智能多路数据采集系统设计修改稿Word文档格式.docx

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电源模块为整个系统提供工作电源。

键盘输入模块和LCD显示模块为系统提供了人机交互的通道，便于用户对应用系统进行干预。

本设计采用具有AD转换功能的STC12C5A60S2单片机作为系统的控制中心，可以实现对4路模拟电压信号、4路开关量的采集，具有处理能力强、精度高、通用性强等优点。

关键词：

多路数据采集系统，模拟量，开关量

英文题目Intelligentmulti-channeldataacquisitionsystem

YangXiaofeng，CollegeofPhysicsandElectronicInformation

英文摘要

WiththecontinuousprogressofChina'

slevelofintelligence,intelligentelectricaluseintheelectricalindustrywidely.Itcannotonlyachievereal-timemonitoring,butalsohigh-speedandhigh-precisiondataacquisition.Usehomemadeanalogsinusoidalfrequencygenerator100tothedesign1000HZ,frequencyvoltagetofrequencyconverterchipisconvertedintoacorrespondingvoltage,whilethemaincontrolchiptoachievedataacquisitiontasks.ThisarticledescribestheSCMintelligentdataacquisitionhardwaredesignandsoftwaredesign,thehardwaresystemincludessingle-chipcontrolmodule,analogacquisitioninterfacemodules,switchacquisitioninterfacemodule,keyboardinputmodule,LCDdisplaymodule,powersupplymodule.MCUcontrolmoduleisusedtocontrolandcoordinatesystemforeachmodule.Analogacquisitioninterfacemoduleforanalogpreprocessingtoanalogconversionforthemicrocontrollercanhandle.Switchacquisitioninterfacemodulefordigitalpreprocessing,makeitintoadigitalmicrocontrollercanhandle.Powermodulesuppliespowertotheentiresystem.KeyboardinputmoduleandLCDdisplaymodulesystemprovidesachannelforthehuman-computerinteraction,user-friendlyapplicationsystemtointervene.ThisdesignusesSTC12C5A60S2microcontrollerwithADconversionfunctionasacontrolcentersystemcanbeachievedon4-channelanalogvoltagesignal,4-wayswitchcollection,withstrongprocessingcapability,highaccuracy,versatilityandsoon.

英文关键词Multi-channeldataacquisitionsystem,Analog,Digital

安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见

指

导

教

师

评

语

主要内容包括：

学生写作态度、科研作风，论文选题的理论意义和实践价值，论据是否充分、可靠，掌握基础理论、专门知识、研究方法和技能的水平，写作的逻辑性、技巧及其他优缺点。

成绩：

签名：

年　月　日

安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见

专

业

负

责

人

︵

系

主

任

︶

定

意

见

专业负责人（系主任）签名：

年　　月　　日

学

院

院长签章：

　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日

智能多路数据采集系统设计

杨晓凤物理与电子信息学院

摘要：

多路数据采集系统，模拟量，开关量,STC12C5A60S2

Intelligentmulti-channeldataacquisitionsystem

YangXiaofeng,collegeofPhysicsandElectronicInformation

Abstract:

slevelofintelligence,intelligentelectricaluseintheelectricalindustrywidely.Itcannotonlyachievereal-timemonitoring,butalsohigh-speedandhigh-precisiondataacquisition.Usehomemadeanalogsinusoidalfrequencygenerator100tothedesign1000HZ,frequencyvoltagetofrequencyconverterchipisconvertedintoacorrespondingvoltage,whilethemaincontrolchiptoachievedataacquisitiontasks.ThisarticledescribestheSCMintelligentdataacquisitionhardwaredesignandsoftwaredesign,thehardwaresystemincludessingle-chipcontrolmodule,analogacquisitioninterfacemodules,switchacquisitioninterfacemodule,keyboardinputmodule,LCDdisplaymodule,powersupplymodule.MCUcontrolmoduleisusedtocontrolandcoordinatesystemforeachmodule.Analogacquisitioninterfacemoduleforanalogpreprocessingtoanalogconversionforthemicrocontrollercanhandle.Switchacquisitioninterfacemodulefordigitalpreprocessing,makeitintoadigitalmicrocontrollercanhandle.Powermodulesuppliespowertotheentiresystem.KeyboardinputmoduleandLCDdisplaymodulesystemprovidesachannelforthehuman-computerinteraction,user-friendlyapplicationsystemtointervene.ThisdesignusesSTC12C5A60S2microcontrollerwithADconversionfunctionasacontrolcentersystemcanbeachievedon4-channelanalogvoltagesignal,4-wayswitchcollection,withstrongprocessingcapability,highaccuracy,versatilityandsoon.

Keywords:

Multi-channeldataacquisitionsystem,Analog,Digital,STC12C5A60S2

前　言

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。

因为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的提高，系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。

而采用单片机实现的数据采集系统具有自动化和智能化等特点，使得它们在许多应用场合得到了广泛的应用。

基于单片机的多路数据采集系统是一种对单片机性能要求中等，结构简单，实用性较强的低端电子产品，单片机作为核心器件，以其体积小、成本低、速度快、升级容易等优点具有很好的现实意义。

本文介绍一种基于单片机的多路数据采集系统的设计。

文中第一章简要介绍了该通用型多路数据采集系统的设计背景和总体方案。

第二章介绍该多路数据采集系统的硬件设计，主要包括单片机控制模块、电源模块、模拟量采集接口模块、开关量采集接口模块、键盘输入模块和LCD显示模块。

第三章介绍该多路数据采集系统的软件设计，主要包括主程序和定时中断服务程序的设计流程，以及AD转换、键盘扫描、LCD显示等底层程序的设计。

本系统的控制中心是具有AD转换功能的STC12C5A60S2单片机，所以系统具有性价比高，处理能力强的优点。

该系统不仅可以对4路模拟电压信号进行采集，还可以对4路开关量进行检测，并实现LCD显示，具有很好的通用性。

第1章绪论

1.1设计背景

采用单片机实现的数据采集系统具有自动化和智能化，接口简单灵活且有较高的数据传输率,能够对实时数据做出快速响应并及时进行分析和处理等特点,使得它们在许多应用场合得到了广泛的应用。

工业领域的现场信息是各种各样的，既有模拟量，也有数字量、开关量。

所以设计一种能够采集多种信息的数据采集系统具有很重要的意义和价值。

可以提高获取大量动态信息的能力，从而为提高产品质量，降低成本提供信息和手段。

1.2性能指标

随着工业自动化、智能化的提高，人们对数据采集系统功能和性能都提出了越来越高的要求。

为了较好的满足这些需求，本设计的多路数据采集系统通过单片机的A/D和I/O口，实现对多路模拟信号和数字信号的采集，具有以下的功能和性能指标：

（1）能够实现对4路模拟电压信号的采集；

（2）能够实现对4路开关量的采集；

（3）能数字显示采集结果。

1.3硬件设计方案

根据多路数据采集系统具有的功能和性能指标，设计出来的多路数据采集系统的方案设计的硬件部分主要分为以下几个模块：

单片机控制模块是整个系统的控制核心。

它负责采集经处理过的电压，开关量信息，并送到LCD进行显示，控制和协调系统各模块的工作。

模拟量采集接口模块用于对模拟量进行预处理，使其转化为单片机能够处理的数字量。

例如，单片机处理电压信号范围为0V—5V，所以开关量的高电平状态的电平值要先转化为5V以下。

键盘输入模块用于输入用户命令，如改变开关量状态，显示开关量等。

LCD显示模块用来显示待采集的信号的数值或状态以及相关的提示信息。

多路数据采集系统硬件部分的总框图如图1-1所示：

图1-1系统硬件的总框图

1.4软件设计方案

根据方案要求多路数据采集系统软件部分采用结构化程序设计。

采用结构化程序设计可以使程序结构清晰，层次分明,易于编写与调试。

本软件系统主程序的总框图见图1-2。

图1-2主程序的总框图

主程序扫描键盘，显示相应的开关量状态。

主程序和定时中断服务程序通过全局变量进行数据传递。

定时中断服务程序向主程序递AD转换结果，供主程序计算模拟电压值。

LCD显示程序接收数据，显示模拟电压值和开关量状态。

第2章多路数据采集系统的硬件设计

在硬件的设计前期，根据框图对系统中可能出现的电路，进行了模拟实验，并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。

在第一章中已分析了系统并绘制了框图，多路数据采集系统硬件设计部分采用模块化的设计思想，将整个系统分成几大模块：

单片机控制模块、模拟量采集接口模块、开关量采集接口模块、LCD显示模块和电源模块。

通过模块化的方法先焊接和调试各个单元模块，最后进行组装和测试，从而使复杂的问题简单化，提高了系统设计的效率。

2.1单片机控制模块

单片机控制模块是整个系统的核心。

本系统采用STC12C5A60S2单片机为核心元件。

单片机正常工作还需时钟电路、复位电路、串口通讯等辅助电路。

1.单片机电路

STC12C5A60S2单片机的电路原理图见图2-1。

图2-1STC12C5A60S2单片机电路

STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S，即25􀐷

万次/秒）,针对电机控制，强干扰场合。

（1）增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051

（2）工作电压：

STC12C5A60S2系列工作电压：

5.5V-3.3V（5V单片机）

STC12LE5A60S2系列工作电压：

3.6V-2.2V（3V单片机）

（3）工作频率范围：

0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz

（4）用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节......

（5）片上集成1280字节RAM

（6）通用I/O口（36/40/44个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏

每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器,可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

（8）有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）

（9）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）

（10）外部掉电检测电路:

在P4.6口有一个低压门槛比较器

5V单片机为1.33V，误差为±

5%,3.3V单片机为1.31V，误差为±

3%

（11）时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为±

5%到±

10%以内）用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟,

常温下内部R/C振荡器频率为：

5.0V单片机为：

11MHz～15.5MHz

3.3V单片机为：

8MHz～12MHz

精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。

（12）共4个16位定时器。

两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器

（13）2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟

（14）外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RXD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2）,CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）

（15）PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）

---也可用来当2路D/A使用

---也可用来再实现2个定时器

---也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）

（16）A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）

（17）通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051可再用定时器或PCA软件实现多串口

（18）STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）

（19）工作温度范围：

-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）

（20）封装：

LQFP-48,LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,QFN-40

I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。

2.时钟电路

单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种方式：

内部时钟方式和外部时钟方式。

采用内部时钟方式时，片内高增益反向放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供震荡时钟。

振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可在1.2-12MHz之间任选。

电容的值有微调作用，通常取30pF左右。

在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

起振电容C7、C8一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。

图2-2时钟电路

3.复位电路

　为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

一般单片机电路正常工作需要供电电源为5V±

5%，即4.75～5.25V。

由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机电路开始正常工作。

手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；

几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。

工作期间，按下S，C放电。

S松手，C又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。

几个毫秒后，单片机进入工作状态。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

图2-3复位电路

3.串口通讯电路

STC12C5A60S2单片机有一个全双工的串行通讯口，所以可以方便地进行单片机和电脑之间的串口通讯，可以同时接收或传送外部送来的数据。

但是进行串行通讯时要满足一定的条件，例如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，也可以用几个三极管进行模拟转换，但都不如专用芯片更简单可靠。

标准的RS232电平与STC12C5A60S2单片机的串口电平并不相兼容，须加上转换IC，方可与RS232电平直接相连。

单片机内部已集成通信接口URT，只需扩展一片MAX232芯片将输出信号转换成RS-232协议规定的电平标准,MAX232是一种双组驱动器/接收器，每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5VTTL/CMOS电平。

这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收±

30V的输入。

每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。

即EIA接口，就是把5V转换为-8V到-15V