基于單片機的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)方案

基于單片機的多路數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)基于MCU的多通道數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)畢業(yè)設計（論文）作業(yè)本題目基于單片機的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)一、本文的目的和意義溫度、壓力、液位和流量是工業(yè)自動化中常見的控制參數(shù)。其監(jiān)測與控制的實現(xiàn)是一項基礎工作，也是機械電子工程專業(yè)學生必須掌握的基礎內容。本科目要求學生綜合運用所學，培養(yǎng)動手能力，在前人工作的基礎上提高完善，實現(xiàn)多路模擬工業(yè)溫度壓力液位信號采集與處理顯示，實現(xiàn)上下限報警和電磁繼電器和開關控制。本課題對完善機電測控實驗中心的實驗建設具有一定的價值。2.學生應該完成的任務（一）審閱收集資料，熟悉原設計資料，完成不少于10000字的相關外文資料。翻譯。(2)完成畢業(yè)實習研究并撰寫實習報告。(3)現(xiàn)有溫度、壓力、液位、流量監(jiān)控系統(tǒng)的調查和數(shù)據(jù)采集。(4)多通道參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)方案設計。(5)接口電路板的制作加工。(6)實驗程序設計與調試。(7)一套完整的程序和對象。（八）組織完成畢業(yè)論文不少于24000字。3.論文各部分內容及時間分配：（共12周）第1部分 研究準備和數(shù)據(jù)收集 （2周）第二部分 方案設計和組件采購 （2周）第3部分 硬件生產 （3周）第IV部分 軟件調試 （3周）第五部分 ，寫畢業(yè)論文 （1周）復習與答辯 復習與答辯 （1周）評論摘要隨著電子計算機信息技術的不斷發(fā)展和完善，單片機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用越來越多。單片機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有自動化、無人值守的特點。在許多工業(yè)測控機械、醫(yī)療儀器和消費類電子產品中，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時性和功耗提出了更高的要求：即在滿足微功耗總體設計原則的基礎上和小型化，并能夠實時反映現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的變化。這就對系統(tǒng)的功耗、采樣速度、數(shù)據(jù)存儲和傳輸速度提出了更高的要求。然而，隨著半導體和微控制器技術的飛速發(fā)展，各種微電子器件的性能不斷提高，而功耗不斷降低。技術的進步使高速、低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。本文設計的數(shù)據(jù)采集、顯示及處理系統(tǒng)采用TI開發(fā)的MSP430系列超低功耗單片機為核心控制元件，實現(xiàn)了8路模擬量數(shù)據(jù)的采集，自動循環(huán)顯示，用戶查詢、限位設置和報警。，外設驅動能力，時間顯示，與上位機組態(tài)軟件通訊功能。系統(tǒng)功能齊全，具有一定的通用性。主要研究內容如下：首先分析了國外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術的研究現(xiàn)狀，分析了MSP430系列低功耗單片機的特點和應用。其次，分析了研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)實意義，并在此基礎上給出了基于MSP430單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設計方案。詳細介紹了系統(tǒng)的硬件電路設計，包括電源電路、按鍵電路、復位電路、點陣液晶顯示電路、LED指示燈和蜂鳴器報警電路、直流電機驅動電路和USART異步串行通信電路等的原理圖設計電路。最后詳細介紹了基于C語言的軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。其中，軟件系統(tǒng)的設計是本次設計的重點。設計過程采用模塊化軟件設計思想。本文第4章前6小節(jié)詳細介紹了系統(tǒng)各模塊的軟件設計過程。其中組態(tài)王的串口通訊程序設計是最具創(chuàng)新性的內容；第7節(jié)介紹了這些模塊的輸入輸出關系，最后給出了主處理程序的結構框架。本設計的最終實驗結果表明，能夠成功實現(xiàn)下位機的數(shù)據(jù)采集與顯示、查詢、報警等功能；與組態(tài)王的串口通信程序設計取得了明顯的效果。關鍵詞：數(shù)據(jù)采集MSP430串口通訊目錄第1章引言11.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述11.1.1嵌入式系統(tǒng)概述31.1.2嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹31.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展方向31.3本研究的主要內容及組織結構7第2章基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)設計62.1基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)搭建62.1.1系統(tǒng)功能分析62.1.2系統(tǒng)硬件框圖72.1.3系統(tǒng)工作流程82.2系統(tǒng)主要功能器件介紹與選型82.2.1MCU8的選擇2.2.2傳感器介紹112.2.3AD轉換模塊結構介紹112.2.4LCD顯示模塊的選擇142.2.5上位機處理系統(tǒng)軟件的選擇15第三章基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計173.1電源電路設計173.2復位電路設計183.3模擬采集電路設計183.4位圖形點陣液晶顯示電路193.5按鍵處理電路203.6串行通信電路設計213.7報警系統(tǒng)及外圍驅動模塊電路設計233.7.1報警電路設計233.7.1電機驅動電路設計243.8單片機電路設計24第4章基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計264.1系統(tǒng)時鐘模塊的初始化設置284.2模擬量采集模塊軟件設計284.2.1轉換模塊的初始化設置284.2.2轉換數(shù)據(jù)的讀取284.2.3轉換數(shù)據(jù)的格式304.2.4ADC12模塊的啟動314.3輸入模塊軟件設計324.3.1輸入模塊的初始設置324.3.2中斷處理程序344.4顯示模塊軟件設計424.4.1LCD初始化設計424.4.2LCD顯示設計434.5串口通信模塊軟件設計454.5.1組態(tài)王與MCU46的通信協(xié)議4.5.2MCU通訊編程494.6報警系統(tǒng)及外圍驅動電路模塊軟件設計564.6.1報警系統(tǒng)軟件設計574.6.2外設驅動模塊軟件設計584.7主處理模塊編程60第5章調試和運行系統(tǒng)63系統(tǒng)物理電路的構建63機設計功能調試635.1組態(tài)王6.5163串口通訊調試結論68到69參考70附錄1：電路原理圖71附錄2：程序72附錄三：實習報告72MSP430F44X系列器件采用100引腳PLASTIC100-PINQFP封裝，其引腳如圖2-4所示。2.2.2傳感器介紹傳感器是一種能夠感知外部信息并將這些信息按照規(guī)則模式轉換為可用信號的設備。傳感器是系統(tǒng)對環(huán)境或被感知物體的傳感元件，其分辨率和精度對整個系統(tǒng)的精度影響很大。在本系統(tǒng)中，所使用的傳感器應能將被測非電量信號轉換成與其有確定對應關系的電量信號。傳感器有很多種。就其感知外界信息的原理而言，可分為：（1）物理：基于力、熱、光、電、磁、聲等物理效應；（2）化學：基于力、熱、光、電、磁、聲等物理作用的化學反應原理；(3)、生物：基于酶、抗體和激素等分子識別功能。一般按基本傳感功能可分為十大類：熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、輻射-敏感元素、顏色敏感元素和味覺敏感元素。.2.2.3A/D轉換模塊結構介紹由于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的核心處理器為MSP430F449，器件集成了12位精度的模數(shù)轉換模塊ADC12。這使得系統(tǒng)A/D轉換模塊的結構設計非常簡單。由于A/D轉換的參考是電壓，如果傳感器獲得電流信號，只需將電流轉換成電壓即可；如果傳感器獲得電壓信號，則可以直接使用。這里只簡單介紹A/D轉換及其原理。在MSP430的儀表等實時控制及應用系統(tǒng)中，控制或測量對象的相關變量往往是一些不斷變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、速度等物理量。利用傳感器測量各種物理量，轉換電信號，通過模數(shù)轉換（ADC）將其轉換為數(shù)字量，使模擬量可以通過MSP430進行處理和控制。在分析或設計MSP430ADC相關應用時，會設計與性能指標相關的術語。理解這些術語對于理解應用ADC模塊非常重要。ADC模塊常用的性能指標如下：解析度。分辨率表示輸出數(shù)字量改變相鄰數(shù)字量所需的輸入模擬電壓的變化。它定義為轉換器滿量程電壓與2?之比，其中n是ADC的位數(shù)，因此分辨率與ADC相同。位數(shù)。ADC中的位數(shù)越多，數(shù)據(jù)采集的精度就越高。量化誤差。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，量化誤差是由有限數(shù)對模擬值的離散值（量化）引起的誤差。因此，量化誤差理論上是一個單位分辨率或±1/2LSB。增加分辨率可以減少量化誤差。轉換精度。ADC模塊的轉換精度在量化上反映了實際ADC模塊與理想ADC模塊模數(shù)轉換的差異，可以表示為絕對誤差或相對誤差，類似于a的定義通用測量儀器。轉換時間。指ADC模塊完成一次模數(shù)轉換所需的時間。轉換時間越短，越能適應輸入信號的變化。轉換時間與ADC模塊的結構和位數(shù)有關。此外，還應考慮使用的電壓范圍、工作溫度、接口特性和輸出形式等性能。MSP430ADC12模塊的結構原理如圖2-5所示：圖圖2-4ADC12結構原理圖從上圖可以看出，ADC12由以下功能模塊組成：參考電壓發(fā)生器所有模數(shù)轉換模塊(ADC)和數(shù)模轉換模塊(DAC)都需要參考信號，通常是電壓參考。ADC的數(shù)字輸出表示模擬輸入與其參考的比率；DAC的數(shù)字輸入表示模擬輸出與其參考的比率。一些轉換器需要內部參考，而一些轉換器需要外部參考。MSP430ADC12設置參考電源，參考電壓有6種可編程選擇，為和的組合。其中，有（模擬電源正端）、（A/D轉換器參考電源正端）和（外部參考電源正輸入端），VR-包括（模擬電源負端）和（A/D轉換設備參考電源的負端-外部或外部）。模擬多路復用器在對多個模擬信號進行采樣并進行A/D轉換時，為了共享一個轉換內核，模擬多路復用器需要時分開啟多個模擬信號，即一次采樣轉換一個信號。MSP430ADC12配備8個外部通道和4個外部通道，通過A0~A7實現(xiàn)外部8個模擬信號輸入，4個外部通道可以使用、、、和芯片溫度傳感器的輸出作為模擬輸入信號進行轉換.這樣就可以同時測量和控制多路模擬信息，從而滿足實際控制和實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的要求。具有采樣和保持功能的12位轉換器內核ADC12內核是一個12位模數(shù)轉換器，可以將結果存儲在轉換存儲器中。內核使用兩個可編程參考電壓(和)來定義轉換的最大值和最小值。當輸入模擬電壓等于或高于時，ADC12輸出滿量程值0FFFH，當輸入電壓等于或小于時，ADC12輸出0。輸入模擬電壓的最終轉換結果滿足這個通告：由于A/D轉換需要一定的時間來完成量化和編碼操作，當對高速變化的信號進行瞬時采樣時，在A/D轉換完成之前，采樣值已經發(fā)生變化。為保證轉換精度ADC12內核具有采樣保持功能，即使現(xiàn)場模擬信號發(fā)生快速變化，也不會影響ADC12的轉換。采樣狀態(tài)，輸出隨輸入變化，保持狀態(tài)，輸出保持一定值一段時間，為轉換做準備。ADC12內核接收到模擬信號輸入，并有內容轉換的相關信號后，開始進行AD轉換。當沒有模擬信號轉換時，為了省電，可以通過位ADC12ON關閉轉換內核。采樣和轉換所需的順序控制電路這部分提供了采樣轉換所需的各種時鐘信號：ADC12CLK時鐘、SAMPCON采樣轉換信號、SHT控制的采樣周期、SHS控制的采樣源選擇、ADC12SSEL選擇的內核時鐘、ADC12DIV選擇的分頻系數(shù)等。在時序的控制下，ADC12的各個組件可以協(xié)同工作。轉換結果緩存ADC12共有12個轉換通道，設置了16個轉換存儲器，用于暫存轉換結果。經過合理設置后，ADC12硬件會自動將轉換結果存入對應的ADC12MEM寄存器中。每個轉換存儲器ADC12MEMx都有自己對應的控制寄存器ADC12MCTLx。控制寄存器控制每個轉換存儲器必須選擇的基本轉換條件。ADC12的主要特點總結如下：12位轉換精度，1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差。ADC12模塊提供多種時鐘源，模塊本身自帶時鐘發(fā)生器。設置溫度傳感器。Timer_A、Timer_B硬件觸發(fā)。配置8個外部通道和4個外部通道。設置參考電源，參考電壓有6種組合。有4種模數(shù)轉換模式。16字轉換緩存。ADC12可以關閉內核以支持超低功耗應用。采樣速度快，可達200Ksps。自動掃描。DMA功能。2.2.4LCD顯示模塊的選擇液晶的種類很多，分類方法也很多。按顯示方式可分為：段液晶、字符液晶、圖形液晶等。段型主要用于顯示數(shù)字等簡單符號；字符型LCD主要用于顯示數(shù)字和英文字母。點陣圖形液晶模塊的功能比較強大，不僅可以顯示數(shù)字、英文字母和漢字，還可以顯示圖形。在本系統(tǒng)中，由于要顯示漢字，液晶模塊選用了低功耗點陣形式的液晶模塊ZJM12864BSBD。12864點陣液晶顯示模組（LCM）是由128×64個液晶顯示點組成的128列×64行的陣列。每個顯示點對應一個二進制數(shù)，1表示開啟，0表示關閉。存儲這些點陣信息的RAM稱為顯示數(shù)據(jù)存儲器。顯示某個圖形或漢字，就是將相應的點陣信息寫入相應的存儲單元。當然，圖形或漢字的點陣信息是自己設計的。問題的關鍵在于液晶顯示屏上顯示點的位置（行列）與其在內存中的地址之間的關系。由于大部分液晶模塊的驅動電路是由一個行驅動器和兩個列驅動器組成，所以12864液晶屏實際上是由左右兩個獨立的64×64液晶屏組成，每半屏有一個512×8液晶屏幕。位顯示數(shù)據(jù)RAM。左右半屏驅動電路和存儲器分別由片選信號CS1和CS2選擇。（為了簡化用戶設計，少數(shù)廠家在模塊中加了解碼電路，使128×64液晶屏為一整屏，只需要一個片選信號。）該液晶模組的詳細使用將在下一章介紹?，F(xiàn)僅列出該液晶模組的特點如下：顯示格式：128點（列）×64點（行）；顯示類型：STN黃綠模式，透反，透反，6:00視角，正向顯示；驅動方式：1/64占空比；易于連接8位MPU；多功能指揮；上電自動復位；控制芯片：KS0107B、KS0108B；EL背光源：AC110V，400HZ；工作電壓：+5.0V±0.5V。2.2.5上位機處理系統(tǒng)軟件的選擇目前，很多測控系統(tǒng)都是由PC機和單片機控制裝置組成。單片機采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，通過串口傳輸?shù)絇C機進行分析、存儲和顯示。PC的命令通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C。,來控制設備的運行。為了擴展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能，決定采用工業(yè)控制軟件開發(fā)上位機數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)。在工控軟件的使用中，我們經常提到配置這個詞，配置就是英文的“Configuration”。簡單來說，配置就是使用應用軟件中提供的工具和方法來完成項目中特定任務的過程。配置軟件很專業(yè)。一個組態(tài)軟件只能適用于某個應用領域。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工控機控制中。如DCS（分布式控制系統(tǒng)）配置、PLC（可編程控制器）梯形圖配置。雖然配置是在不編寫程序的情況下完成特定的應用程序。但是為了提供一定的靈活性，組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都內置在編譯系統(tǒng)中，提供類BASIC語言，有的甚至支持VB。在當今工控領域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：WinCC、iFix、Intouch、組態(tài)王、力控等。本系統(tǒng)選用的上位機加工組態(tài)軟件為“組態(tài)王6.51”?！敖M態(tài)王6.51”是一款性能卓越的國產工控組態(tài)軟件。為用戶提供解決實際工程問題的完整解決方案和開發(fā)平臺，可完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理、趨勢曲線繪制、報表輸出等功能。組態(tài)王為數(shù)據(jù)采集和控制的底層設備提供了大量的驅動，但大多是針對知名廠商的板卡和模塊，沒有用戶設計的采集和控制設備的驅動。但組態(tài)王提供了一些通用的數(shù)據(jù)交換標準協(xié)議。組態(tài)王提供的單片機通用通信協(xié)議可以支持HEX類型和ASC=2\*ROMANII類型，其中HEX類型效率更高。本文選擇使用HEX單片機通信協(xié)議。第三章基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計通過第2章的介紹，我們知道該系統(tǒng)主要包括：A/D轉換模塊、點陣液晶顯示模塊、按鍵處理模塊、USART異步串行通信模塊、外圍電路驅動模塊、與電源連接的五個功能模塊供電電路，復位電路由這兩個基本模塊組成。3.1電源電路設計考慮到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可能在不同的環(huán)境下使用，在系統(tǒng)設計時提供了一種更加靈活的供電方式：可以采用外接電源供電，也可以采用電池供電。電源電路設計如下圖3-1所示：圖圖3-1電源管理電路供電方式的原理及選擇方法：外接電源：使用外接電源時，必須按以下步驟連接：將變壓器連接器連接到AC9V_IN接口。當連接器J1的P2和P3短接時，系統(tǒng)選擇外部電源供電。連接器J2的EXT_ACC和VCC短接。變壓器得到的外接交流電經整流濾波后得到9V直流電，再通過LM317和RH5RL36AA分別得到5V和3.6V直流電。其中3.6V給MSP430F449使用，5V給其他用電器件（這里主要是蜂鳴器和繼電器）。電池供電。由于MSP430F449是一款低功耗器件，因此在某些應用中它可以使用自己的電源電池供電。此時，只需將連接器J2的JTAG_VCC和VCC短接即可。3.yzzygj./188金寶博/4.ssscgs./188金寶博/_By-gnksguybb3.2復位電路設計在單片機系統(tǒng)中，單片機需要復位電路。復位電路可以使用RC復位電路或復位芯片復位電路。RC復位電路經濟，但可靠性不高。該復位芯片實現(xiàn)的復位電路具有高性能。因此，為保證復