智能儀器設(shè)計(jì)論文

1、 引言我國(guó)目前中小型企業(yè)在整個(gè)工業(yè)產(chǎn)業(yè)中占相當(dāng)大的比例，這些企業(yè)的監(jiān)控模式主要為模擬控制系統(tǒng)加以常規(guī)儀表為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種監(jiān)控模式存在著檢修維護(hù)工作量大、沒有可靠的歷史記錄等缺點(diǎn)。而且常規(guī)模擬儀表也進(jìn)入老化淘汰期，設(shè)備可靠性明顯降低，某些儀表的備品備件也得不到保障，因此中小型企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)改造工作已勢(shì)在必行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場(chǎng)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(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少

2、的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集的工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)包括電氣參數(shù)和非電氣參數(shù)兩類。其中電氣參數(shù)主要有電流、電壓、功率、頻率等模擬量，斷路器狀態(tài)、隔離開關(guān)位置、繼電保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等開關(guān)量以及表示電度的脈沖量等。而非電氣參數(shù)種類較多，既可以是采集某些工業(yè)中的各種溫度、壓力、流量等熱工信號(hào)，也可有水電廠中的水位、流速、流量等水工信號(hào)，還可以采集諸如絕緣介質(zhì)狀態(tài)、氣象環(huán)境等其它信號(hào)。本次設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于單片機(jī)的測(cè)量軟硬件來實(shí)現(xiàn)靈活的測(cè)量顯示系統(tǒng)，它主要完成數(shù)據(jù)信息的采集、A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換、數(shù)據(jù)顯示及實(shí)現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛快發(fā)展和普及，以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為核心

3、的設(shè)備也迅速在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求也越來越高。 第1章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述 1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展概況 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代,1956年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng),目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件,由非熟練人員進(jìn)行操作,并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性,可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。大約在60年代后期，國(guó)外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，此階段的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代中后期隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了

4、采集器、儀表同計(jì)算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一類是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。就使用的總線而言，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用并行總線，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用串行數(shù)據(jù)總線。20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀器儀表和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，第二類以數(shù)據(jù)采集卡標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。20世紀(jì)90年代至今，在國(guó)

5、際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)備又叫數(shù)據(jù)采集器，根據(jù)數(shù)據(jù)采集器的使用用途不同，數(shù)據(jù)采集器大體上可分為兩類：在線式數(shù)據(jù)采集器和便攜式數(shù)據(jù)采集器。在線式數(shù)據(jù)采集器又可分為臺(tái)式和模塊式，臺(tái)式、便攜式數(shù)據(jù)采集器大部分由交流電源供電，模塊式數(shù)據(jù)采集器大部分由直流電源供電，一般是非獨(dú)立使用的。在采集器與計(jì)算機(jī)之間由電纜聯(lián)接構(gòu)成數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，一般不脫機(jī)單獨(dú)使用。數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用涉及到眾多的領(lǐng)域，下以介紹數(shù)據(jù)采集器及系統(tǒng)的幾種典型

6、應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集器在實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，由美國(guó)PA SCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由3部分組成：傳感器，利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)接口，將來自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為25萬次/s；軟件，中文及英文的應(yīng)用軟件。數(shù)據(jù)采集器在物流供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用，便攜式數(shù)據(jù)采集器的另一種類型是為掃描物體的條碼符號(hào)而設(shè)計(jì)的，適合于脫機(jī)使用的場(chǎng)合。識(shí)讀時(shí)，與在線式數(shù)據(jù)采集器相反，它是將掃描器帶到條碼符號(hào)前掃描，因此又稱之為手持終端機(jī)、盤點(diǎn)機(jī)。它由電池供電與計(jì)算機(jī)之間的通信并不與掃描同時(shí)進(jìn)行，它有自己的內(nèi)部?jī)?chǔ)存器，可以存儲(chǔ)一定量的數(shù)據(jù)，

7、并可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑦@些數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集器在海洋站自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中起到中堅(jiān)作用，它是海洋站業(yè)務(wù)化運(yùn)行能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成 本次智能儀器課程設(shè)計(jì)的主題是數(shù)據(jù)采集與顯示，這個(gè)系統(tǒng)主要有：數(shù)據(jù)采集體統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)和鍵盤控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將外部非電量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，便于單片機(jī)對(duì)這些變量做進(jìn)一步的運(yùn)算。當(dāng)然，這一部分還包括放大、濾波等部分，在這次設(shè)計(jì)中，我們直接采集的是單片機(jī)板上05V的電壓。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是對(duì)采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度變換。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的作用主要是將處理過的數(shù)據(jù)通過LED顯示出來

8、。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程如圖2-1所示。圖2-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖根據(jù)本次課程設(shè)計(jì)的要求，硬件所需元器件的作用主要是實(shí)現(xiàn)采集與顯示。單片機(jī)89C52是這個(gè)設(shè)計(jì)的核心，它不僅進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工作，而且控制這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行?，F(xiàn)在采集的芯片多種多樣，這里我們使用的是采用串行通信方式的ADC0832，ADC0832數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的主要功能是將外部模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字量，這個(gè)類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度相對(duì)較高，而且可靠性高。顯示部分主要的元器件是74LS164，它接受單片機(jī)的顯示數(shù)據(jù)并將其傳送給LED數(shù)碼管。本次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要的元器件如表2-1所示。表2-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用元器件序號(hào)器件名稱參數(shù)及說明數(shù)量1

9、89C52單片機(jī)12ADC0832轉(zhuǎn)換器13滑動(dòng)變阻器14電容C1、C2為30pF；C3為10µF35晶振12MHz16按鈕開關(guān)5774LS164移位寄存器48LED數(shù)碼管49蜂鳴器110電阻若干2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路智能儀器課程設(shè)計(jì)軟件部分采用C51語言設(shè)計(jì)，整個(gè)程序大體可以分為主程序與各種功能的子程序。其中主程序主要的作用是初始化與調(diào)用子程序，程序執(zhí)行過程的實(shí)質(zhì)就是在執(zhí)行主程序，在這個(gè)過長(zhǎng)中通過調(diào)用程序，實(shí)現(xiàn)要求的功能。每個(gè)子程序都有特定的功能，在本設(shè)計(jì)中主要有一下程序：初始化子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、標(biāo)度變換子程序、數(shù)碼管顯示子程序、鍵盤掃描子程序、報(bào)警子程序、中斷程序

10、以及各個(gè)端口定義程序。初始化程序中主要完成的任務(wù)有單片機(jī)上電初始化、定時(shí)器初始化以及各個(gè)端口初始化。數(shù)據(jù)采集程序主要的作用是完成數(shù)據(jù)采集功能，將外部電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。標(biāo)度變換程序的作用是將采集來的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成我們需要的量程范圍。鍵盤掃描程序是定時(shí)掃描K1、K2、K3、K4。報(bào)警程序是當(dāng)測(cè)量值大于報(bào)警值時(shí)，發(fā)出報(bào)警鈴聲。定時(shí)中斷程序的任務(wù)是在計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)，給計(jì)數(shù)器賦予初始值，并完成鍵盤掃描程序及相關(guān)變量技術(shù)。顯示子程序的作用是從單片機(jī)串行接收數(shù)據(jù)，將接受的數(shù)據(jù)依次送到LED數(shù)碼管顯示，本次設(shè)計(jì)中每隔1s顯示一次數(shù)據(jù)。這個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)的流程如圖2-2所示。圖2-2 程序流程圖第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1

11、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是由電源、滑動(dòng)變阻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0832、單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、移位寄存器74LS164、數(shù)碼管、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232、九針串口、按鍵等組成的。信號(hào)由電源和滑動(dòng)變阻器分壓得到，因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，所以要將電壓模擬量通過ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再由單片機(jī)對(duì)采集過來的數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)度變換等操作。用74LS164對(duì)采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)顯示。用按鍵設(shè)置顯示的不同界面以及調(diào)節(jié)報(bào)警上限值，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)高于上限值時(shí)，系統(tǒng)便發(fā)出報(bào)警鈴聲。3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要硬件介紹3.2.1 89C52單片機(jī)概述電子計(jì)算機(jī)是一種高速而精確地進(jìn)行各

12、種數(shù)據(jù)處理的機(jī)器，俗稱電腦。這是人類生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)又有力地推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展。在微處理器問世不久，便出現(xiàn)了一個(gè)大規(guī)模集成電路為主組成的微型計(jì)算器，即單片微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)面向控制性應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入到各種產(chǎn)品之中，以提高產(chǎn)品的智能化，所以單片機(jī)又稱為嵌入式微控制器。典型的單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 典型的單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)是以一個(gè)大規(guī)模集成電路為主組成的微型計(jì)算機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器和I/O接口，CPU通過內(nèi)部的總線和存儲(chǔ)器、I/O接口相連。其中CPU是單片機(jī)的核心部件，它包括運(yùn)算器和控制器，CPU控制數(shù)據(jù)的處理

13、和整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的操作。單片機(jī)的存儲(chǔ)器都是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，通常程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分布于不同地址區(qū)域，類型也不同。由于單片機(jī)的應(yīng)用多種多樣，因此單片機(jī)I/O接口的種類也很豐富。3.2.2 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理在工業(yè)控制和智能化儀表中，通常由微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。計(jì)算機(jī)所加工的信息總是數(shù)字量，而被控制或被測(cè)量的有關(guān)參量往往是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、速度、壓力等，與此對(duì)應(yīng)的電信號(hào)是模擬信號(hào)。模擬量的存儲(chǔ)和處理比較困難，不適合作為遠(yuǎn)距離傳輸且易受干擾。在一般的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中傳感器把非電量的模擬信號(hào)變成與之對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，然后經(jīng)模擬（Analog）到數(shù)字（Digital

14、）轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送微機(jī)處理。這就是一個(gè)完整的信號(hào)鏈，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換過程就是我們經(jīng)常接觸到的ADC（Analog to Digital Convert）電路。本次智能儀表課程設(shè)計(jì)，我的題目是數(shù)字顯示儀表，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)過LED數(shù)碼管顯示采集的數(shù)據(jù)。ADC0832采用串行通信方式，ADC0832是8腳雙列直插式雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，能分別對(duì)兩路模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以用在單端輸入方式和差分方式下工作。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端進(jìn)行通道選擇、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳送。8位的分辨率（最高分辨可達(dá)256級(jí)），可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)

15、據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。ADC0832 具有以下特點(diǎn)： 8位分辨率； 雙通道A/D轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； 5V電源供電時(shí)輸入電壓在05V之間； 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32S； 一般功耗僅為15mW。 正常情況下ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)使用并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以在I/O口資源緊張時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/D

16、I 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘（CLK）輸入端輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第二、三個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。ADC0832引腳如圖3-2所示。 圖3-2 ADC0832引腳圖3.2.3 74LS164移位寄存器的工作原理74LS164是高速硅門 CMOS 器件，與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。74LS164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄

17、存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。時(shí)鐘 (CP) 每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長(zhǎng)度。主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。74LS164寄存器的特點(diǎn)如下： 門控串行數(shù)據(jù)輸入； 異步中央復(fù)位； 符合 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) no. 7A ； 靜電放

18、電（ESD）保護(hù)； 多種封裝形式。74LS164的DSA 引腳用于數(shù)據(jù)輸入 ，從單片機(jī)接受串行輸出的數(shù)據(jù)；Q0Q7引腳用于數(shù)據(jù)的輸出，這8個(gè)引腳輸出的是數(shù)碼管接受的數(shù)據(jù)碼，從而顯示數(shù)據(jù)；CP為芯片的脈沖輸入端；VCC與GND分別是74LS164的電源端與地。74LS164的引腳如圖3-3所示。圖3-3 74LS164引腳圖3.2.4 MAX232接口芯片簡(jiǎn)介MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。MAX232是用來做電平轉(zhuǎn)換的,標(biāo)準(zhǔn)RS232的電平很高，達(dá)正負(fù)15V。常用的TTL電平最高5V。相互連接的話，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換！由于

19、電腦串口輸出電壓高達(dá)12V，直接與單片機(jī)連接會(huì)燒壞芯片。所以用MAX232來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)。MAX232芯片采用單+5V電源供電，僅需幾個(gè)外接電容即可完成從TTL到RS232電平的轉(zhuǎn)換。MAX232共有兩個(gè)通道，其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道；8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1O

20、UT、R2OUT輸出。MAX232芯片的主要特點(diǎn)有： 符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)； 只需要單一+5V電源供電； 內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器； 內(nèi)部集成兩個(gè)RS-232C接收器； 高集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作。單片機(jī)中的UART和電腦串口RS232的區(qū)別僅僅在于電平的不同,電腦中串口采用的是RS232電平,而單片機(jī)中采用的是UART。所以采用TTL電平時(shí),如果不進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,單片機(jī)跟電腦串口就不能進(jìn)行直接通信,只要單片機(jī)與電腦的電平統(tǒng)一了,兩者之間就可以直接通信。于是應(yīng)用了MAX232這一芯片，MAX232對(duì)兩者之間通信的數(shù)據(jù)沒有任何作用,僅僅是中介而已,而其只是負(fù)責(zé)將兩者

21、之間的電平進(jìn)行統(tǒng)一,使兩者之間沒有通信障礙。MAX232引腳如圖3-4所示。圖3-4 MAX232引腳圖3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路3.3.1 89C52單片機(jī)使用電路 89C52時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，可以通過提高時(shí)鐘頻率來提高CPU的速度。目前51系列單片機(jī)都采用CMOS工藝，準(zhǔn)許的最高頻率隨型號(hào)而變化。89C52等CMOS型單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可控的反向放大器，引腳XTAL1、XTAL2為反向放大器的輸入端和輸出端，在XTAL1、XTAL2外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容便組成振蕩器。現(xiàn)在流行的串行時(shí)鐘電路很多，如DS1302、DS1307等。這些電路的接口

22、簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，被廣泛地采用。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302是DALLAS公司的一種具有涓細(xì)電流充電能力的電路，主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。89C52的時(shí)鐘電路如圖3-5所示。圖3-5 89C52時(shí)鐘電路在圖3-2中，電容C1、C2的典型值為30pF±10pF（晶振）或40pF±10pF（陶瓷諧振器）。振蕩器頻率主要取決于晶振（或陶瓷諧振器）的頻率，但必須小于器件所準(zhǔn)許的最高頻率，在本次試驗(yàn)中單片機(jī)晶振采用的是12MHz。 復(fù)位和復(fù)位電路 計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使CPU和其他部件都置為一個(gè)確定的初始狀態(tài)

23、，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。89C52等CMOS 51系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST是史密特觸發(fā)輸入腳。當(dāng)晶振起振以后，在RST引腳上輸入2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，器件便進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)，ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3輸出高電平，RST上輸入返回低電平以后，便退出復(fù)位狀態(tài)開始工作。當(dāng)Vcc的上升時(shí)間為10ms，振蕩器的頻率為12MHz，則復(fù)位電路中C的典型值為10µF,R為310k。89C52單片機(jī)復(fù)位電路如圖3-6所示。圖3-6 89C52復(fù)位電路3.3.2 ADC0832數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)ADC0832數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的主要功能是將外部模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字量，在模擬時(shí)要為ADC

24、0832設(shè)計(jì)一個(gè)模擬量輸入電路，在我的設(shè)計(jì)里用的是一個(gè)滑動(dòng)變阻器連接電源，通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值，從而改變輸入ADC0832模擬量的電壓輸入。同時(shí)在proteus仿真的時(shí)候?yàn)檩斎胩砑右粋€(gè)電壓表，與設(shè)計(jì)電路的顯示相比較，可以清楚看出采集顯示的相對(duì)誤差。ADC0832模擬信號(hào)輸入端有兩個(gè)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)我采用的是CH0，即將滑動(dòng)變阻器與CH0相連接。VCC與GED引腳分別接電源與地，為轉(zhuǎn)換器供電。DO與DI端口連在一起與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ADC0832之間的數(shù)字量交換。CLK是轉(zhuǎn)換器脈沖輸入端，CS是使能端口，這兩個(gè)端口分別與單片機(jī)的相應(yīng)端口相接，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC0832轉(zhuǎn)換器的控制，一方面控制單片

25、機(jī)將控制信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器，另一方面控制單片機(jī)從轉(zhuǎn)換器取得轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，進(jìn)而對(duì)數(shù)字量進(jìn)行下一步運(yùn)算。ADC0832數(shù)據(jù)采集電路如圖3-7所示。圖3-7 ADC0832數(shù)據(jù)采集電路3.3.3 74LS164驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)74LS164是串入并出移位寄存器，在我的設(shè)計(jì)里我一次要顯示四個(gè)數(shù)字，又根據(jù)下發(fā)硬件的條件，這里需要4個(gè)移位寄存器和4個(gè)LED數(shù)碼顯示管。每個(gè)寄存器與數(shù)碼管一一對(duì)應(yīng)，寄存器的最低位Q0與LED數(shù)碼的最低位相對(duì)應(yīng)。在本次課程設(shè)計(jì)中數(shù)碼管采用的是共陰極顯示管，將4四個(gè)數(shù)碼管的使能端共同接地。共陰極數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。圖3-8 共陰極數(shù)碼管74LS164移位寄存器將接受的第一個(gè)

26、數(shù)據(jù)傳送到Q0端，當(dāng)寄存器接受第二個(gè)寄存器時(shí)，依然將數(shù)據(jù)送給Q0端，與此同時(shí)之前Q0端口的數(shù)據(jù)被擠給下一個(gè)端口Q1，一次類推，送滿8次數(shù)據(jù)后，第一個(gè)移位寄存器的8個(gè)輸出端口就都得到數(shù)據(jù)了，這8個(gè)端口與LED數(shù)碼管的數(shù)據(jù)口相接就可以顯示所要的數(shù)據(jù)。這只是一位數(shù)碼管的顯示，我們要顯示4位數(shù)據(jù)，首先將4個(gè)寄存器的脈沖輸入端連在單片機(jī)的同一個(gè)端口，其次將第一個(gè)寄存器的Q7輸出端口連接在下一個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)輸入端DSA，當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，在同一個(gè)脈沖作用下，第一個(gè)寄存器Q7端口的數(shù)據(jù)就會(huì)被擠到下一個(gè)寄存器的Q0輸出口。以此類推，單片機(jī)給74LS164送28次數(shù)據(jù)后，4個(gè)寄存器就都有了數(shù)據(jù)，從而4個(gè)數(shù)碼管就顯

27、示了相應(yīng)的數(shù)字。74LS164移位寄存器驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管流程如圖3-9所示。圖3-9 74LS164移位寄存器驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下載與調(diào)試4.1.1 Keil軟件簡(jiǎn)介 Keil C51程序編寫軟件是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開

28、發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。我們?cè)贙eil環(huán)境下進(jìn)行編寫程序，編寫好后利用Keil編譯，最重要的是在這個(gè)環(huán)境下可以生成HEX文件，這個(gè)文件在proteus仿真以及下載到硬件時(shí)是必不可少的。 4.1.2 STC_ISP_V479燒入軟件簡(jiǎn)介在Keil環(huán)境下編寫的程序如果調(diào)試沒有錯(cuò)誤，并生成HEX文件，之后在proteus軟件里仿真正確，便可以通過STC_ISP_V479軟件將程序燒入到硬件電路中，具體步驟如下： 打開STC_ISP_V479，導(dǎo)入程序

29、HEX文件。 選擇單片機(jī)，我們選擇89CR52。選擇數(shù)據(jù)接口，根據(jù)下載線選擇不同類型。選擇數(shù)據(jù)帶寬，根據(jù)單片機(jī)類型選擇，我們選擇115200即可。選擇好后點(diǎn)擊下載，出現(xiàn)握手連接時(shí)打開單片機(jī)電源。4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要程序設(shè)計(jì)4.2.1 ADC0832數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) ADC08232芯片完成的功能是將外部模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因?yàn)閱纹瑱C(jī)接受的是數(shù)字量。采用ADC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平,在前三個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降之前DI端輸送的是配置信號(hào)。ADC0832數(shù)據(jù)采集程序流程如圖4-1所示。圖4-1 ADC0832數(shù)據(jù)采集程序流程圖4.2.2 標(biāo)度變換程序設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中標(biāo)度變換有三

30、個(gè)選項(xiàng)，第一個(gè)是當(dāng)界面標(biāo)志變量等于0時(shí)，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成05V的電壓量，這直接等于ADC0832采集的數(shù)據(jù)。第二個(gè)是界面標(biāo)志變量等于1時(shí)，將05V的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0100的溫度變量，這里可以通過改變程序的數(shù)值，從而改變標(biāo)度變換的量程。第三個(gè)是界面標(biāo)志變量等于2時(shí)，程序執(zhí)行的是轉(zhuǎn)換上限值，這里主要是對(duì)上限值的分解，便于后面顯示程序的執(zhí)行。標(biāo)度變換程序流程如圖4-2所示。圖4-2 標(biāo)度變換程序流程圖 4.2.3 74LS164靜態(tài)顯示程序設(shè)計(jì)顯示部分有三種顯示界面，一種是顯示電壓值，一種是顯示溫度值，一種是顯示上限值。關(guān)于一個(gè)時(shí)間內(nèi)顯示的界面由鍵盤來控制，當(dāng)界面標(biāo)志變量確定后，顯示的數(shù)據(jù)在標(biāo)度變

31、換的程序中就已經(jīng)準(zhǔn)備好了，在顯示函數(shù)中只是調(diào)用這些數(shù)據(jù)。這部分程序中重要的是74LS164的使用，它是串入并出的移位寄存器，當(dāng)有下降沿來時(shí)，74LS164就會(huì)接受一位數(shù)據(jù)，并將其送到LED數(shù)碼管中顯示。74LS164靜態(tài)顯示程序流程如圖4-3所示。圖4-3 74LS164靜態(tài)顯示程序流程圖4.2.4 鍵盤及報(bào)警系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 鍵盤的程序的主要功能是控制LED顯示界面的形式，通過界面標(biāo)志變量不同數(shù)值，從而控制不同的界面顯示。此程序中還包括了調(diào)節(jié)報(bào)警上限的函數(shù)，其中在顯示報(bào)警上限界面的條件下，調(diào)節(jié)鍵盤可以使上限加一或減一。此外，還設(shè)置了警報(bào)解除按鍵，在發(fā)出警報(bào)的過程中，如果警報(bào)變量等于1，則解除警報(bào)

32、。在硬件設(shè)置時(shí)，K1為界面變量控制按鈕；K2為上限值加一按鈕；K3為上限值減一按鈕；K4為警報(bào)變量控制按鈕。鍵盤系統(tǒng)程序流程如圖4-4所示。 圖4-4 鍵盤系統(tǒng)程序流程圖 警報(bào)鈴聲程序就是一個(gè)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的程序，當(dāng)顯示界面在0100溫度變量和上限值時(shí)，如果采集的溫度變量高于上限值時(shí)，蜂鳴器便被驅(qū)動(dòng)發(fā)出報(bào)警。當(dāng)報(bào)警變量被賦予1時(shí)，報(bào)警解除。第5章 總結(jié)智能儀器課程設(shè)計(jì)在我們學(xué)習(xí)了單片機(jī)和智能儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這不僅使我們對(duì)這兩門課的基礎(chǔ)知識(shí)得到鞏固，更重要的是我們加深了這兩門課的學(xué)習(xí)。在軟件方面，我進(jìn)一步掌握了Keil的使用，現(xiàn)在可以說利用這個(gè)軟件編寫基本的程序已經(jīng)沒有問題。其次就是proteu

33、s仿真軟件的不斷練習(xí)，僅僅有寫程序的能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)閷懗鰜淼某绦螂m然在Keil調(diào)試可以是正確的，但在實(shí)物中不一定能夠?qū)崿F(xiàn)，又因?yàn)橛布l件有限，這需要我們?cè)趐roteus仿真環(huán)境下進(jìn)行模擬。在上面兩種軟件中都調(diào)試正確后，便可以通過STC_ISP_V479燒入軟件下載到硬件中。在硬件方面，我加深對(duì)89C52單片機(jī)、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器、74LS164等硬件的學(xué)習(xí)，不僅在他們的工作原理上，而且在各個(gè)芯片的連接上。這次課程設(shè)計(jì)的意義不僅在于專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，因?yàn)槲覀兪?人一組做同一個(gè)課題，這次設(shè)計(jì)還鍛煉了我們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，我們分工明確，在完成各自任務(wù)后，把自己的成果與大家分享，共同完成了整個(gè)

34、課程設(shè)計(jì)，最終的目標(biāo)是讓每個(gè)人都理解整個(gè)設(shè)計(jì)。在這個(gè)過程中，我學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)從什么方向著手，怎樣發(fā)現(xiàn)問題，從而解決問題。感謝李忠虎教授在設(shè)計(jì)中給予的指導(dǎo)與幫助！附錄A：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件原理圖附錄B：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)源程序#include "reg52.h"#include "math.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit display_date=P10;sbit display_clk =P11; sbit adc0832_cs=P20; / ADC0832片選引腳sb

35、it adc0832_clk=P36; /ADC0832時(shí)鐘引腳sbit adc0832_di=P37; /ADC0832數(shù)據(jù)輸入sbit adc0832_do=P37; /ADC0832數(shù)據(jù)輸出sbit key_set=P14;sbit key_up=P15;sbit key_down=P16;sbit key_out=P17; uchar code display_code10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f ; uchar d4; /相應(yīng)電壓各位數(shù)上的值float temp; /定義一個(gè)浮點(diǎn)型變量uchar T0COUN

36、T0=0,T0COUNT1=0; /T0定時(shí)中斷計(jì)數(shù)變量uchar Z=1,jm=0,sx=60,qq=0,jb=0;/qq為警鈴標(biāo)志變量，jb為鍵盤警鈴標(biāo)志變量 void init_t0_1() TMOD=1; /設(shè)置T0為定時(shí)功能，工作方式1，16位定時(shí)TH0=0x3c;TL0=0xbc; /裝載定時(shí)50ms初值ET0=1; /開T0中斷EA=1; /開總中斷TR0=1; /啟動(dòng)T0uchar getvalue0832(bit channel) /ad0832采集數(shù)據(jù)uchar i, date1=0, date2=0, date3=0x27;adc0832_clk=0;adc0832_di

37、=1;adc0832_cs=0; / 開始轉(zhuǎn)換前CS片選為低，第一個(gè)下降沿前DI位高，表示開始adc0832_clk=1; adc0832_clk=0; /第一個(gè)下降沿adc0832_di=1; adc0832_clk=1; adc0832_clk=0; /第二個(gè)下降沿，模式選擇adc0832_di=channel; adc0832_clk=1; adc0832_clk=0; /第三個(gè)下降沿，通道選擇adc0832_di=1; /釋放總線for(i=0;i<8;i+) /從高到低取一次數(shù)據(jù)adc0832_clk=1; adc0832_clk=0;if(adc0832_do) / adc0

38、832_do 是取得的數(shù)據(jù)，為一就執(zhí)行date1|=0x80>>i; / 0x80先右移再和date1相或 for(i=0;i<8;i+)if(adc0832_do)date2|=0x01<<i; adc0832_clk=1;adc0832_clk=0; adc0832_cs=1; adc0832_di=1; adc0832_clk=1; /釋放總線if(date1=date2)return date1;elsereturn date3; / 如果顯示此數(shù)據(jù)說明轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)是0.761void BDBH() uchar i,qw;uint a;i= getv

39、alue0832(0);if(jm=0) /第一個(gè)量程0-5vtemp=i*0.01955684;d0=(uchar)(temp); temp=temp-d0;temp=temp*10;d1=(uchar)(temp); temp=temp-d1;temp=temp*10;d2=(uchar)(temp); temp=temp-d2;temp=temp*10;d3=(uchar)(temp); if(jm=1) /第二個(gè)量程0-100vtemp=i*0.39215683; a=(uint)(temp*10);d0=a/1000;a=a-d0*1000;d1=a/100;a=a-d1*100;d

40、2=a/10;d3=a%10;if(jm=2)a=(uint)(sx*10);d0=a/1000;a=a-d0*1000;d1=a/100;a=a-d1*100;d2=a/10;d3=a%10;for(qw=0;qw<4;qw+)dqw=display_codedqw;void mdelay(uchar i) /延時(shí)子程序，每加1增加0.5msfor(;i>0;i-)uchar j=244; while(-j);void display(uchar date_buf0) uchar i;for(i=8;i>0;i-)display_clk=0;display_date=date_buf0&0x80;display_clk=1;date_buf0=date_buf0<<1;voi