多通道電壓信號采集器

1、. . . . 遼 寧 工 業(yè) 大 學 單片機與接口技術 課程設計（論文）題目：多通道電壓信號采集器院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 測控技術與儀器 學 號： 100301016 學生： 軼楠 指導教師：（簽字）起止時間：2013.6.17-2013.6.28課程設計（論文）任務與評語院（系）：電氣工程學院 教研室：測控技術與儀器學 號100301016學生軼楠專業(yè)班級測控101設計題目多通道電壓信號采集器課程設計（論文）任務工業(yè)現(xiàn)場中有很多檢測環(huán)節(jié)輸出為模擬電壓信號，設計一個能夠針對16路模擬電壓信號進行巡回檢測和現(xiàn)實的裝置。設計任務1以單片機為控制核心，對16路電壓信號進行采集；2設計

2、相應信號采集電路和切換電路；3設計4位按鍵，用于實現(xiàn)手動與自動的切換和設定；4采用6位數(shù)碼管進行顯示；設計要求：1、分析系統(tǒng)功能，盡可能降低成本，選擇合適單片機、數(shù)碼管顯示方式、按鍵電路和信號采集電路等；2、應用專業(yè)繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設計說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細的軟件設計說明，詳細闡述系統(tǒng)的工作過程，字數(shù)應在4000字以上。技術參數(shù)116路電壓信號中，每一路的巡檢周期為1s；2電壓變化圍010V，檢測精度為1%；3數(shù)碼管前1位顯示通道號，后3位顯示當前通道電壓值。工作計劃1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天，分散完成）2、選

3、擇液位傳感器、單片機等元器件型號。（1天，實驗室完成）3、繪制硬件電路圖。（1天，實驗室完成）4、按系統(tǒng)的控制要求，編寫軟件程序。（3天，分散2天，實驗室1天）5、上機調試、修改程序、答辯。（2天，實驗室完成）6、撰寫、打印設計說明書（1天，分散完成）指導教師評語與成績平時： 論文質量： 答辯： 指導教師簽字： 總成績： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘要隨著電子科技的不斷發(fā)展與進步，電壓測量成為廣大電子領域中必須掌握的過程，并且對測量的精度和采集功能的要求也越來越高，而電壓的測量與顯示系統(tǒng)甚為重要。本文介紹的重點是電壓數(shù)據(jù)的采集與顯示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集與

4、通信控制采用了模塊化的設計，數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了MCS-51系列單片機來實現(xiàn)，硬件部分是以單片機為核心，還包括模數(shù)轉換模塊，顯示模塊，和串行接口部分，還有一些簡單的外圍電路。本設計的目的是對16路輸入的電壓信號進行采集。并將采集到的數(shù)據(jù)進行處理、傳輸、顯示。本設計是將輸入的電壓通過A/D轉換，將模擬電壓信號轉換成數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號傳給單片機。經(jīng)單片機分析處理后，將處理數(shù)據(jù)傳輸給顯示系統(tǒng)，即由6位數(shù)碼管顯示。關鍵詞：單片機；模數(shù)轉換；6位數(shù)碼管16 / 20目錄第1章緒論11.1 簡介與應用11.2 設計概述1第2章課程設計方案22.1 系統(tǒng)概述22.2 系統(tǒng)構成2第3章硬件設計43.

5、1 A/D轉換43.2 單片機系統(tǒng)53.3 輸出顯示7第4章軟件設計84.1 程序設計流程圖84.2流程圖介紹8第5章課程設計總結10參考文獻11附錄12附錄12第1章 緒論1.1簡介與應用在工業(yè)控制現(xiàn)場，常常需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度、氣壓等，并將這些數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C上進行處理，由主機根據(jù)這些處理的結果，將控制信號傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進行各種操作。在數(shù)據(jù)采集與處理行業(yè)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)廣泛應用于各個領域。國外各種數(shù)據(jù)采集器的先后問世，將數(shù)據(jù)采集帶入了一個全新的時代。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應用需求有不同的定義，這使得多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展尤為重要。數(shù)據(jù)

6、采集是智能儀表，自動控制系統(tǒng)中不可缺少的部分。如果單片機本身帶A/D,D/A功能，則不必進行系統(tǒng)擴展。如果芯片本身不帶這種功能，則必須擴展A/D,D/A接口，則必須擴展存儲系統(tǒng)程序EPROM，以構成一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。芯片的選取應根據(jù)應用需要或實驗條件進行，一般在教學實驗中制作的采樣系統(tǒng)由于條件有限，其精度要求不能提高，如選ADC0809,DAC590與EPROMZ764等進行系統(tǒng)擴展。1.2設計概述本設計是以單片機為核心通過AD轉換器對16路電壓信號進行采集并轉換成數(shù)字信號，然后送入單片機，經(jīng)過單片機處理后由數(shù)碼管進行顯示。另外在系統(tǒng)中加入4個按鍵用以實現(xiàn)人機交互完成手動和自動的切換。第

7、2章 課程設計方案2.1 系統(tǒng)概述本設計是通過對16路電壓信號的采集，全面鞏固A/D轉換器、單片機、鍵盤和顯示的應用。系統(tǒng)功能：通過對多路電壓的采集實現(xiàn)實時監(jiān)測和顯示以了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)，進而對系統(tǒng)進行相應的調整。應用場合：需要對多路電壓信號采集分析的場合。2.2 系統(tǒng)構成 本設計主要由四部分構成：A/D轉換、單片機、鍵盤和顯示。設計構成圖如下A/D轉換單片機數(shù)碼管顯示鍵盤圖 2.1 系統(tǒng)組成AD轉換器的16個接口分別和外部16路電壓相連接，當任何一個接口的電壓信號進入轉換器后則開始轉換，輸入電壓信號經(jīng)過A/D轉換后成為數(shù)字信號。方案一是將16路電壓經(jīng)過一個多路模擬開關后，然后由輸出端傳給一個

8、AD轉換器，再由轉換器將數(shù)字信號傳給單片機。方案二是直接將16路電壓信號和一個16路AD轉換器相連接，然后輸出給單片機。 方案一考慮了經(jīng)濟方面的因素，但電路連接比方案二復雜，而且增加了器件，使得整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素增加，另外造成了AD轉換器的接口的浪費。方案二雖然采用的轉換器價格比一要昂貴，但整體利用率高，同時選用的器件的數(shù)量少，系統(tǒng)的可靠性較高。所以綜合考慮選用方案二。在轉換器轉換完成后，單片機的控制端給出信號使轉換器輸出通道打開，然后將數(shù)字信號送入單片機。再由單片機處理后并把數(shù)據(jù)轉化成BCD碼輸出給鎖存器，當鎖存器鎖存信號允許打開時由鎖存器驅動數(shù)碼管顯示。顯示部分由四位數(shù)碼管組成并采用動態(tài)

9、顯示，第一位用來顯示通道，其余三位則用來顯示數(shù)值。系統(tǒng)共設置四個按鍵則用來實現(xiàn)手動和自動功能的切換，四個按鍵和單片機端口連接，通過給入按鍵信號分別實現(xiàn)不同的功能包括：跳轉至上一個顯示、跳轉至下一個顯示、一直顯示當前位、跳轉至起始顯示，當單片機掃描到按鍵按下時則程序跳轉至相應的程序，由單片機分析處理后給輸出部分，然后由顯示部分顯示用戶所需要的數(shù)據(jù)。第3章 硬件設計3.1 A/D轉換轉換部分是16路電壓信號通過一個ADC0816進行模數(shù)轉換后，將輸出的八位數(shù)字量通過輸出端傳輸給AT89S51。因為A/D轉換器的工作頻率大約為500KHz，而由單片機ALE口輸出信號的頻率為2MHz，所以要將ALE的

10、輸出通過一個四分頻電路。分頻電路的組成如圖3.1。其中U6的CP端接單片機的ALE。電路是采用兩個74LS74進行四分頻，輸出端的頻率信號給ADC0816的CLOCK端，用以提供ADC0816的工作頻率。圖 3.1 分頻器電路圖圖3.2是ADC0816和單片機的接線圖。IN0-IN15為16路電壓輸入端，23-31引腳是8位數(shù)據(jù)輸出端和單片機的P0口連接，轉換后的數(shù)據(jù)由AD輸出后從P0口進入單片機。轉換器的地址控制端即ADD A-ADD D和單片機的P1.4-P1.7連接，單片機的四個輸出口輸出的數(shù)據(jù)改變時相應的AD轉換器的不同的通道會打開使外部信號進入轉換器，然后把輸入的數(shù)據(jù)進行AD轉換。轉

11、換器的START用來控制轉換的開啟，轉換開啟是手單片機的P3.5控制的，當P3.5輸出一個高電平時會使轉換器啟動。當數(shù)據(jù)轉換完成后要輸出，但輸出允許控制位要受單片機控制的P3.6控制，只有當OE允許時AD轉換器才會把數(shù)據(jù)輸出給單片機。圖 3.2 RETZ R7,$01于本人初涉單片機也無法確保AD轉換器和單片機連接圖3.2 單片機系統(tǒng)圖3.3為振蕩器和復位電路的電路圖。單片機工作時是需要時鐘電路的，雖然單片機部有時鐘電路，但自己本身不會工作，必須要在外部給予振蕩源。單片機的復位是靠外部復位電路來實現(xiàn)的，復位可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機重新啟動。在復位電路過按下SW鍵10ms以

12、上的時間便可以使單片機可靠的復位,當RET從高電平變?yōu)榈碗娖胶髥纹瑱C會從0000H地址開始執(zhí)行程序。圖 3.3 晶振和復位電路圖為單片機子系統(tǒng)的組成原理圖。單片機子系統(tǒng)以MCS-51系列單片機8031為核心，外足存儲控制程序和采集數(shù)據(jù)量的要求。從采集數(shù)據(jù)量來看，最大數(shù)據(jù)量發(fā)生在第一通道擴8K*8的RAM6264和8K*8的ROM。這兩種芯片都具有較高的性能/價格比，同時也能滿的衰減振蕩持續(xù)時間為最長時的情形。為保證精度和波形的復現(xiàn)，當取樣頻率為5KHz時，對于持續(xù)時間為0.4S的衰減振蕩，為采集其完整的信號則需要采集2000點。若每點用8位來量化，則要求RAM至少應大于2K字節(jié)容量。其他三路信

13、號是慢變化信號，而且有數(shù)碼管實時顯示，所以占用RAM的容量很少。因此選用6264完全能滿足要求，并留有適當?shù)挠嗔恳员憬窈筮M一步擴展功能。圖 3.4 MCS-51系列單片機80313.3 輸出顯示圖3.5是輸出顯示部分，是由鎖存器和數(shù)碼管兩部分組成。單片機P2口輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器所存并驅動后面的數(shù)碼管，則相應的字符便會得到顯示。鎖存器74LS273為上升沿所存，當單片機的控制信號給CLK高電平時，鎖存器鎖存輸出的數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)由Q端輸出，驅動數(shù)碼管。當需要顯示下一個字符時則控制端再次給以一個上升沿。數(shù)碼管的控制端用于控制位選，四位數(shù)碼管的位選控制端是和譯碼器74HC139的四個輸出端連接的，當位

14、選端給低電平時是數(shù)碼管點亮，高電平時則熄滅。系統(tǒng)的顯示采用的是動態(tài)顯示，即每個時刻只有一個數(shù)碼管亮，通過循環(huán)執(zhí)行實現(xiàn)16路電壓的顯示。圖3.5 數(shù)碼管顯示第4章 軟件設計4.1 程序設計流程圖圖4 主程序流程圖4.2 流程圖介紹整個流程圖是從外部輸入給AD的電壓開始，電壓經(jīng)AD入口進入轉換器，同時單片機控制地址輸入信號使要選擇的轉換通路打開，然后控制信號啟動AD轉換。當轉換結束后，單片機控制輸出允許打開，則轉換數(shù)據(jù)進入單片機。單片機處理后將得到的數(shù)轉化成BCD碼然后輸出給鎖存器，鎖存器控制端控制鎖存信號并通過輸出端輸出，然后由數(shù)碼管顯示。顯示時間1s后控制AD地址輸入端輸入下一個地址，然后下一

15、路電壓信號進入。當16路電壓信號全部顯示一遍后跳轉至起始地址，從新開始進行16路電壓的顯示。16路電壓的循環(huán)顯示則由程序中的判斷語句執(zhí)行。每次執(zhí)行完一次顯示后進行一次判斷，不滿16是則順序往下執(zhí)行，到達16時程序跳轉至開始，重新開始新一輪的轉換和顯示。第5章 課程設計總結本設計以MCS-51系列單片機8031為核心部件，單片機系統(tǒng)完成對電表信號的采集、處理、顯示等功能，利用匯編語言編制相應的控制和顯示程序以達到對16路電壓信號采集的目的。通過這次課程設計讓我了解了更多關于單片機的知識，為今后的學習打下了堅實的基礎。本設計的主要特點是適用性強，用戶只需對界面參數(shù)進行觀察來判斷系統(tǒng)的運行情況；并且

16、同時對多路電壓監(jiān)測，提高了效率；可以實現(xiàn)手動和自控的切換便于操作；采用動態(tài)顯示的方法降低了功耗；系統(tǒng)成本低廉，操作非常簡單。但是本設計只能對小圍的電壓信號進行監(jiān)測，在使用上受到了一定的限制；按鍵控制方面比較簡單只能實現(xiàn)一些基本功能，上下循環(huán)顯示、本位顯示、起始顯示，對于一些手動要求比較多并且較復雜的場合，本設計在功能實現(xiàn)上就會帶來一定的困難。我很感學校和老師提供的課程設計的機會。在本次設計過程中，我始終認認真真，真正做到每個字，每個圖都盡可能盡善盡美，盡可能以較高的標準來完成本次設計，為以后的課程設計和畢業(yè)設計都打下良好的基礎，讓自己學到的知識日益完善。總之，這次課程設計使我受益非淺，為我今后

17、的專業(yè)課學習打下了良好的基礎，同時也為我自己樹立了信心，對我所學的知識產生了濃厚的興趣，相信自己可以學好今后的課程。參考文獻1 梅麗鳳.單片機原理與接口技術.：清華大學，2009。2 周立功.單片機實驗與實踐. ：航空航天大學，2004。3 武慶生,仇梅.單片機原理與應用.電子科技大學出版，1998。4 王楚.電子線路.：大學，2003。5 宋錦河.電工電子學.：科學，2004。6 王秀珍編.微型計算機A/D、D/A轉換接口技術與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).：清華大學，1999。7 Okazoe H,Shimizu K,Watanabe Y.et al. Develop-ment of a Full-Flo

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19、tronics. S3C44BOX Risc microcontroller ARM instruction sheet .2002.10 Samsung Electronies. S3C44BOX Risc microprocessor data sheet .2002.11 AMD Corp. AM29LV16OD Data Sheet .amd.eoln/. 2005. 12 Hynix Corp. HY57V641620HG Data Sheet .hynix./. 2005.13吳益飛.勝.微計算機信息.2006年第22卷第7-2期。14蔡驊.單片機開發(fā)與應用（嵌入式與SOC）200

20、9年第11-3期。15肖立中.邵志清.通用串行總線與其開發(fā).2010年第5卷3-11期。附錄 圖（4）總體電路圖附錄 CLR P3.5 CLR P3.6CLR P1.4 CLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7SETB P3.5LCALL DEL AD轉換需要大概10-50us設置一個延遲SETB P3.6CLR P3.5 CLR P3.6AD轉換通道0的轉換程序CLR P1.4 CLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7SETB P3.5 LCALLDELSETBP3.6CLR P3.5CLR P3.6AD轉換通道1的轉換程序LOOP:CLR P3.3 MOV P2,#data1 第一位數(shù)碼管給值 CLR P3.0CLR P3.1LCALL DEL