多路数据采集系统设计报告.docx

1、多路数据采集系统设计报告第 1 章 绪论设计目的及要求 21.1绪 论 21.2 设 计目 的 21.3 设 计要 求 2第 2 章系统总 体方 案选 择与说明 32.1 硬件设 计框 图 32.2 软件设计框 图 4第 3 章 数据采集系统概述、工 作原 理及其说明 53.1 数据采集系统概 述 53.2 工作原理及其说 明 5第 4 章 各单元硬件设计及说明 74.1 单片机的时钟 源 74.2ADC0809 （模数转换芯片） 104.3程序存储器和数据存储器电路设 计 11第 5 章 软件设计与说明 125.1设计条件 125.3模块程序设计 15第 6 章 调试步骤及使 用说明 21第

2、 7 章 设计总结 22参考文献 23附 录 24A、 系统电路原理图： 24B、 程序 25电气信息学院 课程设计评分表 31第 1 章 绪论 设计目的及要求1.1绪 论随着计算机技 术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地 得到应用。 在生产过程中 ，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行 采集，监视和 记 录，为提高 产品质量，降低成本提供信息和手段。在科学 研究中，应用 数据 采集系统 可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程 的有力工具， 也是获 取科学 奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个应用 领域中，数据 采集与处 理越 及时，工作效率就越高，取得的经济效益也越 高。本设计采 用

3、 ATMEGA1单片机作为数据采集系统的控 制核心，系统分为数据采集模 块、 A/D转换模块、系统控制模块、键盘模块、显示模块等几部分。1.2设 计 目 的利用单片机为 核心设计一个多路数据采集系统，要求每个通 道的信号 经A/D转换后以10进制数在LED显示器上显示，并能够通过键盘操作切 换显示不同通 道的采样值。1.3设 计 要 求本课题要求利用单片机为核心设计一个八路数据采集系统， 要求 每个 通道的信号经 A/D 转换后以 10 进制数在 LED 显示器上显示， 并能够通 过键盘操作切换显示不同通道的采样值。 本系统中包括 8 路 模拟量输 入， 范围 0-5V 。 要求对 8 个通道

4、的模拟量进行巡回采样， 再将采集的数据进行工程量 化转换后在LED显示器上显示，并能 通过按键切换所选通道的采样数据。第2章系统总体方案选择与说明2.1硬件设计框图典型数据采集系统配置如图2.1所示，有的已实 现集成化，多个传感 器的预处理电路输出接入多路模拟开关，然后经过取样 /保持电路和A/D转换后进入CPU系统。图2.2 典型数据采集系统配置图(1)传感器是经典的利用 各种原理将被测物理量转化为电信号。(2)预处理模块是将模拟 信号进行调整、放大，在模拟电路方便实现的基础上对信号进行自动补偿、自动校正，抑制温漂的模 块。(3)数据采集A/D模块将模拟信号进行采样、量化，转化为数字 信号.

5、(4)计算机可能为PC机、单片机或其他专用处理器，具有数据存 储、记忆与信息处理功能，具有判断、决策处理功能。2.2软件设计框图开始信号选择单通道/八通道循环图2.2软件设计框图第 3 章 数 据 采集系统概述、 工 作原 理 及其说明3.1数据采 集系统概述数据采集是信 息科学的一个主要组词成部分，信息技术的核 心 是信息 获取，通信和 计算机技术，常被称为3C技术，其中信息获取是基础和前 提。数据采集 是获取信息的主要手段，它随着科学技术的进 步而得到迅速 发展。目前各 种各样的数据采集系统已得到广泛应用，新型 数据采集系统 仍不断涌现。随着科学技术 的发展与普及，数字设备正越来越多地取代

6、模 拟 设备， 在生产过程控 制和科学研究等广泛领域中，计算机控制技术 正发挥着越来 越主要的作用 ，然而外部世界的大部分信息是以连续变化的 物理量形式出 现的，例如温 度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入 计算机进行处 理，就必须先 将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码 ，从而变成数 字量，这个过 程就是数据采集。数据采集系统 是计算机与外部世界联系的桥梁。数据采集技 术是信息 科学的主要组 成部分，它是以传感器技术、信号检测与处理 、电子学、计 算机技术等方 面技术为基础而形成的一个综合应用技术学科 ，已广泛应用 于国民经济和 国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发 展，尤其是计

7、 算机技术的发 展与普及，数据采集技术有广阔的发展前景。3.2工作原 理及其说明1、采用80C52单片机和ADC0809勾成一个八路数据采集系统。2 、 能够顺利采集 各 个通道的信号。3、 采集信号的动态范围：05V。4、 每个通道采样 速率： 100 sps。5、 在面包板上完成电路，将采集的数据送入单片机 70H-77H存储单元6 、编写相应 的单片机采集程序到达规定的性能：8 路输入模拟信号数值显示电路由 A/D 转换、数据处理及显示控制等组成。A/D转换由集成电路0809完成。0809具有8路模拟输入端口，地址线（2325脚）可决定对哪一路模拟输入作 A/D转换。第22脚为地址锁存

8、控制，当输入 为高电平时，对地址信号进行锁存； 6脚为测 试控制，当输 入 一个2微秒宽脉冲时，就开始A/D转换；7脚为A/D转换结束标志，当A/D 转换数据结束时，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；10脚为0809的时钟输入 端， 利用单片机 30脚的六分频 晶振信号再通过 74hc1 93二分频得到 。单 片机的 P1、P3端口作4位LED数码管显示控制，P0端口作A/D转换数据 读入用， P2端口用作A/D转换控制。第4早各单元硬件设计及说明4.1单片机的时钟源4.1.1单片机时钟源电容C1、C2和晶振（6MHz）组成803

9、1的外部时钟源电路（如图4.1.1 ）, 将C1、C2和晶振组成的回路称为LC并联谐振回路，晶振起电感的作用,谐 振频率由晶振的频率所决定，8031单片机的晶振可以选1.2MHz12MHz电容C1、C2的取值一般在20Pf100pF之间（在 60pF70pF时，频率比较稳定）。1 - 1YI11| -1 CI*-L t |*nl 3TO-CSr图4.1.1单片机时钟源采用80C52单片机作为数据处理及显示芯片， 80C52的芯片管脚图如下：图3.1 80C52单片机引脚图各管脚说明：VCC（ 40）: 供电电源 GND（ 20）:接地P0 （ 3239） 口： P0 口为一个8位漏级开路双向I

10、/O 口，每脚可吸 收8TTL门电流。当P1 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/地址的第八位。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外部必须被拉高。P1（ 18）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 口作为第八位地址 接收。P2（ 2128）口： P2 口为一个内部上拉电

11、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（ 1017）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

12、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 口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能表4.1 80C52单片机P3 口引脚功能端口引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0 （外部中断0）P3.3INT1 （外部中断1）P3.4T0 （定时器0）P3.5T1 （定时器1）P3.6WR （外部数据存储器写选通）P3.7RD （外部数据存储器都选通）RST（9）: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。PSEN（ 29

13、）: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/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（ 31）: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 （ 18）:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 （ 19）:来自反向振荡器的输出。电容C1、C2和晶振（6MHz）组成8031的

14、外部时钟源电路，将 C1、C2 和晶振组成的回路称为LC并联谐振回路，晶振起电感的作用，谐振频率 由晶振的频率所决定，8031单片机的晶振可以选1. 2MHz12MHz电容C1、C2的取值一般在20Pf100pF之间（在60pF70pF时，频率比较稳定）4.2ADC0809 （模数转换芯片）本系统采用ADC0809来转换模拟信号，其管脚图如下:图4.2 ADC0809引脚图ADC0809引脚功能说明IN0IN7 （ 15,2628） : 8路模拟量输入端。2-1 2-8 （ 8.14.15.17.18.19.20.21 ） : 8 位数字量输 出端。ADDA ADDB ADDC（2325） :

15、 3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE （ 22）:地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START （ 6） : A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）OEOC（ 7） : A/ D转换结束信号，输出，当A/ D转换结束时，此 端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE （ 9）:数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换 结束时，此端输入一个高电平，才 能打开输出三态门，输出数字量。CLK（ 10）:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KH乙REF（ +）、REF （-） （ 12.1

16、6）:基准电压。VCc（ 11）:电源，单一 + 5V。GND（ 13）:地。4.3程序存储器和数据存储器电路设计EPROM271是8031单片机的程序存储器，用于存放指令，常数及 表格。 其地址范围为0000H07FFH片选端CS接地，表示2716总是处于选通状 态 开机后，由8031的PSEN空制OE端（低电平有效），自动执行从0000H开始的程序。如果从 EPRO中取常数或查表，则需要执行 movcaa+dpTR令。RAM611是8031单片机的数据存储器，用于存放采集 的数据及数据的 计算与处理结果等。它的地址范围也是0000H07FFH但不会与 EPROM271的地址发生冲突。因为它

17、的片选端CS是通过8031的地址线控 制的。当地址线P26 =0时，RAM611才选通。8031 执行MOVXDPTR指令可以产生WR信号，将累加器A的内容送片外数据 存储器。执行MOVXA, DPT指令可以产生-RD信号，将片外数据存储器由 DPTF指 定的地址单元 中的内容送至累加器 A。DPTF表示16位的地址计数器的内 容，它可以通过执行MOVDPTA #addrl6指令被赋值。第 5 章 软件设计与说明5.1 设计条件本系统8路模拟量输入，范围0-5V。要求对8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 过按键切换所 选通道的采样数据

18、。5.2编程思 想和 流程图编程思想：根 据硬件电路图，我们应用汇编语言进行编程。 首先在 P2.4 和 P2.3 引脚提供正脉冲，启动 A/D 转换， 因转换需要一定的时间，所以 需 延时等待； 然后读取数据，利用软件编程，将二进制数转 换为十进制数， 送 到数码管显 示；从左到右轮流点亮显示器各位，对于显示 器的每一位来 说， 每隔一段 时间点亮一次，利用人的视觉暂留功能可以看 到整个显示， 但必须 保证扫描速度足够快，字符才不闪烁，利用单片机的 P1 口提供显 示段码， P3 口的低四位提供位码，数码管的第一位显示通道数，后三位显 示0255的采集数据。流程图如下所示：N5.2.1主程序

19、流程图522模数转换流程图5.3模块 程序设计1、初始化程序系统上电时，将70H77H内存单元清0, P2 口置1.在刚上电时，因70H77H内存单元的数据为0,则每一通道的数 码管显示值都是000.当进行一次测量后，将显示出每一通道的AD转换 值。每个通道的数据显示时间在1S左右。主程序在调用显示程序和测 试程序之间循环,其流程图如 5.1.1 。汇编程序：MAIN: LCALLDISPLAY；显示数据一次LCALLTEST；测量一次AJMPMAIN;返回MAIN循环NOP;PC值出错处理NOP;空操作NOP;空操作LJMPSTART;重新复位启动DISPLAY： MOVR3,#08H; 8

20、 路信号循环显示控制MOVR0,#70H;显示数据初值（ 70H77H）MOV7BH,#00H;显示通道路数（ 07）DISLOOP：1 MOV A,R0;显示数据转为 3 位十进制BCDMOVB,#100;7AH 79H 78H显示单元内DIVAB;显示数据除 100MOV7AH,A;商入 7AHMOVA,#10;A放入数10XCHA,B;余数与数 10 交换DIVAB;余数除 10MOV79H,A;商入 79HMOV78H,B;余数入 78HMOVR2,#0FFH;每路显示时间控制 4ms*255DISLOOP：2 LCALLDISP;调4位LED显示程序DJNZR2,DISPLOOP2;

21、每路显示是时间控制INCR0;显示下一路INC7BH;通道显示数值加 1DJNZR3,DISLOOP116；8 路显示未完转 DISLOOP1 再循环RET；8 路显示完子程序结束LED共阳显示子程序,显示内容 78H7BH,数 据在 P1 输出, 列 扫描在P3.0P3.3口DISP：MOVR1,#78H；赋显示数据单元 首地址MOVR5,#0FEH；扫描字PLAY：MOVP1,#0FFH；关显 示MOVA,R5；取扫描字ANLP3,A；开显示MOVA,R1；取显示数 据MOVDPTR,#TAB；取段码表 首地址MOVCA,A+DPTR；查显示数 据对应段码MOVP1,A；段码放入 P1 口

22、LCALLDL1MS；显示 1msINCR1；指向下一 地址MOVA,P3；取 P3 口扫描字JNBACC.3, ENDOUT;4位显示完转ENDOUTRLA；扫描字循 环左移MOVR5,A；扫描字放 入 R5 暂存MOVP3,#0FFH；显示暂停ALMPPLAY;转PLAY循环ENDOU：TMOVP3,#0FFH；显示数据,端口置 1MOV P1,#0FFHRET ；子程序返回LED数码显示管用共阳段码表，分别对应 09,最后一个是“熄灭符”TAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,1ms延时子程序，LED显示用DL1M

23、S:MOVR6,#14HDL1：MOVR7,#19HDL2：DJNZR7,DL2DJNZR6， DL1RET3、 显示子程序采用动态扫描法实现4位数码管的数值显示。测量所得的AD转换 数据放70H77H内存单元中。测量数据在显示时需经过转换成十进制 BCD码放在78H7BH中，其中7BH存放通道表指数。寄存器R3用作8 路循环控制，R0用作显示数据地址指针。4、 模数转换测量子程序模数转换测量子程序是用来控制对0809八路模拟输入电压的AD转 换，并对应的数值移入70H77H内存单元，其流程图如5.1.2。 TESTCLRA；清累加器AMOVP2,A；清 P2 口MOVR0,#70H；转换值存

24、放首地址MOVR7,#08H；转换 8 次控制LCALLTESRART；启动测试WAIT：JBP3.7， MOVD；等 A/D 转换结束信号后转MOV：DAJMPWAIT； P3.7 为 0，等待18TESTAR：T SETBP2.3;锁存测试通道地址NOP;延时 2 微秒NOPCLRP2.3;测试通道地址锁存完毕SETBP2.4;启动测试，发开始脉冲NOP;延时 2 微秒NOPCLRP2.4;发启动 脉冲完毕NOP ；延时 4 微秒NOPNOPNOP ；子程序 调用结束RET取A/D转换数据至70H77H内存单元MOV：D SETBP2.5; 0809 输出允许MOVA,P0;将 A/D 转

25、换值入 AMOVR，0 A;放入内 存单元CLRP2.5;关闭 0809 输出INCR0;内存地 址加 1MOVA,P2;通道地 址移入 AINCA;通道地 址加 1MOVP2，A;通道地 址送 0809CLRC;清进位 标志CJNEA,#08H,TESTCON;通道地址不等于 8 转TESTCO在 测试JC TESTCON;通道地址小于8转TESTCO在测试CLRA;大于或等于8, A/D转换结束，恢复端口MOVP2，A; P2 口置 0MOVA, #0FFHMOVP0，A; P0 口置 1MOVP1，A; P1 口置 1MOVP3，A; P3 口置 1RET;取 A/D 转换数据结束LCA

26、LLTESTART;再发测试启动脉冲LJMPWAIT;跳至 WAIT等待A/D转换TESTCON:结束信号END ；程序结束第 6 章 调试步骤及使用说明由于程序比较多，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。运行后，观察有无键盘显示功

27、能。 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的。第 7 章 设计总结课程设计是培 养学生综合运用所学知识 ,发现, 提出,分析和解决实际 问题,锻炼实践能力的重要环节 , 是对学生实际工作能力的具体训练和考 察 过程. 随着科学技术发展的日新日异，单片 机已经成为当今计算机应用中 空前活跃的领 域， 在生活中可 以 说得是无处不在。因此作为二十一世纪 的大学来说掌 握单片机的开发技术是十分重要的。回顾起此次单 片机课程设计，我仍感慨颇多，的

28、确，从选题 到定稿， 从理论到实践 ，在接近两星期的日子里，可以说得是苦多于 甜，但是可以 学到很多很多 的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的 知 识，而且学 到了很多在书 本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计 使我懂得了理 论与实际相结 合是很重要的，只有理论知识是远远不够的， 只有把所学的 理论知识与实 践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正 为社会服务， 从而提高自己 的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的 过 程中遇到问 题，可以说得 是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到 过各种各样的 问题，同时在 设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前 所学过的知识 理解得不够深

29、刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件 的 使用方法， 对单片机汇编 语言掌握得不好通过这次课程设计之后， 一定把以前所 学过的知识重 新温故。这次课程设计 终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问 题，最后 在同学们的探 讨下在蔡老师的辛勤指导下，终于游逆而解。 同 时，在蔡老 师那里我学得 到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时， 对给过我帮助 的所有同学和 各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献1. 单片机应 用系统设计 何立民 编 北航出版社2.单片机原 理及应用 王迎旭 主编 机械工程出版社3.51 系列单片机设计实例 楼然苗 等编 北航出版社4.51 单片机应用系统开发典型实例戴家 等编 中国电力出版 社5.单片微型计 算机原理及接口技术陈光东 等编 华中科技大学出版 社6.单片机实用 系统设计技术房小翠 编 国防工业出版社附录A、系统电路原理图:4LLk E N d犀 亡已3-c nW，乡鬲EC E