单片机实时数据采集显示系统设计Word文件下载.docx
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ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyZHAOXiao-ting
Abstract:
Thispaper
introducesthedesignand
simulation
ofhardwareand
software
ofrealtimedataacquisitionsystemcontrolledbysinglechipmicrocomputer.ThehardwaredesignusesasinglechipAT89C51,characterliquidcrystaldisplay（HD44780controller）,LCDdisplay（KS0108controller）andA/DconverterAD1674toformacompletemicrocomputercontrolsystem,andusingthe8255AchiphasexpandedtheAT89C51I/Oport.Systemusesamodulardesignconcept,throughtheCprogramminglanguage,themainprogramfortheA/Dconversionmoduleandliquidcrystaldisplaymodule.Finally,systemconductsthesoftwareandhardwaresimulationontheProteusplatform,realizingthe
requirements
of
performanceindicatorsaboutthesystem.
Keywords：
Realtimedataacquisition；
LCD；
Clanguage
目录
1引言
数据采集系统起始于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，在科学实验、地震数据采集等领域已经得到应用。
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。
近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。
该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。
该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样频率有50Hz、100Hz、200Hz。
由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由三部分组成：
（1）传感器：
利用先进的传感技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；
（2）计算机接口：
将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次每秒；
（3）软件：
中文及英文的应用软件。
同时工业生产控制系统中离不开显示，而液晶显示控制器的应用越来越广泛。
此课题结合工业控制系统中常用的几种液晶显示控制器，用单片机对其进行控制。
以Proteus为设计和仿真平台，对字符液晶显示器和图形液晶显示器进行各种显示控制设计，目的在于扩展单片机控制系统知识，熟练掌握几种常用的液晶显示器的控制原理和使用方法，为日后综合控制系统中液晶显示器的使用打下坚实基础。
本设计分为A/D转换部分和LCD液晶显示部分两部分设计：
A/D转换部分是通过选择一路模拟通道输入，进入A/D转换器进行转换，转换后送入单片机进行处理，同时通过滑动变阻器进行数值的变换。
LCD液晶显示部分分曲线图显示部分和数值字符显示部分，通过其控制器与单片机的接口编程实现正确显示。
而本设计具体的技术要求如下：
●双液晶屏显示，一个显示数值字符，一个实时绘图（二维），温度用一位小数和两位整数表示，并能显示负值；
●要求A/D转换器的精度在12位；
●单片机采用AT89C51，在Keil中用汇编或C语言进行编程；
●在Proteus对系统进行仿真并调试出结果。
要做到以上要求就需要对设计需要的每一个元件其作用十分清楚，进行正确的单片机接口电路的设计，再通过软件编程实现实时数据的显示。
2系统方案设计
2.1系统设计框图
系统设计框图如图1所示。
图1系统设计框图
系统是以单片机为核心器件，控制LCD进行图形和字符的显示。
采用A/D转换器将输入的模拟信号转换成数字信号后送入单片机进行处理，后由单片机送出，通过I/O扩展芯片将采集转换后的数据分别送入字符液晶显示器和图形液晶显示器进行显示。
当然两个液晶显示器的一些引脚还要受单片机的控制，这样不断改变采集数值，实现实时采集系统的设计。
2.2器件的选择
（1）单片机的选择
单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。
此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路（I/O口），还有可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路（LCD和LED驱动电路）、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机系统。
单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，再用KeilC把程序下载到单片机内。
考虑到应用的灵活性，方便性，在此设计中选择AT89C51单片机[1]。
（2）A/D转换器的选择
A/D转换器根据需要有8位、10位、12位、16位等，位数越多分辨率越高，价格也就越昂贵，因此就有了以下几种分类：
●逐次逼近型：
它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。
●积分型：
此类型其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。
●并行比较型：
此类型采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称Flash（快速）型。
由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，一般情况下不建议使用。
根据以上几种分类的介绍以及所了解的实际应用情况，在此采用逐次逼近型的。
又考虑到设计所需要的精度要求在此选择了12位A/D转换器AD1674。
（3）LCD显示器的选择
由于设计技术的要求和应用广泛性的要求在此选择了采用LGM12641BS1R（KS0108控制器）进行汉字和图形的显示，采用LM016L（HD44780控制器）进行数值字符的显示，即为温度数值的显示。
这部分采用8255A芯片来扩展单片机的输入输出口，从而实现将同一数据进行字符和图形的显示，同时显示的汉字和图形所用的代码是通过点阵取模软件获得的。
3系统硬件组成及接口电路设计
3.1系统硬件组成
本设计中采用单片机AT89C51、12位A/D转换器AD1674、字符液晶显示器（HD44780控制器）LM016L、图形液晶显示器（KS0108控制器）LGM12641BS1R、可编程扩展I/O口芯片8255A、74LS373地址锁存器，74LS138译码器等器件组成。
通过对各自的控制，实现系统的设计。
系统硬件接线原理图见附录所示。
AT89C51是硬件电路组成的核心器件，所有的器件都要通过它来工作，所以在此先简单介绍一下。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，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（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
主要性能参数：
●4k字节可重擦写Flash闪速存储器；
●1000次擦写周期；
●全静态操作：
0Hz～24MHz；
●128×
8字节内部RAM；
●32个可编程I/O口:
P0～P3，每一个I/O口都有8位；
●2个16位定时/计数器；
●5个中断源；
●可编程串行UART通道；
●低功耗空闲和掉电模式；
除此之外它本身具有振荡器和时钟电路，掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位；
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作[2]。
AT89C51引脚结构图如图2所示。
图2AT89C51引脚结构图
如图所示它共有40个引脚，其中40和20引脚分别为VCC和GND,在此隐藏了。
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/数据总线复用口；
P1、P2和P3全是内部带上拉电阻的8位双向I/O口；
P3口除了作为一般的I/O口线外，还可以作控制端口；
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据；
RST：
复位输入；
ALE：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节；
：
程序储存允许输出,是外部程序存储器的读选通信号；
外部访问允许使能端；
XTAL1：
反相振荡放大器及内部时钟发生器的输入端；
XTAL2：
反相振荡放大器的输出端。
3.2系统接口电路设计
3.2.1AD1674与AT89C51的接口电路
AD1674是美国AD公司推出的一种12位带并行微机接口的逐次逼近型模/数转换芯片。
该芯片内部自带采样保持器（SHA）、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器[3]。
AD1674的基本特点和参数如下：
●采样频率为100kHz；
●转换时间为10µ
s；
●具有±
1/2LSB的积分非线性（INL）以及12位无漏码的差分非线性（DNL）；
●满量程校准误差为0.125%；
●内有+10V基准电源，也可使用外部基准源；
●四种单极或双极电压输入范围分别为±
5V，±
10V，0V～10V和0V～20V；
●数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口；
●采用双电源供电：
模拟部分为±
12V/±
15V，数字部分为+5V；
●使用温度范围:
AD1674A/B为-40℃～85℃（I级）；
●采用28脚密封陶瓷DIP封装形式。
AD1674的引脚结构图如图3所示。
图3AD1674的引脚结构图
12/
数据输出位选择输入端。
当该端输入为低时，数据输出为双8位字节；
当该端输入为高时，数据输出为单12位字节；
CS：
片选信号输入端；
CE：
操作使能端；
输入为高时，芯片开始进行读/转换操作；
STS：
转换状态输出端。
输出为高时表明转换正在进行；
输出为低时表明转换结束。
VCC：
+12V/+15V模拟供电输入；
VEE：
-12V/-15V模拟供电输入；
AGND：
模拟接地端；
R/
读/转换状态输入端。
在完全控制模式下，输入为高时为读状态；
输入为低时为转换状态；
在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。
A0：
位寻址/短周期转换选择输入端。
在转换开始时，若A0为低，则进行12位数据转换；
若A0为高，则进行周期更短的8位数据转换；
当R/
=1且12/
=0时，若A0为低，则在高8位（DB4～DB11）作数据输出；
若A0为高，则在DB0～DB3和DB8～DB11作数据输出，而DB4～DB7置零；
DB11～DB8：
在12位输出格式下，输出数据的高4位；
在8位输出格式下，A0为低时也可输出数据的高4位；
10VIN：
10V范围输入端，包括0V～10V单极输入或±
5V双极输入；
20VIN：
20V范围输入端，包括0V～20V单极输入或±
10V双极输入
REFIN：
基准电压输入端，在10V基准电源上接50Ω电阻后连于此端；
REFOUT：
+10V基准电压输出端；
BIPOFF：
双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通50Ω电阻REFOUT端相连。
AD1674控制逻辑真值表如表1所示[3]。
表1AD1674控制逻辑真值表
CE
CS
A0
执行操作
×
无操作
1
启动12位数据转换
启动8位数据转换
允许12位并行输出
允许高8位并行输出
允许低4位并行输出
在本次设计中采用的是双极性输入模式，其与单片机的接口电路如图4所示。
图4AD1674与AT89C51的接口电路
图中显示采用的是双极性接法，所以加了正负电源，模拟输入采用量程为10V即为双极±
5V双极输入。
电压偏移量调整端在双极输入时通过50Ω电阻与REFOUT端相连。
DB0～DB11为12位数据输出端，转换过后通过控制A0的状态来控制输出，此位由单片机的P3.1来控制。
为了实现分两次送出正确的的数据到达单片机，P1口加了上拉电阻。
同时也为了防止单片机发热引起的可靠性降低，使得最终显示状态发生问题，从而加入排阻，也因此得出如上图的连接[4]。
3.2.28255A与AT89C51的接口电路
8255A是一种可编程的I/O接口芯片，可以与MCS-51系统单片机以及外设直接相连，广泛用作外部并行I/O扩展接口。
8255A引脚结构图如下图5所示。
图58255A引脚结构图
（1）8255A引脚功能：
D0-D7：
数据总线共8条,用于传送CPU和8255A间的数据、命令和状态字；
RESET：
复位线，高电平有效；
片选线，低电平有效；
、
为读命令线，
为写命令线，皆为低电平有效；
A0、A1：
地址输入线：
用于选中PA、PB、PC口和控制寄存器中哪一个工作；
PA7～PA0：
A组,支持工作方式0、1、2，常作数据端口；
PB7～PB0：
B组，支持工作方式0、1常作数据端口；
PC7～PC0：
C组，仅支持工作方式0，可作数据、状态和控制端口，分两个4位每位可独立操作控制最灵活，最难掌握；
（2）8255A控制字和状态字
8255A通过控制字可设定为3种工作模式：
方式0，方式1，方式2。
工作方式0为基本的输入/输出工作方式；
方式1为选通输入/输出工作方式，在这种工作方式下，选通信号与输入/输出数据一起传送，由选通信号对数据进行选通；
方式2为带选通双向总线I/O方式，所以方式2又称为双向传输方式[2]。
控制字有两个，一个是工作方式控制字，用于8255A的初始化；
另一个是C口位控制字，用于C口的位操作。
这两个控制字使用同一口地址，由最高位D7区分，若D7为1，此控制字为8255A的工作方式控制字；
若D7为0，此控制字为8255A的C口的位控制字。
方式控制字用于设定8255A三个端口工作于什么方式，是输入还是输出方式。
C口置位/复位控制字可以使C口各位单独置位或复位，以实现某些控制功能。
（3）8255A与单片机AT89C51的接口电路连接如图6所示。
图68255A与单片机AT89C51的接口电路
单片机AT89C51的P0口做输出口时，需要加上拉电阻，从而得图中连接；
同时8255A作I/O口扩展时需要加锁存器和译码器，此决定8255A芯片选通，并决定其输出口PA、PB、PC哪路输出数据。
这样可将同一数据同时送于不同的液晶显示器进行显示，除此之外利用译码器可以选择哪路数据选通，当外接电路较复杂时，任务分配较清晰，控制方便[2]。
3.2.3KS0108与8255A的接口电路
KS0108是一种点阵液晶图形显示控制器，具有512字节的显示RAM和8位并行数据总线。
Proteus中内置KS0108控制器的128×
64图形液晶显示器如图7所示。
图7KS0108控制器的液晶显示器结构
图中，图形液晶显示器共有18个引脚，其中DB0～DB8为8位并行数据总线，-Vout为负电压输出，与调压输入端Vo及滑动变阻器一起连接，作为LED背光调压使用。
是低电平复位端。
E为使能端，R/W、DI分别为读/写选择端和命令/数据选择端，VCC（4.5V～5.5V）和GND为电源端。
CS1和CS2分别为左右半屏的片选信号，高电平有效[5]。
KS0108控制器的指令汇总如以下表2所示。
指令名称
控制状态
指令代码
DI
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示开关设置
D
显示起始行设置
L5
L4
L3
L2
L1
L0
页面地址设置
P2
P1
P0
列地址设置
C5
C4
C3
C2
C1
C0
读取状态字
BUSY
ON/OFF
RESET
写显示数据
数据
读显示数据
表2KS0108控制器的指令表
（1）BUSY=1表示KS0108正在处理计算机发来的指令或数据；
BUSY=0表示KS0108接口控制电路已处于“准备好”状态，等待计算机的访问。
（2）ON/OFF：
表示当前显示状态，为1表示关显示状态，为0表示开显示状态。
（3）RESET：
表示当前KS0108的工作状态，即反映RST端的电平状态。
当RST为低电平状态时，KS0108处于复位工作状态，RESET=1；
当RST为高电平状态时，KS0108处于正常工作状态，RESET=0。
（4）L5～L0为显示起始行的地址，取值在0～3FH（1～64）范围内。
（5）P2～P0确定当前所要选择的页面地址，取值在0～7H,代表1～8页。
（6）C5～C0=0～3FH（1～64）代表某一页面上的某一单元地址，随后的一次读或写数据将在这个单元上进行。
KS0108控制器与8255A的接口电路如图8所示[6]。
图8KS0108控制器与8255A的接口电路
DB0～DB8与PB0～PB7相连接送数据，用8255A的PC2来选通此控制器，让其进行工作，用PC1和PC0分别控制读/写选择端和命令/数据选择端。
CS1和CS2控制屏的显示范围，这里有单片机的引脚进行控制。
3.2.4HD44780与8255A的接口电路
HD44780是一种点阵液晶显示控制器，用来控制字符液晶显示器，目前应用比较广泛。
它有以下特点：
●内置CGROM字符发生器，含192个固定字符，可供用户显示调用；
●内置CGRAM字符发生器，用户通过编程设计最多8个自定义字符，存放其中，供显示调用；
●内置DDRAM显示数据存储器，可以存放最多80个显示字符，把CGROM或CGRAM中的显示数据调入DDRAM，便可在显示屏上显示，DDRAM中的单元和显示屏的位置存在一一对应关系；
●自动复位上电功能；
●双向8位或4位总线接口；
●丰富的控制指令：
清显存、光标位置设置、数据输入时光标或数据移位设置、开或关显示屏等；
●HD44780模块有两个寄存器，一个用来输入指令，另一个用来读写数据。
指令用来告诉模块怎样存放或哪里存放数据[6]。
Proteus中内置HD44780控制器的字符液晶显示器如下图9所示。
图9HD44780控制器的字符液晶显示器
RS:
命令或数据选择端，当RS=0时，总线上传送的是命令；
当RS=1时，总线上传送的是数据。
RW：
读/写选择端，当RW=0时，为写操作；
当RW=1时，为读操作。
D0～D7：
总线数据，可以传送命令，也可以传送数据，由RS来控制。
HD44780控制器与8255A的接口电路如图10所示。
图10HD44780控制器与8255A的接口电路
由于8255A在此设计中只用到了A口和B口用作数据端口，因而C口就作了控制端口，从而有图可知HD44780控制器的使能端E和命令或数据选择端RS受8255A的PC5和PC7控制。
D0～D7与PA0～PA7相连接，将数据送入显示器进行显示。
4系统软件设计
4.1系统主程序
软件设计时，需要先搞清楚总体的设计方案，从而用流程图来展示主程序。
当信号输入时，主程序启动，根据内部设定的条件逐步运行，达到设计目的。
主程序执行的流程图如下图11所示。
图11主程序执行流程图
由上的流程图可知，程序先从主函数开始即main（）函数。
在主函数中进行变量的定义和赋值，以及子函数的调用指令，即所谓的初始化。
之后进行定义数组，将所要显示的设定值赋予此数组，这样一上电就可显示设定值，也就定义了显示范围。
此后调用A/D转换子函数，进行模/数转换，由于单片机只能处理8位数据，所以要进行两次数据的送入单片机，即所谓的数值处理。
12位转换值通过8255A进行I/O扩展，后同时送入液晶显示器进行温度曲线图和温度数值的实时显示[7]。
4.2AD1674转换程序
AD1674是12位AD转换器，AT89C51只能一次接收8位数据，所以要分两次转换。
首先要对其进行初始化，使得CE=0关闭数据采集，后令CE=1,CS=0，RC=1，12/
=1，A0=0，允许高八位数据并行输出，读取转换结果的高8位，后送入P1口，使CE=0，芯片使能关闭。
再令CE=1,CS=0,RC=1,12/
=0,A0=1，允许低四位数据并行输出，再读取转换结果的低4位，关闭芯片，再对读取的数据进行整合成12位数据。
之后
升级会员 