毕业设计论文基于单片机的多路数据采集系统设计与实现.docx
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毕业设计论文基于单片机的多路数据采集系统设计与实现
目录
摘要11
ABSTRACT12
第1章绪论1
1.1课题来源1
1.2课题背景1
1.3国内外在该方向的研究现状及分析2
1.3.1国内在该方向的研究现状2
1.3.2国外在该方向的研究现状3
1.4该课题研究的主要内容3
第2章数据采集系统的设计5
2.1数据采集系统5
2.2数据采集的目的5
2.3数据采集系统框图5
2.3.1主要芯片6
2.3.2涉及到的软件7
2.4基本功能要求7
第3章硬件设计8
3.1系统框图8
3.2单片机最小系统8
3.3PCF8591芯片9
3.3.1IIC串行总线9
3.3.2PCF8591AD转换的应用13
3.4LCD1602器件14
3.4单片机外围电路图15
第4章软件设计16
4.1主程序16
4.1.1主程序流程图16
4.1.2LCD1602与PCF8591程序流程图17
4.1.3数据处理程序流程图18
4.1.4按键检测程序流程图19
4.2上位机程序介绍20
4.2.1VisualC++6.020
4.2.2MSComm控件[9]20
4.2硬件与软件调试21
结论22
参考文献23
摘要
目前，数据采集系统广泛应用在科研、教育、工业、水利等众多领域。
本系统基于89C52单片机，采用PCF8591串行AD芯片，完成对多路模拟信号的数据采集，并由LCD1602把数据显示出来。
本系统带有按键输入，可通过按键实现转换通道的选择。
在windows桌面环境下，使用VisualC++可视化软件开发工具，调用MSComm控件，开发一个集存储与显示的上位机程序，以便用计算机对大量数据的处理。
关键词89C52；PCF8591；LCD1602；VisualC++；MSComm控件
ABSTRACT
Atpresent,thedataacquisitionsystemiswidelyusedinscientificresearch,education,industry,waterconservancy,andmanyotherfields.Thissystembasedon89C52,usingserialADchipPCF8591,completethemulti-channelanalogsignaldataacquisition,anddatabytheLCD1602display.Withpressedkeyinput,thesystemcanberealizedthroughkeyconversionchannelchoice.InWindowsdesktopenvironments,theuseofVisualc++visualizationsoftwaredevelopmenttools,invoketheMSCommcontrol,developasetofstorageanddisplayPCprograms,sothatthehandlingoflargeamountsofdatabycomputer.
Keywords:
89C52;PCF8591;LCD1602;VisualC++;MSComm
第1章绪论
本章主要介绍数据采集系统历史及发展，让我们对数据采集系统有个初步了解。
1.1课题来源
自定题目。
1.2课题背景
近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。
数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，日标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。
由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。
大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集
设备和系统多属于专用的系统。
[1]
20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。
由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。
从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是.工业现场数据采集系统。
[1]
20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，
开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。
这类系统主要应用
于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。
第二类以数据采集卡、标准总线和
计算机构成，这一类在工业现场应用较多。
20世纪80年代后期，数据采集发生
了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
[1]
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统己成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。
由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。
数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，井结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。
[1]
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这井不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。
相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机其多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而单片机又其有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。
这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
1.3国内外在该方向的研究现状及分析
数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行析、处理、传输、显示、存储和显示。
它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是日前社会的发展主流方向。
各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集、卫星遥感成像、无人机、舰载传感器系统领域已经得到应用。
[1]
1.3.1国内在该方向的研究现状
早期，对于大部分制造业企业，测量仪器的自动数据采集一直是个令人烦恼的事情，即使仪器已经具有RS232/485等接口，但仍然在使用一边测量，一边手工记录到纸张，最后再输入到PC中处理的方式，不但工作繁重，同时也无法保证数据的准确性，常常管理人员得到的数据已经是滞后了一两天的数据；而对于现场的不良产品信息及相关的产量数据，如何实现高效率、简洁、实时的数据采集更是一大难题。
由研究人员研发的生产现场实时数据采集系统解决了这一问题，整个系统采用分布式结构，软、硬件均采用了模块化设计。
数据采集部分采用自行开发的带光隔离的RS-485网，通信效率高，安全性好，结构简单。
后台系统可根据实际被监控系统规模大小及要求，构成485网、Novell网及WindowsNT网等分布式网络。
由于软、硬件均为分布式、模块化结构，因而便于系统升级、维护，且根据需要组成不同的系统。
.数据处理在WindowsNT平台上采用VisualC++语言编程，处理能力强、速度快、界面友好，可实现网络数据共享。
[2]
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型地震数据采集系统。
近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高，.兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-3240型地震数据采集系统。
该数据采集对地震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。
该数据采集系统具备24位A/D转换芯片，采样率有50HZ,100HZ,200HZ。
[1]
1.3.2国外在该方向的研究现状
由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成:
（1）传感器:
利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据;
（2）计算机接口:
将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S;（3）软件:
中文及英文的应用软件。
[1]
受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。
如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统。
到了2006年。
本系统采用16位模数转换芯片，总采样率达500K/s，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。
[1]
1.4该课题研究的主要内容
数据采集技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、
处理以及控制等问题。
它是对传感器信一号的测量与处理，以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。
数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用上工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。
数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展，并且适于通用微机（IBMPC系列）使用的板卡级
数据采集产品也已大量出现，组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集
卡，把它插在微机的扩展槽内，并辅以应用软什，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响，因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点，使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持，不管采用什么样的数据存储器，它的存储容量都是有限的，所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新，这样不利于用户对数据进行整体分析，因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。
本系统采用下位机负责模拟数据的采集，从单片机负责采集八路数据，并应答主机发送的命令，上位机即主机是负责处理接受过来的数字量的处理、存储及显示，主机和从机之间用RS-232进行通信。
这样用户可以在上位机上编写各种程序对文件中的数据进行有效查询和分析，有利于工业过程的长期正常运行和检查。
由于本人能力有限并未实现上位机功能，只利用现有硬件实现了下位机功能。
第2章数据采集系统的设计
数据采集系统简介。
2.1数据采集系统
数据采集（DAQ），是指从转感器和其它待测设备等模拟和数字被测一单元中自动采集非电量或者电量信一号，送到上位机中进行分析，处理。
数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
数据采集技术广泛引用在各个领域。
通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号，包括对其进行增益或衰减和隔离，放大，滤波等.对待某些传感器，还需要提供激励信号.数据采集系统可以将多路模拟信号自动地进行采集并进行数字化测量，再送到计算机中进行处理、传输、显示、存储或打印，从而获得有关被测对象的大量数据。
数据采集系统具有广泛的应用前景，如工厂为对生产过程进行自动控制，必须实时测量出反映工艺流程和产品质的各种参量。
因此，在工农业、科研、国防、环保及日常
生活等各个领域，为了实现过程控制、状态监测、故障诊断、质量检测等任务，大多要应用数据采集系统。
70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及
高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。
原来由小规模集
成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。
由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的
灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。
2.2数据采集的目的
数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度或声音等物理现象。
给予PC的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。
尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。
数据采集系统结合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。
数据采集技术是单片机应用技术的主要分支。
外部现实对象（广义的外部设备）通过接口和计算机交换信息，在现实对象中，.信息表现为不同的形式并有明确的物理意义，通过对数据采集系统的设计来掌握单片机对数据的采集及其处理的过程，并将学习到的理论知识联系到实际应用当中。
2.3数据采集系统框图
数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D转换芯片，单片机或ARM等组成。
本系统只对0V-5V的电压信号进行采集并转换，所以只包含A/D转换芯片，单片机/ARM等。
数据采集系统框图如图2-1：
图2-1多路采集系统系统框图
2.3.1主要芯片
（1）89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。
89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。
此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。
89C52有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。
[2]
（3）PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同一个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
[3]
（4）LCD1602工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。
[4]
2.3.2涉及到的软件
（1）KEILC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。
运行KeIl软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
[5]
（2）VisualC++6.0，简称VC或者VC6.0，是微软推出的一款C++编译器，将“高级语言”翻译为“机器语言（低级语言）”的程序。
VisualC++是一个功能强大的可视化软件开发工具。
自1993年Microsoft公司推出VisualC++1.0后，随着其新版本的不断问世，VisualC++已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。
虽然微软公司推出了VisualC++.NET（VisualC++7.0），但它的应用有很大的局限性，只适用于Windows2000、WindowsXP和WindowsNT4.0。
所以实际中，更多的是以VisualC++6.0为平台。
[6]
2.4基本功能要求
（1）利用两片PCF8591实现八通道A/D转换按键，S0、S1切换当前选中的通道，LCD1602把当前通道号和转换后的电压显示出来。
（2）在windows桌面环境下，使用VisualC++可视化软件开发工具，调用MSCOMM控件，开发一个集存储与显示的上位机程序，以便用计算机对大量数据的处理。
（本次毕业设计未实现此功能）
第3章硬件设计
硬件系统由89C52单片机最小系统、LCD1602外围电路、PCF8591外围电路、独立按键电路等组成。
3.1系统框图
单片机系统框图如图3-1所示。
图3-1单片机系统框图
3.2单片机最小系统
单片机最小系统由复位电路、晶振电路、电源（VCC和GND）。
复位电路包括上电复位和按键复位，由10uf电解电容、按键、1.2K电阻组成；晶振电路由12MHZ晶振、2个30pf陶瓷电容组成；VCC=5V,GND=0V。
[7]
单片机最小系统如图3-1所示，
图3-2单片机最小系统
3.3PCF8591芯片
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0、A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同一个IIC总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
3.3.1IIC串行总线
I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。
I2C总线只有两根双向信号线。
一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。
如图3-3所示IIC总线工作原理图。
[8]
图3-3IIC总线工作原理图
I2C总线通过上拉电阻接VCC。
当总线空闲时，两根线均为高电平。
连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。
如图3-4所示，Rp常取10K。
[8]
图3-4IIC总线硬件连接图
每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。
主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。
由总线上接收数据的器件则为接收器。
[8]
起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。
[8]
连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。
对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机来说，为了检测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线SDA采样两次。
[8]
接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。
直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。
[8]
想对IIC总线进行操作就要熟悉IIC常涉及的几个信号，如起始信号S,终止信号P,应答信号和非应答信号。
如图3-5所示。
[8]
图3-5信号工作图
以下是IIC总线涉及的信号在C语言上的实现。
[8]
（1）起始信号S
voidiic_start（）//i2c起始信号
{
sda=1;
_nop_（）;
scl=1;
somenop;
sda=0;
somenop;
scl=0;
}
（2）终止信号P
voidiic_stop（）
{
sda=0;
_nop_（）;
scl=1;
somenop;
sda=1;
}
（3）应答信号
voidack（）
{
unsignedchari=0;
scl=1;somenop;while（（sda==1）&&（i<200））
i++;scl=0;
}
（4）发送一个字
voidiic_sendbyte（unsignedcharbyt）
{
unsignedchari;
for（i=0;i<8;i++）
{
if（byt&0x80）
sda=1;
else
sda=0;
somenop;
scl=1;
byt<<=1;
somenop;
scl=0;
}
ack（）;
}
（5）接收一个字
unsignedchariic_recbyte（）
{
uchari,da;
for（i=0;i<8;i++）
{
scl=1;
somenop;
da<<=1;
if（sda）
da|=0x01;
scl=0;
somenop;
}
returnda;
}
（6）以上程序中的somenop由以下两条程序实现：
#include
#definesomenop{_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;}
3.3.2PCF8591AD转换的应用
FCF8591引脚图如图3-6所示。
图3-6PCF8591引脚图
PCF8591芯片的datasheet知AIN0-AIN3为四通道模拟输入端，A0-A2为编程端口，用于多片PCF8591的情形。
当IIC总线系统中只有一片PCF8591时，可以把A0-A2都接GND。
本系统使用了两个PCF8591，其中的一片A0-A2都接GND。
另一片A2、A1接GND，A0接VCC。
VDD接VCC,VREF接VCC,故模拟通道测量范围是0V到5V。
AGND和EXT都接GND,使用的是内部时钟。
SCL和SDA接单片机的P2^0、P2^1。
进行AD转换的操作顺序。
（1）对于芯片1是：
IIC起始信号
先写0X90;//告诉芯片要进行写操作
再写控制字；//常用的由0X00，0X01，0X02，0X03
//0X00选择通道0,0X01选择通道
//1，0X02选择通道2，0X03选择
//通道3；
IIC停止信号
延时5us
IIC起始信号
写0X91
读转换结果
（2）对于芯片2是：
IIC起始信号
先写0X92;//告诉芯片要进行写操作
再写控制字；//常用的由0X00，0X01，0X02，0X03
//0X00选择通道0,0X01选择通道
//1，0X02选择通
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