基于单片机的多路信号采集器的设计.doc
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本科毕业设计（论文）
基于单片机的多路信号采集器的设计
秦博
燕山大学
2012年6月
本科毕业设计（论文）
基于单片机的多路信号采集器的设计
学院：
里仁学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
秦博
学号：
081308061027
指导教师：
李刚
答辩日期：
2012年6月17日
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
里仁学院系级教学单位：
电子工程系
学
号
081308061027
学生
姓名
秦博
专业
班级
电子信息工程08-1班
题
目
题目名称
基于单片机的多路信号采集器的设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（）；工程技术实验研究型（√）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
以单片机为控制核心，利用模数转换器，设计信号采集器，并可以与微机系统进行通信，把检测得到的数据传送到微机中进行保存。
基
本
要
求
1、独立完成系统软硬件设计，并搭电路验证。
2、独立完成控制软件的编写、调试。
3、完成系统调试。
参
考
资
料
1．《凌阳16位单片机应用基础》，罗亚非编著，北京航空航天大学出版社
2．《嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用》，李晶皎编著，北航出版社
周次
第1～4周
第5～8周
第9～12周
第13～16周
第17～18周
应
完
成
的
内
容
收集资料
熟悉课题
内容
设计思路
电路设计
程序设计
程序设计
搭电路调试
改进
同前
论文撰写
课题总结
答辩
指导教师：
李刚
职称：
讲师2012年2月28日
系级教学单位审批：
练秋生
2012年2月28日
摘要
摘要
数据采集器是目前工业控制中应用较多的一类产品，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。
数据采集技术是信息科学的重要分支，是传感器、信号获取、存储与处理等信息技术结合。
本文采用了TI公司生产的11路12位串行模数转换芯片TLC2543和宏晶公司生产的增强型80C51系列单片机STC12C5A60S2组成了一个基于单片机的多路信号采集系统。
这个数据采集系统可将数据的采集结果通过TLC2543的A/D转换后，将模拟信号转换成数字信号并以直观的十进制形式显示在LCD1602液晶显示器上。
还可以通过MAX232芯片与PC进行串口数据通信，达到在PC机上实时的显示、存储和处理采样数据的目的。
在数据采集部分，加入了变阻器用来采集变阻器上的电压值，此电压值为该数据采集系统的模拟输入信号。
关键词数据采集；A/D转换；TLC2543；LCD1602
I
燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
Dataacquisitionistheindustrialcontrolapplicationmorethanaclassofproducts,oftenusingPCorcomputeronavarietyofdatacollection.Dataacquisitiontechnologyisanimportantbranchofinformationscience,sensor,signalacquisition,storageandprocessingofinformationtechnology.ThispaperusesTIcompany1112bitserialA/Dconversionchip,TLC2543andtheHoeJohnproducedenhanced80C51seriessingle-chipSTC12C5A60S2toformamulti-channelsignalacquisitionsystembasedonsinglechipmicrocomputer.ThedataacquisitionsystemcanbedataacquisitionbyTLC2543A/Dconverter,convertstheanalogsignalsintodigitalsignalsandtovisuallydisplaythedecimalformLCD1602liquidcrystaldisplay.ThroughtheMAX232chipandthePCserialdatacommunications,wecanachievethePCreal-timedisplay,storageandprocessingofsamplingdataforthepurpose.Inthedatacollectionpart,therheostatisusedtocollectthevoltageacrossthevaristorvoltagevalue,thevalueofthedataacquisitionisanalogsignalinputofthesystem.
KeywordsDataacquisition;A/Dconversion;TLC2543;LCD1602
I
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2选题的依据和意义 1
1.3国内外研究现状 1
1.4本文主要研究内容 3
第2章STC12C5A60S2单片机的介绍 4
2.1STC12C5A60S2单片机的说明 4
2.1.1芯片特性 4
2.1.2STC12C5A60S2单片机硬件组成结构 5
2.1.3STC12C5A60S2单片机引脚功能 5
2.2本章小结 7
第3章系统模块分析 8
3.1A/D转换模块 8
3.1.1A/D转换芯片的选择 8
3.1.2TLC2543芯片的说明 9
3.1.3TLC2543工作原理 11
3.2LCD显示模块 13
3.2.1LCD1602的说明 13
3.2.2LCD1602的显示原理 15
3.3串口通信模块 16
3.3.1MAX232与RS232C的说明 16
3.3.2串口通信模块工作原理 20
3.4整体电路图 22
3.5本章小结 22
第4章系统软件分析 23
4.1程序流程图分析 23
4.1.1初始化程序 23
4.1.2A/D转换的实现 24
4.1.3LCD显示的实现 26
4.2系统运行结果 28
4.2.1TLC2543与LCD1602在Proteus上的仿真 28
4.2.2PC上数据的显示 30
4.3本章小结 32
结论 33
参考文献 34
致谢 36
附录1 37
附录2 41
附录3 46
附录4 50
附录5 68
III
第2章STC12C5A60S2单片机的介绍
第1章绪论
1.1课题背景
数据采集技术作为信息科学的主要分支，他不仅应用在智能仪器中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制、状态检测、或者是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。
随着科学技术的进步，特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展，以及测试理论的不断发展，数据采集技术的发展也是日新月异[1]。
1.2选题的依据和意义
在冶金、化工、医学、和电器性能测试等许多场合需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送、再由上位机进行数据分析和处理，信号波形显示、自动报表生成等处理，这些都需要数据采集系统来完成，但很多数据采集系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对操作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。
数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的信号，并送入计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。
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发展，它可以广泛的应用于各种领域。
1.3国内外研究现状
美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器。
它可单独使用又可与计算机连接使用，它具有多种测试功能，多种数据存储功能和控制方式。
在国内，由于数据采集技术不断发展，市场上出现各种新型的数据采集器。
例如北京凯文斯系统集成系统有限公司的E16（单端），可编程增益为1，2，4，8倍，分辨率为十六位，采用率为16位，采样最高频率决定于微机的CPU及处理速度，一般60～80KHZ。
国内的数据采集器与国外的数据采集器相比，在技术上仍有一定的差距。
目前国内的数据采集器在高精度、高速度、实时数据采集和数据采集器的现场处理能力等方面仍有不足，不能满足运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程和变电站自动化等领域的要求。
从近来国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展可以概括为体积小、功能多样和使用方便等三个方面。
此外，数据采集系统的应用特点还反映在如下几个方面：
第一，它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，不仅有常用的时域分析和频域FIT分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱和时频域分析等功能。
第二，它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用。
如法国迈威公司的MOVILOG数据采集器，就可作为一台动平衡仪来用，它不但可以做单一平面的动平衡，还可以做六个平面的动平衡。
第三，储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要。
第四，可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等，形成多参数监测系统。
第五，数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。
一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器。
第六，数据采集器已经安装了LCD背光显示屏，并尽量减少了操作键，元器件高度集成化，并减轻了机器的重量，采用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工业环境。
数据采集系统的市场需求量大，特别是随着技术的发展，可用数据器为核心构成一个小系统，而目前国内生产的主要是数据采集卡，存在无显示功能、无记忆存储功能等问题，其应用有很大的局限性，所以开发高性能的，具有存储功能的数据采集产品具有很大的市场前景[2]。
1.4本文主要研究内容
本文主要的研究内容是基于STC12C5A60S2系列单片机和TLC2543的多路数据采集器，该系统包括以下功能：
变阻器电压的模拟信号采集，多路模拟信号的A/D转换，LCD1602显示数据，串口通信，PC机上的数据显示。
第二章中主要介绍了本设计所使用的单片机。
第三章则分析了各个模块，在每个模块说明中主要介绍所使用的器件特性、引脚功能、工作原理、电路原理图等。
第四章主要介绍软件部分的实现和仿真调试部分以及硬件成品。
第2章STC12C5A60S2单片机的介绍
2.1STC12C5A60S2单片机的说明
2.1.1芯片特性
随着电子行业发展的突飞猛进，微控制器，作为大多数电子产品的核心器件，发展更是日新月异，无论从品种上还是从性能上都是不断进步。
1971年Intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器Intel4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。
目前市面上常见的单片机有AVR、DSP、PIC、51系列等等，每一款单片机都有其独特的功能和特性。
51单片机虽然是一款入门级的单片机，然而随着多家公司相继推出51系列器件以后，无论是性能还是稳定性方面都大大改进。
因此，我选择了宏晶公司生产的STC12C5A60S2系列单片机。
STC12C5A60S2系列单片机是一个增强型51系列单片机。
2.1.1.1内含看门狗STC12C5A60S2系列单片机内部引进了看门狗功能，使单片机系统可靠性设计变得更加方便/简洁。
如果MCU/CPU不在规定的时间内按要求访问看门狗，就认为MCU/CPU处于异常状态，看门狗就会强迫MCU/CPU复位，使系统重新从头开始按规律执行用户程序。
2.1.1.2低功耗STC12C5A60S2系列单片机可以运行3种省电模式以降低功耗，他们分别是：
空闲模式，低速模式和掉电模式，正常工作模式下，STC12C5A60S2系列单片机的典型功耗是2mA～7mA，而掉电模式下的典型功耗是<0.1uA，空闲模式下的典型功耗是<1.3mA。
2.1.1.3外部低压检测STC12C5A60S2系列单片机在P4.6口增加了外部低压检测功能，这样用户可以用查询方式或中断方式检查外部电压是否偏低。
5V单片机内部检测门槛电压是1.32V。
有了外部低压检测功能，就可以在掉电时，及时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM。
2.1.1.4第二复位功能脚STC12C5A60S2系列单片机中，用户可以自己设置将P4.6脚为第二复位脚，在时钟频率高于12MHz时，建议使用第二复位功能脚，利用增加的外部低压检测LVD功能作外部低压检测复位脚。
2.1.1.5兼容性STC12C5A60S2系列单片机的引脚和8051是一样的，因此选用STC12C5A60S2系列单片机取代8051是可以直接代替的。
不管是采用40引脚还是44引脚的产品，只要选用相同的STC12C5A60S2系列单片机取代8051即可。
2.1.2STC12C5A60S2单片机硬件组成结构
STC12C5A60S2的主要功能如下：
8位字长CPU。
工作频率范围：
0～35MHz。
ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程。
片上集成1280字节RAM。
4个I/O端口共32线。
4个16位定时/计数器。
高速SPI串行通信端口。
通用全双工异步串行通信。
硬件看门狗。
8通道，10位高速ADC，速度可达25万次/秒。
芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上。
可编程时钟输出功能。
2.1.3STC12C5A60S2单片机引脚功能
STC12C5A60S2单片机有4种不同的封装，其有效引脚为40条。
现以PDIP（双列直插式）封装为例简介各引脚功能。
2.1.3.1外接晶振或外部振荡器引脚1、XTAL1当外接晶振时，接外部晶振的一个引脚。
片内振荡器由一个单级反相器组成，XTAL1为反相器的输入。
当外部振荡器提供时钟信号时，则由XTAL2端输入；2、XTAL2接外部晶振的另一个引脚。
片内为单级反相器的输出，当由外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚浮空。
2.1.3.2多功能I/O口引脚第一，P0口为8位并行I/O口，作为输出口时，每个管脚可带8个TTL负载。
在外扩存储器时，还可以作为低8位地址/数据总线。
当定义为I/O口时，为准双向I/O口，需外接上拉电阻，在写入1后就成为高阻抗输入口。
在对片内FLASH编程时P0口接收字节代码，在程序校验时输出字节代码。
程序校验期间应外接上拉电阻。
第二，P1口为准双向通用I/O口，能负担4个TTL负载。
在FLASH编程和校验时定义为低8位地址线。
它的第二功能如下：
P1.0：
定时/计数器T2的外部计数输入。
P1.1：
定时/计数器T2捕获/再装入触发及方向控制。
P1.5：
MOSI。
P1.6：
MISO。
P1.7：
SCK。
第三，P2口（2l-28）内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能负担4个TTL负载。
当访问外部存储器时定义为高8位地址总线，只需8位地址线时，它将输出特殊功能寄存器中内容。
第四，P3口（10-17）内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能接4个TTL负载。
它的第二变异功能如下：
P3.0：
RXD（串行接收端口）。
P3.1：
TXD（串行发送端口）。
P3.2：
外部中断0请求端。
P3.3：
外部中断1请求端。
P3.4：
定时/计数器0外部计数输入端。
P3.5：
定时/计数器1外部计数输入端。
P3.6：
外部数据写选通。
P3.7：
外部数据读选通。
2.1.3.3控制和复位引脚第一，RST复位信号输入端。
振荡器起振后，该引脚置高电平，并持续2个机器周期以上系统进行复位。
在定时监视器定时输出后引脚置成高电平并持续96个振荡周期。
特殊功能寄存器AUXR中的DISRT0位可以使复位无效。
默认的DISRT0位状态，RST引脚上的高电平有效。
第二，ALE地址锁存使能端。
当访问外部器件时ALE的负跳变将低8位地址读入锁存器。
在FLASH编程时输入编程脉冲。
在非访问外部器件期间，ALE仍以1/6振荡频率的常量输出，可用于外部计数或时钟信号。
当访问外部数据器件时将跳过一个ALE脉冲。
如果需要，可对特殊功能寄存器区的地址为8EH单元的D0位置1，可禁止ALE输出，而只有在执行MOVX或MOVC等指令时ALE才被激活，仍输出锁存有效，否则被微弱拉高。
在执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。
2.2本章小结
本章主要介绍了单片机，包括该单片机的特性，硬件结构和引脚功能，为以后的内容打下基础。
69
参考文献
第3章系统模块分析
3.1A/D转换模块
本章主要以模块化的形式分析介绍我设计的多路信号采集器，系统主要包括：
A/D转换模块、LCD显示模块、串口通信模块。
在每一模块中分别分析了所使用器件的器件特性、引脚功能、工作原理以及该模块的工作原理和原理图。
3.1.1A/D转换芯片的选择
随着模数转换技术快速发展，A/D转换器的种类也越来越多，目前使用广泛的有：
余数反馈比较式A/D转换器、V/F变换式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器、双积分A/D转换器等等。
（1）余数反馈比较式A/D转换器这种转换方式分辨率很高，量化误差小，转换精度高。
这种转换方式的速度主要受两个因素的限制：
一是每次循环进行电压数字转换的时间；二是余数模拟电压的建立时间。
目前，采用这种方式的A/D芯片，通过辅之以一些另外的技术措施，其转换速度还是比较快的。
（2）V/F变换式A/D转换器由于应用了积分电容，具有很好的抗干扰性能、良好的线性度和高的分辨率，电路结构简单。
缺点是转换速率低，在一些非快速的检测信道中愈趋向使用V/F变换式A/D转换器代替通常的A/D转换器。
（3）逐次逼近式A/D转换器这种转换方式速度高，外用元器件也不多，大多数单片集成A/D转换器芯片多采用此种方式。
但对快速变化的输入信号应配备采样保持器才能保证转换精度的要求。
此外，A/D转换器本身对输入信号中的噪声无抑制作用，必须采用外加软硬件抗干扰措施，才能抑制输入信号中大部分随机干扰。
（4）双积分A/D转换器这种转换方式抗干扰能力强，具有较高的转换精度，电路结构简单，编码方便，但转换速率低，常用于速度要求不高，精度要求较高的测量仪器仪表中。
在本系统中，根据实际需要和性价比综合考虑，采用了TI公司生产的TLC2543C，11路12位开关电容逐次逼近串行A/D转换器，采样率为66ksps，在工作温度范围内10us转换时间。
除了高速的转换器和通用的控制能力外，本器件有一个片内的14通道多路器可以在11个输入通道或3个内部自测试电压中任意选择一个。
采样—保持是自动的。
在转换结束时，转换结束EOC输出端变高以指示转换的完成。
本器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。
开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。
此多通道，小体积的TLC2543C器件，线性误差小，节省I/O资源，成本较低，特别适用于单片机数据采集系统的开发[3]。
3.1.2TLC2543芯片的说明
3.1.2.1芯片特性具有11个输入端的12位模数转换器TLC2543是TI公司于近几年推出的一种性能价格比较优的12位A/D转换芯片，具有多种封装形式，并具有民用级、工业级、军用级产品。
在产品型号、规格、封装形式、适用范围等方面，已形成一个系列。
TLC2543的特点：
12位分辨率A/D转换器。
在工作温度范围内10us转换时间。
11路模拟输入通道。
3路内置自测方式。
采样率为66ksps。
线性误差±1LSBmax。
有转换结束输出EOC。
具有单、双极性输出。
可编程的MSB或LSB前导。
可编程输出数据长度。
3.1.2.2引脚功能TLC2543有20根引脚，其它封装形式引脚数及引脚功能相同。
引脚的功能简要分类说明如下：
电源引脚。
Vcc：
20脚，正电源端，一般接+5V。
GND：
10脚，地。
GND是内部电路的地回路端。
REF+：
14脚，正基准电压端。
基准电压的正端被加到REF+，最大的输入电压范围由加于本端与REF-端的电压差决定，一般接+5V。
REF-：
13脚，负基准电压端。
基准电压的低端被加到REF-，一般接地。
控制引脚。
/CS：
15脚，片选端。
由高到低有效，由外部输入。
在/CS端由高变低时，内部计数器复位。
由低变高时，在设定时间内禁止DATAINPUT和I/OCLOCK。
EOC：
19脚，转换结束端。
在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止转换。
I/OCLOCK：
18脚，输入/输出时钟端。
I/OCLOCK接收串行输入信号并完成以下四个功能：
a）在I/OCLOCK的前8个上升
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