畢業(yè)論文基于單片機的數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計WORD檔P24

1、摘要1.模擬信號的處理采用都是數(shù)字信號處理方式，AD;2.非線性；3.對非線性的數(shù)模轉(zhuǎn)換提出了要求。在日常的小型工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計和控制過程中，溫度，壓力，流量，電壓和電流等模擬信號成為主要的被控參數(shù)，而這些參數(shù)大都具有非線性的特征；對現(xiàn)場這些需要控制的參數(shù)一般采用單片機構(gòu)成的最小數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)對其進行采集和處理，以滿足工業(yè)控制的要求。本論文結(jié)合經(jīng)典的最小數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，前向通道上仍舊使用模擬多路開關(guān)，A/D0809，80c51單片機對數(shù)據(jù)的采集和初步的數(shù)字化處理。論文中重點在后向通道的改進和設(shè)計上：通過采用軟件擬合的方法將非線性信號轉(zhuǎn)換為線性電信號，在不占用硬件資源的情況下，較

2、好的完成數(shù)字信號到模擬信號的關(guān)系轉(zhuǎn)換。利用單片機的編程過程及后向放大電路實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的擬合及放大使其最大程度的滿足信號的平滑性和通用性。本論文重點在于后向通道的非線性數(shù)據(jù)的擬合過程和編程實現(xiàn)信號的擬合過程，實現(xiàn)控制信號的通用性和平滑性，完成本次的設(shè)計目的。關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)模轉(zhuǎn)換器；非線性擬合；信號處理目錄1 引言························

3、;··································41.1問題提出··············

4、83;·····································41.2 解決方案···········

5、········································51.3整體安排········

6、3;···········································62 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計·····

7、;·········································7 2.1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計······&#

8、183;··································7 2.2 系統(tǒng)硬件電路組成·············

9、······························83 非線性理論··················

10、3;································13 3.1 非線性理論介紹···············&#

11、183;····························13 3.2 數(shù)據(jù)擬合方法···················&

12、#183;··························134 軟件系統(tǒng)設(shè)計·····················

13、83;···························14 4.1 單片機軟件設(shè)計····················&

14、#183;·······················15 4.2 軟件預(yù)處理························&

15、#183;·······················16 4.3 程序命令························&#

16、183;·························175 總結(jié)·······················&#

17、183;·································22參考文獻···············&#

18、183;·······································23附錄 ·········

19、83;···············································24第一章 引言1.1問題研究

20、提出 經(jīng)典的基于單片機的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，以及各種小型設(shè)備前向通道中的數(shù)據(jù)采集過程之中，該系統(tǒng)往往是對現(xiàn)場的溫度、濕度、光照強度、電壓和電流進行采集和控制，利用模擬多路開關(guān)和單片機以及一些外圍的放大濾波電路進行參數(shù)的控制和處理。在此過程中，單片機起在核心部件作用，連接模擬信號和數(shù)字信號，使整個處理過程既簡單又高效，同時功率消耗不大，環(huán)境適應(yīng)能力強，體積小，抗干擾能力強等諸多優(yōu)點。在經(jīng)典的采集系統(tǒng)中，單片機內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)模轉(zhuǎn)換，及程序設(shè)計和處理的過程。 這次論文研究的重點就在于第一單片機中集成的數(shù)模功能的應(yīng)用上，眾所周知，數(shù)模轉(zhuǎn)換原理，簡單的說就是把單片機

21、處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成可以供機器使用的電壓或者電流信號?，F(xiàn)在簡述下數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理： 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將輸入的每一位二進制代碼按其權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，則所得的總模擬量與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換；（1.1） （1.2） 數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要電路形式為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和到T型電阻網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化過程中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器有本身的分辨率，其值的計算方法為： (1.3)分辨率越高轉(zhuǎn)換時對輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏，輸入的數(shù)字量越高轉(zhuǎn)換精度越高。問題就在于當(dāng)輸入位數(shù)越高時，伴隨而來的轉(zhuǎn)換時間變慢，要求的數(shù)據(jù)存儲就會增大，同時轉(zhuǎn)換精度受溫度的影響；當(dāng)

22、輸入的位數(shù)比較小時就會導(dǎo)致模擬量變化幅度大，控制精度不高，波動影響嚴重。 第二方面由于不同的工業(yè)現(xiàn)場信號強度不同，同時對于不同的控制參數(shù)其信號曲線也不盡相同。因此，不同的控制參數(shù)和不同的控制場合都需要改變對應(yīng)的驅(qū)動電壓。要使我們的驅(qū)動電路能工作于任何一個控制現(xiàn)場或者適應(yīng)不同的控制信號，所以就必須在數(shù)據(jù)進入電路之前進行加工處理，將電路不可用的非線性信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐房捎玫木€性電信號。1.2 解決方案本次可編程的非線性數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是介紹一種軟件預(yù)處理辦法，實現(xiàn)一種主要由單片機構(gòu)成的將數(shù)字量轉(zhuǎn)變成為一種易于控制，通用的模擬量。其思想過程主要是借助數(shù)學(xué)中的一次計數(shù)直接擬合法，通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的線性擬合，經(jīng)

23、過MATLAB仿真，和放大電路的來增強信號的通用性，在此介紹下驅(qū)動電路的設(shè)計思想。圖1.2 軟件預(yù)處理設(shè)計：重構(gòu)控制參數(shù)曲線曲線根據(jù)分辨率計算偏置電壓驅(qū)動電路數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲WTWTD圖1.2軟件預(yù)處理設(shè)計軟件預(yù)處理單元的設(shè)計如圖1.2所示。首先，它根據(jù)不同的控制參數(shù)，構(gòu)造出其不同的曲線。繼而計算相應(yīng)的偏置電壓值，這些值就是驅(qū)動電路所要使用的驅(qū)動電壓。軟件預(yù)處理單元根據(jù)所求的偏置電壓值，對數(shù)據(jù)進行處理，計算出驅(qū)動電路要產(chǎn)生這些偏置電壓所需的二進制數(shù)據(jù)。1.3 論文整體安排 第一章節(jié)，主要說明問題的提出過程，與自己的解決方案，并且對設(shè)計做一個預(yù)期的設(shè)想結(jié)果。 第二章節(jié)，主要說明硬件電路的總體實際

24、方案，和各個部件的連接圖，并且繪制系統(tǒng)總原理圖。 第三章節(jié)，主要說明線性擬合的過程和原理。 第四章節(jié)，介紹系統(tǒng)硬件原理圖中，各個部分的軟件實現(xiàn)過程和部分軟件設(shè)計說明。第二章 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計2.1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計單片機為核心的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場使用最多的一種簡單的微型系統(tǒng)。它主要用來采集工業(yè)現(xiàn)場或者工作環(huán)境中的溫度，壓力，光照，流量和電壓電流等非線性的模擬信號作為控制參數(shù)，通過ADC把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機；再通過串行口連接計算機對數(shù)據(jù)進行大規(guī)模的存儲和處理，或者經(jīng)過自身的DA轉(zhuǎn)換功能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，然后經(jīng)過外圍的放大電路對工業(yè)現(xiàn)場進行控制。圖 經(jīng)典數(shù)據(jù)采集和

25、處理結(jié)構(gòu)簡圖：圖 經(jīng)典數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)構(gòu)簡圖本論文基于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，對單片機輸出的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)擬合，實現(xiàn)數(shù)字信號的模擬化，使信號更趨于平滑，具有更強的通用性。通過模擬多路開關(guān)與現(xiàn)場結(jié)合獲取所需的模擬信號即控制參數(shù)，把得到的信號經(jīng)過濾波器的處理和放大電路的放大再經(jīng)過ADC0832對其進行數(shù)字化處理，把模擬信號轉(zhuǎn)化成為二進制碼的機器語言傳送到單片機80C51中，經(jīng)過軟件預(yù)處理，將得到的數(shù)據(jù)進行擬合，使信號更具平滑性和通用性，將處理后信號經(jīng)由外部電路的放大送入繼電器單元進行控制，進而克服數(shù)模轉(zhuǎn)換后信號的波動。圖 經(jīng)過加工改造后的數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)構(gòu)簡圖：圖 經(jīng)過加工改造后的

26、數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)構(gòu)簡圖2.2 系統(tǒng)硬件電路組成 單片機因為本系統(tǒng)是典型的單片機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，因此所選用單片機的類型是否合適，對整個系統(tǒng)顯然起著至關(guān)重要的作用。選擇哪種型號的單片機作為控制核心，一般根據(jù)計算機的有關(guān)參數(shù)及經(jīng)濟效益與成本來決定的。往往以單片機的速度、精度、內(nèi)在容量，驅(qū)動能力、擴展能力和總系統(tǒng)所需價格幾個方面來考慮。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計要求，在選擇微處理器時，我們考慮了各種微處理器的價格情況，和我們學(xué)校的設(shè)備情況，經(jīng)過分析，現(xiàn)有設(shè)備中，我們利用偉福的H51/S仿真器，所以我們經(jīng)過論證，決定選用ATMEL公司的AT89C51芯片來完成我們對系統(tǒng)的設(shè)計。而且價格低廉，容易買到，所以我選用

27、了MCS-51系列中的AT89C51單片機，其主要特性如下：a) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器,基本可以完成簡單程序的存儲和運行b) 操作簡單，適用性強，可以兼容多種存儲和轉(zhuǎn)換芯片c) 內(nèi)置多種集成電路，減少接線和外部設(shè)計工作d)低功耗的閑置和掉電保護模式 單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)a)晶振電路和復(fù)位電路XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。采用外部時鐘驅(qū)動單片機，XTAL2空置即可。由于輸入到內(nèi)部時鐘信號要通過一個12分頻觸發(fā)器，保證脈沖的高低電平要求就行了。復(fù)位過程是單片機的初始化操作，其主要作用是使單片機從0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正

28、常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動。圖為單片機的最小系統(tǒng)：圖 單片機的最小系統(tǒng)b)I/O電路和存儲擴展對于無內(nèi)部ROM的單片機或者程序較大，內(nèi)部ROM不夠用時，需要外接程序存儲器芯片；數(shù)據(jù)量較大，內(nèi)部RAM不夠用還需擴展外部數(shù)據(jù)存儲器RAM芯片。在MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，程序存儲器的擴展，對于片內(nèi)無ROM的單片機是不可缺少的工作，程序存儲器擴展的容量根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要可在64KB范圍內(nèi)隨意選擇。用一片ROM2764做8KB片外程序存儲器，27256的片選端接地。用一片6264片外數(shù)據(jù)存儲器。6264的片選端接74LS13

29、8，當(dāng)Y0為低電平時選通。再用一片8255芯片實現(xiàn)單片機與PC機及外部設(shè)備的連接和外部設(shè)備的連接等。圖 單片機的內(nèi)存擴展電路:圖 單片機的內(nèi)存擴展電路圖圖 為單片機的I/O擴展電路連接圖：圖 為單片機的I/O擴展電路連接圖： 模擬輸入通道組成模擬通道即將現(xiàn)場中的模擬信號進行采集和數(shù)字化處理，主要包括傳感器、多路開關(guān)、AD轉(zhuǎn)化器、放大器及采樣保持器五個部分組成。圖為模擬信號采集和轉(zhuǎn)換原理圖：圖2.2.4 模擬信號采集和轉(zhuǎn)換原理圖2.2.4 AD0809芯片介紹和使用在單片機數(shù)據(jù)采集和處理的控制過程中，首先要對傳感器傳過來的信號進行處理，然而單片機只能接受數(shù)字信號，而傳感器中的信號為連續(xù)的電壓或者

30、電流信號，在這個過程中需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進行轉(zhuǎn)化再送到單片機中進行加工處理。A/D轉(zhuǎn)換器芯片的種類很多，在此我選擇了較為常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809。ADC0809是逐位逼近型8位單片A/D轉(zhuǎn)換芯片。片內(nèi)含8路模擬開關(guān)，可允許8個模擬兩輸入。片內(nèi)帶有三態(tài)輸出緩沖器，因此可直接與系統(tǒng)總線相連，是目前應(yīng)用較為廣泛的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片之一。圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的連接圖：圖 數(shù)模轉(zhuǎn)換器與單片機的連接圖2.2.5控制電路設(shè)計 本論文使用單片機輸出數(shù)字信號，經(jīng)由一片CD4013輸出數(shù)字信號，經(jīng)過軟件預(yù)處理過程和放大實行對外部電路即繼電器實行控制。第三章 非線性數(shù)據(jù)處理3.1非線性理論介紹在生產(chǎn)實踐和科學(xué)

31、實驗中,經(jīng)常會遇到大量的不同類型的數(shù)據(jù)(data).這些數(shù)據(jù)提供了有用的信息，可以幫助我們認識事物的內(nèi)在規(guī)律等.在一項工程實踐中，通過觀測，得到了一個離散的函數(shù)關(guān)系(xi,yi) i=1,2,n。由于工程的需要，我們希望揭示出反映這組離散數(shù)據(jù)的一個解析的函數(shù)關(guān)系。再用幾何術(shù)語來表達：根據(jù)平面上的觀測點,要求確定一個函數(shù)曲線y=f(x), 使曲線盡量接近這些點。實現(xiàn)這個愿望的方法簡稱為曲線擬合（fitting a curve).曲線擬合是根據(jù)實驗獲得的數(shù)據(jù)，建立自變量與因變量之間的函數(shù)關(guān)系，為進一步的深入研究提供工具。由于不同的工業(yè)現(xiàn)場信號強度不同，同時對于不同的控制參數(shù)其信號曲線也不盡相同。因

32、此，不同的控制參數(shù)和不同的控制場合都需要改變對應(yīng)的驅(qū)動電壓。要使我們的驅(qū)動電路能工作于任何一個控制現(xiàn)場或者適應(yīng)不同的控制信號，所以就必須在數(shù)據(jù)進入電路之前進行加工處理，將電路不可用的非線性信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐房捎玫木€性電信號，軟件預(yù)處理單元就是為此而設(shè)的。它采用軟件擬合的方法將非線性光信號轉(zhuǎn)換為線性電信號，在不占用硬件資源的情況下，較好的完成了信號的關(guān)系轉(zhuǎn)換。軟件預(yù)處理采用MATLAB軟件編程，對不同的處理對象，進行不同的處理；對不同的系統(tǒng)要求，可以隨時進行調(diào)整，因此，可以大大增強了驅(qū)動電路的通用性和信號的實用性。3.2數(shù)據(jù)擬合的方法 所謂數(shù)據(jù)擬合就是想辦法找到某種光滑的曲線最佳的擬合數(shù)據(jù)。這個過程

33、中，并不要求經(jīng)過每一個數(shù)據(jù)點，其思想是能夠反應(yīng)這些數(shù)據(jù)的變化趨勢，也就是平時所用的最小二乘法原理思想。數(shù)據(jù)擬合的途徑多種多樣，本論文采用簡單的mat lab軟件擬合數(shù)據(jù)的方法進行說明，以及一次計數(shù)直接擬合和二次計數(shù)逐步擬合方法的介紹。mat lab 仿真擬合在matlab仿真擬合時，主要有兩種方法：一種是使用matlab軟件中提供的函數(shù)命令對數(shù)據(jù)進行擬合，另外一種就是圖形界面操作窗口進行擬合。a) 函數(shù)形式的擬合方法使用非線性擬合數(shù)據(jù)命令lsqcurvefit,首先定義main函數(shù)文件，使用命令c=lsqcurvefit(fun,x0,x,y),其中x,y為實驗數(shù)據(jù)，fun為main函數(shù)，x0

34、為初始值，c為非線性擬合系數(shù)。b) 窗口形式擬合此種方法在熟悉matlab軟件的基礎(chǔ)上，可以簡單快速的實現(xiàn)非線性數(shù)據(jù)的擬合。3.2.2一次計數(shù)法直接擬合預(yù)處理單元a)首先根據(jù)控制現(xiàn)場的特征參數(shù)，擬合出參數(shù)的曲線形式b)計算系統(tǒng)所需的n個系數(shù)對應(yīng)的驅(qū)動電壓值Vdrive，n的個數(shù)由被控參數(shù)決定；c)計數(shù)器的最大值為2W-1，W為計數(shù)器的位數(shù)。由驅(qū)動電壓的擺幅范圍和W，計算一個時鐘周期CLK的驅(qū)動電壓值V= (Vdrive,max - Vdrive,min)/(2W-1)，在本文中Vdrive,min =0，所以V= Vdrive,max /(2W-1)。從關(guān)系式U=(I×(CLK/2)

35、/C得出，積分電流I和積分電容C是成正比的，電流越大，穩(wěn)定性越高，但是積分電容C就越大，所占用的版圖面積也就越大；時鐘越快，它的最小積分電壓值越小，電壓精度越高，但是時鐘的高頻影響就越大。綜合考慮各方面因素，對V進行有效位數(shù)取舍得V1，以V1為單位驅(qū)動電壓，重構(gòu)Vdrive,n得，Vdrive,n便是驅(qū)動電路所求。 (3.1)其中的值取正整數(shù)c)計算Vdrive,n和Vdrive,n之間的誤差 (3.2)將計數(shù)器的位數(shù)W從1開始遞增改變，步長為1。重復(fù)步驟(3)，(4)，直到error滿足系統(tǒng)要求的誤差范圍，保存此時的M: M=m1 m2 mn；d)將M轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)值Mbin=m1,bin,

36、 m2,bin mn,bin，并存儲在RAM當(dāng)中，以備電路工作使用。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)硬件電路在第三章中已經(jīng)說明，本章主要進行單片機系統(tǒng)的初始化和外部設(shè)備連接控制的程序說明，及軟件預(yù)處理的過程和程序流程圖的說明。4.1 單片機系統(tǒng) 單片機系統(tǒng)的軟件編程主要是包括單片機的初始化，外部芯片AD0809的初始化,8255的初始化過程；中斷服務(wù)程序主要包括數(shù)據(jù)采集，輸出，串口通信等功能模塊的驅(qū)動部分。在本論文中基于對單片機的認識，選擇匯編語言對其進行編程。圖 4.11 為系統(tǒng)軟件總的流程圖：圖 系統(tǒng)軟件總的流程圖a) AD轉(zhuǎn)換程序流程圖圖4.1.2 AD轉(zhuǎn)換程序流程圖b) 中斷程序，在單片機系統(tǒng)中

37、，利用中斷服務(wù)程序，單片機分時復(fù)用，對各外部信號進行處理和讀寫。4.2 軟件預(yù)處理由于matlab中已經(jīng)提供了足夠的非線性數(shù)據(jù)擬合函數(shù)，在此不多做說明，僅介紹主要涉及第三章中的數(shù)據(jù)擬合方法中一次計數(shù)直接擬合法的流程圖。根據(jù)一次計數(shù)直接擬合的思想和數(shù)學(xué)算法，涉及軟件預(yù)處理程序流程圖，助于軟件的編寫。圖4.2為軟件預(yù)處理程序流程圖：圖4.2為軟件預(yù)處理程序流程圖4.3 程序命令上位機（PC機）相關(guān)通信程序：#include<stdio.h>#include <dos.h>#include <dir.h>#include <string.h>FILE*

38、P;Void unsigned send( );Void char receive( );Void unsigned sendgroup ( );Time_T1,T2;Int I,data10;Unsigned char st,st1,sum,sumi,addr_send,addr_receive,Head;main()outportb(0x2FBH,0X80H);outportb(0x2F8 H,0X60H);outportb(0x2F9H,0X00H); outportb(0x2FCH,0X00H);while(1) if(kbhit()exit(0;sendgroup();receive

39、group(); unsigned char receivedata() TI=time(NULL);While(1) T2=time(NULL);IF(DIFFERTIME(T2,T1)>=2.00)Printf(“overtimen”);Exit(0);st1=inportb(0x2FDH);IF(ST1&0X01H)!0) Head=intportb(0x2f8h);return(Head);下位機（單片機）相關(guān)通信子程序：#include<stdio.h>#include <dos.h>#include <dir.h>#include

40、<string.h>FILE*P;Void unsigned send();Void char receive();Void unsigned sendgroup();Time_T1,T2;Int I,data10;Unsigned char st,st1,sum,sumi,addr_send,addr_receive,Head;Main()outportb(0x2FBH,0X80H);outportb(0x2F8 H,0X60H);outportb(0x2F9H,0X00H); outportb(0x2FCH,0X00H);while(1) if(kbhit()exit(0;se

41、ndgroup();receivegroup(); unsigned char receivedata() TI=time(NULL);While(1) T2=time(NULL);IF(DIFFERTIME(T2,T1)>=2.00)Printf(“overtimen”);Exit(0);st1=inportb(0x2FDH);IF(ST1&0X01H)!0) Head=intportb(0x2f8h);return(Head); ADC0809采樣子程序：#PROGRAMA ASMMOV R1,#30hMOV R4,#8MOV R2,00hSETB EASETB IT1MOV

42、 R0, #0F0HMOV A,R2MOVX R0,ASJMP $ORG 0013HCINT:MOV R0,#0F0HMOVX A,R0MOV R1,AINC R1INC R2MOV A,R2MOVX R0,ADJNZ R4,LOOPCLR EX1LOOP:RET#PROGRAMA ASM 液晶顯示LCM1602驅(qū)動子程序void DelayL（）unsigned char I,j;I=0xA0;J=0Xff;While(i-) While(j-);void DelayS()unsigned char I;I=0x1F;While(i-);void WriteCommand(unsigned char c)DelayS();XBYTELCD-COMMAND=c;void WriteData(unsigned char c)DelayS