基于單片機的八路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、基于單片機的八路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（一）摘要：單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機在工業(yè)控制中最為普遍的應(yīng)用系統(tǒng)它的任務(wù)是采集生產(chǎn)過程中的各種工況參數(shù)經(jīng)過處理后送入內(nèi)存儲器,CPU再對這些參數(shù)數(shù)據(jù)進行分析,運算和處理。本系統(tǒng)設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，負責數(shù)據(jù)的采集和顯示，設(shè)計一個多路數(shù)據(jù)輸入輸出系統(tǒng)，實現(xiàn)8路輸入和輸出。采用89C51系列單片機、ADC0809、LED數(shù)碼管等芯片實現(xiàn)硬件仿真，采用匯編語言。最后硬件電路在Proteaus下仿真實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；8路輸入輸出；LED顯示。0.前言隨著科學技術(shù)的進步，人們越來越多地用計算機來實現(xiàn)控制系統(tǒng)，因此，充分理解計算機控制系統(tǒng)是十分重要的。計算機控制系統(tǒng)的工

2、作原理可歸納為以下三個步驟：1.實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置已的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。 2.實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。3.實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。工業(yè)控制機包括硬件和軟件兩部分：硬件包括主機板、內(nèi)部總線和外部總線、人-機接口、系統(tǒng)支持板、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。軟件包括系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件。本系統(tǒng)設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，負責數(shù)據(jù)的采集和顯示，設(shè)計一個多路數(shù)據(jù)輸入輸出系統(tǒng)，實現(xiàn)8路輸入和輸出。采用89C51系列單片機、ADC0809、LED數(shù)碼管等芯片實現(xiàn)硬件

3、仿真，采用匯編語言。最后硬件電路在Proteaus下仿真實現(xiàn)。1.基單片機的八路數(shù)據(jù)采集的基本理論基于單片機的八路數(shù)據(jù)采集電路的主要原理是：通過電位計控制輸入信號（電壓值）的幅值，經(jīng)單片機對八路信號進行實時同步采樣，并用鍵盤選擇通道控制LED顯示八路數(shù)據(jù)采集結(jié)果。 本課題只要掌握單片機與ADC0809，LED數(shù)碼管的接口方式，ADC0809的工作原理，LED數(shù)碼管的驅(qū)動原理，就能實現(xiàn)Proteus仿真。2.方案設(shè)計數(shù)據(jù)采集電路的原理框圖1所示?，F(xiàn)場信號1數(shù)據(jù)采集器1主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲現(xiàn)場信號2數(shù)據(jù)采集器2現(xiàn)場信號8數(shù)據(jù)采集器8數(shù)據(jù)顯示圖1 數(shù)據(jù)采集電路的原理框圖根據(jù)設(shè)計要求，采用的方案如下：硬件

4、部分實現(xiàn)對8路數(shù)據(jù)采集和顯示的功能，包括MCS-51單片機、ADC0809、LED數(shù)碼管；軟件部分實現(xiàn)單片機對8路輸入數(shù)據(jù)的采集以及對LED的顯示操作。主要設(shè)計思想：單片機P1口與ADC0809相連，P3.0、P3.1口與74LS164連接，四個74LS164連接分別與四個LED數(shù)碼管連接。模擬信號通過IN0IN7輸入到ADC0809中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，P1獲得此值后，經(jīng)過處理得到每位的數(shù)據(jù)后，通過四個74LS164送到LED顯示屏上。3.系統(tǒng)硬件的工作原理3.1 MCS51單片機MCS-51單片機的內(nèi)部資源主要有并行I/O接口、定時器/計數(shù)器、串行接口以及中斷系統(tǒng)。其外部引腳如圖2所示。圖2

5、MCS-51單片機3.1.1 I/O接口51系列單片機有4個8位并行的I/O端口：P0、P1、P2、P3口。這4個口既可以并行輸入或輸出8位數(shù)據(jù)，又可以按位方式使用，即每一位均能獨立作為輸入或輸出接口用。3.1.2 定時器/計數(shù)器電路1.MCS-51單片機有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器：定時/計數(shù)器T0和定時/計數(shù)器T1。2.每個定時/計數(shù)器既可以對系統(tǒng)時鐘計數(shù)實現(xiàn)定時，也可以對外部信號計數(shù)實現(xiàn)計數(shù)功能，這些功能都是通過編程設(shè)定來實現(xiàn)的。3.每個定時/計數(shù)器有多種工作方式，其中T0有四種工作方式；T1有三種工作方式，T2有三種工作方式。通過編程可設(shè)定工作于某種方式。4.每一個定時/計數(shù)器定時

6、計數(shù)時間到時產(chǎn)生溢出，使相應(yīng)的溢出位置位，溢出可通過查詢或中斷方式來處理。 3.1.3 串行接口MCS-51單片機具有一個全雙工的串行異步通信接口，可以同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。發(fā)送、接收數(shù)據(jù)可通過查詢或中斷的方式來處理。它有四種工作方式： 0.方式0，稱為同步移位寄存器方式，一般用于外接移位寄存器芯片擴展I/O接口。 1.方式1，稱為8位的異步通信方式，通常用于雙機通信。 2.方式2和方式3，稱為9位的異步通信方式，通常用于多機通信。 3.1.4 中斷系統(tǒng)MCS-51單片機提供5個（52子系列提供6個）硬件中斷源：兩個外部中斷源INT0(P3.2)和INT1(P3.3),兩個定時/計數(shù)器T0和T1

7、的溢出中斷TF0和TF1;1個串行口發(fā)送T1和接收R1中斷。以下為本系統(tǒng)用到的串口中斷部分指令：EA：中斷允許總控位。EA=0，屏蔽所有的中斷請求；EA=1，開放中斷。EA的作用是使中斷允許形成兩級控制。ES：串行口中斷允許位。ES=1允許串行口中斷。REN為允許接收控制位。REN=1，則允許接收。TI位發(fā)送中斷標志位。RI為接收中斷標志位。3.2 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊這一模塊主要有ADC0809轉(zhuǎn)化器完成。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。其外部引腳如圖3所示。圖3

8、ADC08093.2.1 輸入輸出端 1. IN0IN7：8路模擬量輸入端。 2. 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。 3.2.2 傳輸通道選擇端 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。 3.2.3 使能端1.ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 2.START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 3.EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 4.OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束

9、時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 5.CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 6.REF（+）、REF（-）：基準電壓。 7.Vcc：電源，單一+5V。 8.GND：地。3.3 顯示模塊顯示模塊選用 LED數(shù)碼管。1602型LCD顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內(nèi)容豐富等特點。1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7和RS,R/W,EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調(diào)節(jié)和背光功能。其外部引腳如圖3所示。圖4 LED數(shù)碼管3.3.1 各引腳功能 1.VSS:電源地。 2.VDD:電源正極。 3.VEE:液晶顯示偏

10、壓信號。 4.RS:數(shù)據(jù)/命令選擇端。 5.R/W:讀寫選擇端。 6.E:使能信號。 7.D0-D7:數(shù)據(jù)輸入/輸出口。 4.軟件編程設(shè)計思想：ADC0809的使能控制端連接在單片機P3口，操作時由程序控制。當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后由單片機將P1口A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)附給P0口，進而由連接在P0口的LCD顯示。主程序功能：void main()/主函數(shù)實現(xiàn)8路數(shù)據(jù)的采集與控制輸出數(shù)據(jù)。子程序功能：void init()/初始化函數(shù) 對LCD進行初始化設(shè)置。 void delay(uint z)/延時函數(shù) 當z=1時，延時約為1ms。 Void write_command(uchar com)/寫命令

11、LCD寫命令操作 void write_data(uchar date)/寫數(shù)據(jù) LCD寫數(shù)據(jù)操作 void start() /開始AD轉(zhuǎn)換 開啟AD轉(zhuǎn)換 void xianshi() /AD轉(zhuǎn)化結(jié)果顯示 顯示AD轉(zhuǎn)化的結(jié)果 中斷程序功能：void timer0() interrupt 1 a2=0時，LCD第一屏顯示前四位數(shù)據(jù)。 a2=1時，LCD第二屏顯示后四位數(shù)據(jù)。程序流程圖：基于開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。開始 鍵盤掃描電壓數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 LED顯示 結(jié)束 圖5 程序流程圖5. 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析根據(jù)方案設(shè)計結(jié)果，進行了硬件電路在Proteaus下的仿真。當通過電位

12、器調(diào)節(jié)AD轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓時，模擬電壓值經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，經(jīng)由單片機將轉(zhuǎn)換后的電壓值發(fā)送至P0口，供LCD進行顯示。仿真過程描述：通過keil軟件對所編程序進行編譯，生成.hex文件，在proteaus軟件中，用MCS51單片機調(diào)用.hex，即可進行硬件的仿真。該仿真包括兩部分：1. 對8路電壓進行采集，經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的16進制數(shù)存于單片機的內(nèi)部存儲器中。2. 對轉(zhuǎn)換后的電壓進行顯示。將內(nèi)部存儲器中存儲的轉(zhuǎn)化后的電壓對應(yīng)的16進制數(shù)付給P0口，由LCD進行顯示。調(diào)節(jié)電位器LCD的顯示數(shù)據(jù)也會發(fā)生變化。調(diào)試中遇到的問題：將程序下載至開發(fā)板上的單片機進行硬件調(diào)試時主要遇到以下兩個問

13、題。1. LCD不顯示數(shù)據(jù)，LED出現(xiàn)亂閃。解決方法：將LED的段選和位選端關(guān)閉后再進行硬件調(diào)試，問題得到解決。2. 調(diào)節(jié)電位器后，AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不變化只顯示5V。解決方法：AD轉(zhuǎn)換程序出現(xiàn)錯誤，更改程序后問題得到解決。6. 結(jié)論及進一步設(shè)想本系統(tǒng)設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)8路數(shù)據(jù)的采集和顯示，它的任務(wù)是采集生產(chǎn)過程中的各種工況參數(shù)經(jīng)過處理后送入內(nèi)存儲器,CPU再對這些參數(shù)數(shù)據(jù)進行分析,運算和處理。采用89C51系列單片機、AD轉(zhuǎn)換器、LCD1602等器件，并采用C語言編程，在Proteaus下實現(xiàn)了硬件仿真，得到了一個8路數(shù)據(jù)輸入輸出系統(tǒng)。根據(jù)實驗結(jié)果，本設(shè)計已經(jīng)完成了設(shè)計任務(wù)，達到要求。但是

14、由于仿真與實際應(yīng)用是有很大差別的，該單片機的8路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還存在著實際的應(yīng)用方面的缺陷，可以通過把C語言編程、單片機、真實的硬件電路等更精密的器件綜合到一起，控制在工廠生產(chǎn)過程中需要采集和控制的數(shù)據(jù)，從而進一步改善該系統(tǒng)，使其能夠應(yīng)用到實際的生產(chǎn)過程中。參考文獻1 謝維成，楊加國.單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計. 北京：清華大學出版社，20092 于海生等.微型計算機控制技術(shù).北京；清華大學出版社，20083 劉復(fù)華. 單片機及其應(yīng)用系統(tǒng). 北京：清華大學出版社，19924 李斌，董慧穎. 可重組機器人研究和發(fā)展現(xiàn)狀. 沈陽工業(yè)學院學報，2000，19（4）：5 于海生等. 微型計算機控制

15、技術(shù). 北京：清華大學出版社，19996 單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計. 北京：清華大學出版社，2009課設(shè)體會做了兩周的課程設(shè)計，對于單片機的實際應(yīng)用方面讓我感受頗深。對于本專業(yè)的學生，我深知不進行自主的實踐，永遠也學不到真東西。在課設(shè)剛開始拿到題目覺得挺簡單，書上也有類似的程序，有點散漫。但當我真正的去思考開始著手做程序時才發(fā)現(xiàn)自己還有好多要去學習。Proteus仿真軟件對我來說還是比較陌生的，有很多硬件都找不到，查閱了Proteus相關(guān)的入門書籍后才能自如的運用軟件。之后便是程序的編寫，根據(jù)課設(shè)任務(wù)的要求，寫出了程序的一個大概流程，按著程序流程圖一步一步的得到了能實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出的程

16、序，期間經(jīng)過了多次調(diào)試，修改。最終得到完整的程序，心里還是小有成就感的。問題隨之又來，當我將寫好的程序進行實物仿真時，和我想的結(jié)果完全不同，寫入程序的開發(fā)板并沒有像軟件仿真時那樣得出期望的結(jié)果，最后經(jīng)過查閱資料將程序、Proteus仿真、硬件的端口一一對應(yīng)，才得出了爭確的結(jié)果。最后，感謝學校和老師給我們安排了這次課程設(shè)計，讓我真正感受到的是合作的重要，許多時候老師的指導中的一句半句啟發(fā)了我，就出現(xiàn)的讓人欣喜的結(jié)果；理論知識同樣很重要，有些問題都是由于基礎(chǔ)知識掌握不好才出現(xiàn)的?？傊?，要想做好一個硬件，理論知識基礎(chǔ)，動手能力也必須過關(guān)，二者缺一不可，我會繼續(xù)努力學習這方面的知識，通過類似課設(shè)這種方

17、式鍛煉自己，達到學以致用。附錄1 電路原理圖附錄2 程序清單 #include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit adoe=P37; /OE接3.7sbit eoc=P33; /EOC接3.1sbit adstart=P36;/start接3.2sbit a0=P30; /A 3.3sbit a1=P31; /B 3.4sbit a2=P32; /C 3.5sbit lcdrs=P35; /LCD RS 3.6sbit lcden=P34; /LCD EN 3.7sbit dula=P26;sbit

18、wela=P27;long int temp,b1,b2,b3,b4,b5;uchar tt;uchar code table=.V; /顯示電壓void delay(uint z) /延時 uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=100;y0;y-);void write_command(uchar com)/寫命令 dula=0; wela=0; lcdrs=0; /輸入指令P1=com;delay(5);lcden=1; /讀數(shù)據(jù)delay(5);lcden=0; /寫指令或者數(shù)據(jù)void write_data(uchar date)/寫數(shù)據(jù) lcdrs=1; /輸

19、入數(shù)據(jù)P1=date; /顯示delay(5);lcden=1; /讀數(shù)據(jù)delay(5);lcden=0;/寫指令或數(shù)據(jù)void init()/初始化lcden=0;write_command(0x38);/不可變，顯示模式設(shè)置：16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口write_command(0x0c);/屏幕開啟和光標閃爍write_command(0x06);/顯示開關(guān)及光標設(shè)置write_command(0x01);/清屏void start() /開始AD轉(zhuǎn)換adoe=0; adstart=0; _nop_();adstart=1;adstart=0; void xianshi()

20、 /AD轉(zhuǎn)化結(jié)果顯示 write_data(tableb1); /最高位delay(1); write_data(table10); /小數(shù)點delay(1); write_data(tableb2); /第二位delay(1); write_data(tableb3); /第三位delay(1); write_data(table11); /電壓Vdelay(1); void first_mark() /0-4路通道的標號write_command(0x01);write_command(0x80);write_data(A);delay(1);write_command(0x80+0x01

21、);write_data(=);delay(1);write_command(0x80+0x09);write_data(B);delay(1);write_command(0x80+0x0a);write_data(=);delay(1);write_command(0x80+0x40);write_data(C);delay(1);write_command(0x80+0x41);write_data(=);delay(1);delay(1);write_command(0x80+0x49);write_data(D);delay(1);write_command(0x80+0x4a);w

22、rite_data(=);delay(1);void second_mark() /5-7路通道的標號write_command(0x01);write_command(0x80);write_data(E);delay(1);write_command(0x80+0x01);write_data(=);delay(1);write_command(0x80+0x09);write_data(F);delay(1);write_command(0x80+0x0a);write_data(=);delay(1);write_command(0x80+0x40);write_data(G);del

23、ay(1);write_command(0x80+0x41);write_data(=);delay(1);delay(1);write_command(0x80+0x49);write_data(H);delay(1);write_command(0x80+0x4a);write_data(=);delay(1);void main()a2=0;init();/調(diào)用LCD初始化子程序TMOD=0x01;EA=1;/開總中斷TH0=(65535-1000)/256;TL0=(65535-1000)%256; ET0=1;/開定時器0中斷TR0=1;/定時器0置位first_mark();whi

24、le(1) a0=0; /0路或4路通道的AD轉(zhuǎn)化a1=0;start();while(!eoc); adoe=1; temp=P0;delay(3);adoe=0; b1=(temp*500/255)/100; /最高位b2=(temp*500/255)%100/10; /第二位b3=(temp*500/255)%10; /第三位write_command(0x80+0x02);xianshi();a0=1; /1路或5路通道的AD轉(zhuǎn)化a1=0;start();while(!eoc); adoe=1; temp=P0;delay(3);adoe=0;b1=(temp*500/255)/100

25、; /最高位b2=(temp*500/255)%100/10; /第二位b3=(temp*500/255)%10; /第三位write_command(0x80+0x0b);xianshi();a0=0; /2路或6路通道的AD轉(zhuǎn)化a1=1; start();while(!eoc); adoe=1; temp=P0; delay(3);adoe=0;b1=(temp*500/255)/100; /最高位b2=(temp*500/255)%100/10; /第二位b3=(temp*500/255)%10; /第三位write_command(0x80+0x42);xianshi();a0=1;

26、/3路或7路通道的AD轉(zhuǎn)化a1=1;start();while(!eoc); adoe=1; temp=P0;delay(3);adoe=0;b1=(temp*500/255)/100; /最高位b2=(temp*500/255)%100/10; /第二位b3=(temp*500/255)%10; /第三位write_command(0x80+0x4b);xianshi(); void timer0() interrupt 1TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;tt+;if(a2=0&tt=20)=1) /LCD第二屏顯示 tt=0;a2=1;second_mark(); if(a2=1&tt=20)=1) /LCD第一屏顯示tt=0;a2=0;first_mark();tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3