基于AT89C51數(shù)據(jù)采集設計說明

1、. . . . 目錄第一章 緒論11.1 研究背景與其目的意義11.2 研究的主要容2第二章 數(shù)據(jù)采集32.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)32.2 方案論證42.2.1 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇42.2.2單片機的選擇42.2.3 顯示部分4第三章 硬件部分53.1 電路設計原理53.2 電路仿真圖6第四章 軟件部分74.1 簡介KeilUvision274.2 程序設計12第五章 調(diào)試結(jié)果14總結(jié)15參考文獻16第一章 緒論本文從工程角度出發(fā), 詳細介紹了基于AT89C51單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的硬件電路配置以與相關的程序設計, 同時用基于Proteus和Keil接口的單片機外圍硬件電路構(gòu)成了一個實用的數(shù)據(jù)

2、采集系統(tǒng)。所得出的仿真結(jié)果完整地展示了一個單片機系統(tǒng)新的開發(fā)思路。1.1 研究背景與其目的意義近年來，數(shù)據(jù)采集與其應用受到了人們越來越廣泛的關注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應用于各種領域。數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)部的一個接口。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某段時間的一個特征值。準確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的基礎。數(shù)據(jù)量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方

3、法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)采集含義很廣，包括對面狀連續(xù)物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中，對圖形或圖像數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時被采集的是幾何量（或包括物理量，如灰度）數(shù)據(jù)。20世紀90年代至今，在國際上技術先進的國家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運用到軍事、航空電子設備與宇航技術、工業(yè)等領域。由于集成電路制造技術的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。數(shù)據(jù)采集技術已經(jīng)成為一種專門的技術，在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就

4、可擴展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個新的系統(tǒng)。11盡管現(xiàn)在以微機為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，而且組成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機的擴展槽并輔以應用軟件，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會對基于單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價格等優(yōu)點，而雙單片機又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c同時進行采集，因此能夠開發(fā)出能滿足實際應用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這就使得以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領域得到了廣泛的應用。1.2 研究的主要容數(shù)

5、據(jù)采集技術是信息科學的重要分支之一, 它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以與控制等問題。它是對傳感器信號的測量與處理, 以微型計算機等高技術為基礎而形成的一門綜合應用技術。數(shù)據(jù)采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機技術的飛速發(fā)展和普與,數(shù)據(jù)采集監(jiān)測已成為日益重要的檢測技術,廣泛應用于工農(nóng)業(yè)等需要同時監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),通常采用一些功能相對獨立的單片機系統(tǒng)來實現(xiàn),作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分,數(shù)據(jù)采集的性能特點直接影響到整個系統(tǒng)。盡管現(xiàn)在以微機為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理技術作為數(shù)據(jù)采集技術的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展,并且適于通用微機

6、(如IBM PC 系列) 使用的板卡級數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品也已大量出現(xiàn),組成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡單到只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡,把它插在微機的擴展槽,并輔以應用軟件,就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能,但這并不會對基于單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響,因為單片機功能強大、抗干擾能力強、可靠性高、靈活性好、開發(fā)容易等優(yōu)點,使得基于單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領域得到了廣泛的應用.傳統(tǒng)的基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于沒有上位機的支持,不管采用什么樣的數(shù)據(jù)存儲器,它的存儲容量都是有限的,所以不得不對存儲的歷史數(shù)據(jù)進行覆蓋刷新,這樣不利于用戶對數(shù)據(jù)進行整體分析,因而也不能對生產(chǎn)過程的狀況進行準確的把握。本系統(tǒng)采用下位機負責模擬

7、數(shù)據(jù)的采集,從單片機負責采集八路數(shù)據(jù)，并應答主機發(fā)送的命令，上位機即主機是負責處理接受過來的數(shù)字量的處理與顯示，主機和從機之間用RS-232進行通信。這樣用戶可以在上位機上編寫各種程序?qū)ξ募械臄?shù)據(jù)進行有效查詢和分析,有利于工業(yè)過程的長期正常運行和檢查。該系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機，此芯片功能比較強大，能夠滿足設計要求。第二章 數(shù)據(jù)采集2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在該系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，而 A/D是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，他需要考慮的指標有：分辨率、轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換誤差等等。而單片機是該系統(tǒng)的基本的微處理系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)讀取、處理與邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗械娜蝿?。在該系統(tǒng)中采用的

8、是8051系列的單片機。數(shù)據(jù)的顯示則采用的是LED數(shù)碼管，該器件比較簡單，在生活中接觸也較多。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，采樣保持電路，A/D,單片機等組成。完成設計所需要的系統(tǒng)框圖如下圖所示： A/D 轉(zhuǎn)換器 LED顯示器正弦 信號 單片機AT89C51 2.2 方案論證2.2.1 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來說，可以分為8位、10位、12位和16位等。位數(shù)越高其分辨率就越高，價格也就越貴。A/D轉(zhuǎn)換器型號很多，而其轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換誤差也各不一樣。(1)逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器：它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間在幾微秒到幾百微秒之間。(2)

9、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器：它是一種間接式的A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點是抗干擾能力強，精度比較高，缺點是數(shù)度很慢，適用于對轉(zhuǎn)換數(shù)度要求不高的系統(tǒng)。(3)并行式A/D轉(zhuǎn)換器：它又被稱為flash（快速）型，它的轉(zhuǎn)換數(shù)度很高，但她采用了很多個比較器，而n位的轉(zhuǎn)換就需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也很貴，只適用于視頻A/D轉(zhuǎn)換器等數(shù)度特別高的領域。鑒于上面三種方案，在價格、轉(zhuǎn)換速度等多種標準考量下，在本設計選用的是逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809.2.2.2單片機的選擇單片機是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計算機中的一個重要的分支。此系統(tǒng)是由CPU、隨即存取數(shù)據(jù)存儲器、只讀程序存儲器、輸入輸

10、出電路（I/O口），還有可能包括定時/計數(shù)器、串行通信口、顯示驅(qū)動電路（LCD和LED驅(qū)動電路）、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器與A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一個單塊芯片上，構(gòu)成了一個最小但完善的計算機任務。單片機要使用特定的組譯和編譯軟件編譯程序，在用keiluvision2把程序下載到單片機。而本設計選用的是AT89C51。2.2.3 顯示部分LED數(shù)碼顯示管是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED顯示管，其中7個用于顯示字符，1個用來顯示小數(shù)點，故通常稱之為八段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。對LED數(shù)碼顯示器的控制可以采用按時間向它提供具有一定驅(qū)動能力的位選和段選信號。LED

11、數(shù)碼顯示有動態(tài)掃描顯示法和靜態(tài)顯示。在單片機中，為了節(jié)省硬件資源，多采用動態(tài)掃描顯示法。第三章 硬件部分3.1 電路設計原理硬件電路上，簡單的數(shù)字電壓表主要包括兩個部分，一個是模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入部分，一個是LED顯示輸出部分。ADC0809部帶有輸出鎖存器，可以與AT89C51單片機直接相連。初始化時，使ST和OE信號全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的那一通道的地址到A，B，C端口上。在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓圍是05V，若信號太小

12、，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。本課設進行電路時所加的信號是一正弦波，振幅是1V，頻率是50Hz。簡單的講，LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組成的，LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方式：（1）共陰極接法：把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極與輸入端相連。（2）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。圖3.1.2共陰極接法圖3.1.3 共陽極接法圖3.1.1 LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.2 電路仿真圖圖3.2.1 數(shù)據(jù)采

13、集設計原理圖第四章 軟件部分4.1 簡介KeilUvision2數(shù)據(jù)采集設計原理圖Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（UVISION）將這些組合在一起。Keil有以下幾個特點：1、 全功能的源代碼編輯器；2、 器件庫用來配置開發(fā)工具設置；3、 項目管理器用來創(chuàng)建和維護用戶的項目；4、 集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應用；5、 所有開發(fā)工具的設置都是對話框形式的；6、 真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調(diào)試器；7、 高級GDI(AGDI)接口用來在目標硬件上進行軟件調(diào)試以與和Monitor-51

14、進行通信其使用的過程為:首先打開KeilUvision2，在KEIL系統(tǒng)中，每做個獨立的程序，都視為工程。首先從菜單中的工程中“新建工程”，建立我們將要做的工程項目：接下來Keil環(huán)境要求我們?yōu)?2工程選擇一個單片機型號；我們選擇Ateml公司的89C51。“確定”后工程就算建立好了。立了工程項目以后現(xiàn)在就要為工程添加程序，點擊“文件”中的新建，新建一個空白文檔；這個空白文檔就是我們編寫單片機程序的場所。在這里可以進行編輯、修改等操作。根據(jù)題意，在文檔中寫入代碼，寫完后再檢查一下，然后保存，然后再將保存好的文檔添加到工程中，具體做法如下：程序文件添加完畢后，對其進行編譯當前程序、編譯修改過的文

15、件并生成應用程序、重新編譯所有文件并生成應用程序后，再點擊TARGET，則其頁面為：再點擊圖案上的Output鍵 接下來就是點擊上圖中的select folder for objects鍵，得到下圖將其產(chǎn)生的HEX文件存儲在E盤zh文件夾中。最后一步就是利用STC-ISP將HEX文件燒錄到單片機里。4.2 程序設計進行A/D轉(zhuǎn)換時，采用查詢EOC的標志信號來檢測A/D轉(zhuǎn)換是否完畢，若完畢則把數(shù)據(jù)通過P0端口讀入，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后在數(shù)碼管上顯示。進行A/D轉(zhuǎn)換之前，要啟動轉(zhuǎn)換的方法：ABC110選擇第三通道，ST0，ST1，ST0產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)換的正脈沖信號。C語言源程序全貌：#include<

16、;reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/各數(shù)字的數(shù)碼管段碼（共陰）uchar code DSY_CODE=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40;sbit CLK=P13; /時鐘信號sbit ST=P12; /啟動信號sbit EOC=P11; /轉(zhuǎn)換結(jié)束信號sbit OE=P10; /輸出使能/延時void DelayMS(uint ms)uchar i;while(ms-) for(i=0;i<120;i+);/顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果

17、void Display_Result(uchar d)P2=0xf7; /第4個數(shù)碼管顯示個位數(shù)P0=DSY_CODEd%10;DelayMS(5);P2=0xfb; /第3個數(shù)碼管顯示十位數(shù)P0=DSY_CODEd%100/10;DelayMS(5);P2=0xfd; /第2個數(shù)碼管顯示百位數(shù)P0=DSY_CODEd/100;DelayMS(5);P2=0xfd;P0=DSY_CODEd<0;DelayMS(5);/主程序void main()TMOD=0x02; /T1工作模式2TH0=0x14;TL0=0x00;IE=0x82;TR0=1;P1=0x3f; /選擇ADC0809的

18、通道3（0111）（P1.4P1.6）while(1)ST=0;ST=1;ST=0; /啟動A/D轉(zhuǎn)換while(EOC=0); /等待轉(zhuǎn)換完成OE=1;Display_Result(P3);OE=0;/T0定時器中斷給ADC0808提供時鐘信號void Timer0_INT() interrupt 1CLK=CLK;LED顯示程序流程框圖：開始顯示個位顯示十分位顯示百分位結(jié)束第五章 調(diào)試結(jié)果在Proteus仿真軟件中進行電路仿真，進過調(diào)試可得出以下結(jié)論：若輸入信號太小的話，可以將信號放大后加入到AD通道3，同時，下邊的參考電壓REF+端加的直流電壓改為放大后的電壓?，F(xiàn)在的頻率比較低，要頻率快的話，得加個采樣保持電路（模電的知識），芯片是LF198。現(xiàn)在的電路只能正向AD轉(zhuǎn)換，可以將輸入正弦波進過全波整流電路，處理后的波形全是正向的。對于現(xiàn)在的仿真圖，正弦波的頻率減小，顯示就會慢，看的更清晰?？偨Y(jié)本次設計是我對課堂上的理論知識有了進一步的了解，并增強了對單片機這門課程的興趣。在整個設計過程中，我在圖書館查閱了大量的資料，在網(wǎng)上瀏覽了大量的信息，充分發(fā)揮個人的主觀能動性，自主學習，獨立思考，積極探索，接觸并學到了許多以前沒學