，系统就会进入采集状态。图3.5密码翻开图如图3.6所示,系统进入采集状态后，实际输入电压为3.05V，此时，此时系统采集后，通过AD转化，在数码管上显示为3.046V，如图3.7,实际输入电压和采集后的显示电压根本是一致,说明此时,AD采集是没有什么问题的,完全可以正常工作。图3.6实际输入电压图3.7采集显示电压实验的模拟量数据是通过一个可调电位器输出0-5V的模拟量，显示是0-1000℃的静态显示。通过按键切换显示界面，此时显示的温度为609℃，符合标度变换规律，如图3.8所示。图3.8温度显示软件设计4.1简介KeilUvision44.1.1keilC51的概述Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境〔UVISION〕将这些组合在一起。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil的优势。下面详细介绍KeilC51开发系统各局部功能和使用。C51工具包的整体结构，μVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE〕，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件〔.obj〕。目标文件可由LIB51创立生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.abs〕。abs文件由OH51转换成标准的hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。4.1.2keilC51的优点⑴KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能表达高级语言的优势。⑵与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。4.2程序设计软件设计主要分为密码输入、报警、AD采集、数码管显示、标度变换这五个局部，各个模块相互嵌套，组成了整个系统。各个局部以STC89C52为核心，来控制整个系统。程序刚刚运行时，单片机不采集数据，整个系统被锁死，当用户将密码输入正确后，方可进行数据采集。AD采集模块是我们软件编程的核心，由于ADC0832在进行A/D转换时需要有CLK信号，而此时的ADC0832的CLK是接在AT89C52单片机的P3.6端口上，也就是要求从P3.6输出CLK信号供ADC0832使用。因此产生CLK信号的方法就得用软件来实现了；由于ADC0832的参考电压VREF=V，所以转换之后的数据要经过数据处理。在数码管上显示出电压值，实际显示的电压值的关系为V=D/256×VREF。最后进行标度变换，将采集来的电压转化成实际的温度。整个程序流程图如图4.1所示。图4.1程序流程图调试与总结5.1硬件、软件调试单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是根底，如果硬件调试不通过，软件设计那么无从做起。硬件的调试主要是把电路各种参数调整到符合设计要求。先排除硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。一般原那么是先静态后动态。利用万用表检查电路中的各器件以及引脚是否连接正确，是否有短路故障。先将单片机AT89C52芯片取下，对电路板进行通电检查，通过观观察是否有异常，然后用万用表测试各电源电压，这些都没有问题后，接上仿真机进行联机调试观察各个接口线路是否正常。软件调试经过Keil软件编译通过后，在Proteus8.0编辑环境中绘制仿真电路图，将编译好的“1.hex”文件加载到AT89C52里，然后启动仿真，就可以看到仿真效果。仿真成功后，可以做出实物，用实物来最终验证。调试结果图5.1、5.2所示。图5.1电压显示图5.2数据采集5.2总结本设计实现了数据采集，在到达设计要求的同时也具备一定的扩展性，通过简单的软件修改，即可实现采集电压和标度变换的功能。本次设计使我更加深刻的认知到智能仪表控制的在现代仪表控制中的实用性，重要性。在以后的学习中我将加大智能仪表设计的学习。在课设中认知到了整个系统结构紧凑、简单可靠、操作灵活、功能强、性能价格比高，较好地满足现代生产和科研的需要。参考文献[1]周坚.单片机C语言轻松入门[M].北京：北京航天航空大学出版社，2006.[2]江太辉.51系列单片机原理及应用[M].北京：华南理工大学出版社，2004年.[3]张国雄.测控电路[M].北京：机械工业出版社.2001.[4]郭天祥.新概念51单片机c语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.[5]熊壮,张全和.程序设计技术[M].重庆：重庆大学出版社，2006.[6]夏雪生.微机化仪器设计[M].北京：科学出版社，1988年.[7]赵新民.智能仪器原理与设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1991年.[8]李光飞.51系列单片机设计实例[M].北京：北京航天航空大学出版社，2003年.[9]张道德.单片机接口技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007年.[10]吴兴惠.传感器与信号处理[M].北京：电子工业出版社，2009年.[11]方承远.工厂电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2004.[12]张迎新.单片机初级教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2000年.[13]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京：北京航天航空大学出版社，2004年.[14]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航天航空大学出版社，2005年.[15]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社.2004.附录A：数据采集器硬件原理图〔总图〕附图1数据采集器硬件原理图附图2数据采集器硬件PCB图附录B：数据采集器源程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodeLED[]={0x3F,0x06,0x5b,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0X6F,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; intpoint[]={0x80,0x7f,0x7f,0x7f};intdisp_buffer[4];intad;intd1[4];sbitclk_adc0832=P3^6; sbitcs_adc0832=P2^0;sbitdi_adc0832=P3^7;sbitdo_adc0832=P3^7;sbitCLK=P1^1; sbitDIN=P1^0;sbitKEY1=P1^4;sbitKEY2=P1^5;sbitKEY3=P1^6;sbitKEY4=P1^7;//sbitfmq=P2^7;#definepulse0832()clk_adc0832=1;clk_adc0832=0//ÑÓʱº¯Êývoiddelay(intz){inti,j;for(i=z;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}//0832²É¼¯º¯Êýuchargetvalue0832() { uchari,dat1=0,dat2=0; cs_adc0832=0; di_adc0832=1; pulse0832(); di_adc0832=1; pulse0832(); di_adc0832=0; pulse0832(); di_adc0832=1; for(i=0;i<8;i++) { pulse0832(); dat1<<=1; if(do_adc0832) dat1|=0x01; } for(i=0;i<8;i++) { dat2>>=1; if(do_adc0832)dat2|=0x80; pulse0832(); } cs_adc0832=1; return(dat1==dat2)?dat1:0; }voidwrite(intx){inti;for(i=0;i<8;i++){CLK=0;DIN=x&0x80;CLK=1;x<<=1;}}voidwrite1(unsignedlongintx){inti,j;unsignedlonginty;for(j=0;j<4;j++){ if(j) x>>=8; y=x;for(i=0;i<8;i++){CLK=0;DIN=y&0x80;CLK=1;y<<=1;}}}voidHex2Bcd(){inti;floattemp;i=getvalue0832();temp=i*0.01953125;ad=(int)(temp*200); 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