基于单片机的离散量数据采集系统设计学位论文Word文档格式.docx
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单片机；
通信
Abstract
Alongwiththerapiddevelopmentofcomputertechnologyandpopularization,dataacquisitionsystemisalsowidelyapplication.Microcomputeriswidelyappliedingeneralautomation,informationprocessingandinformationsystemetc.Signalacquisition,pretreatment,temporaryandPCtransmissionisneededbymetallurgy,chemical,medicalcareandotherapplications。
Thedesignisadiscretevariablesacquisitionsystemwithupperandloweroperatingmode.ThePCmachinecontrolsthelowermachineanddisplaythedate,andthelowermachinerealizesdatacollection.HardwaredesignofdigitalmachinesSTC89C52RCsingle-chipdesignforthecontrolofthecoretotheuseofphotoelectricTLP521isolation,theuseofeightthree-statebusbufferwithanoutputof74HC541forinputbufferpartoftheoutputpartisusedinlatch74HC574,UsedforRS-232serialcommunication,youcanrelaythroughthecomputertocontroltherealizationofthebrightlightsoutbilliardscontrolandmanualcontrolswitchcanmonitor.Theresultsprovedthatthedesignmethodisfeasibletoachieveabilliardsautomatedagencymanagementsystemtoovercomethedrawbacksoftraditionalmanagementmethods,theapplicationhasgoodprospectsandthevalue.
Keywords:
singlechip;
dataacquisitionsystem;
communication
1绪论
随着现代世界经济的不断发展，计算机技术得到飞速发展和普及。
各个行业为了不断改善企业的服务质量，提高工作效率都进入了计算机控制时代，由于对管理要求的不断提高，在很大程度上使企业不得不改变传统的数据采集方式。
数据采集系统是信号处理系统是信号与信息处理系统不可缺少的组成部分，现代微电子技术和通信技术的发展，对数据采集的精度和速度也越来越高了。
如今的离散数据采集已经达到了一定水平。
1.1课题背景
随着计算机技术的迅猛发展和普及，现代社会已经进入了信息化的社会。
社会中的各个方面，各个行业为了加大了企业的发展进程和自己的竞争能力，不得不甩掉传统的管理模式和经营方法。
为了使自己的管理模式和经营方法做到最好，对自己企业的一些数据就要做到即快速有准确的掌握。
那么这是传统的数据采集方法是达不到这一要求的，但是利用电脑来采集这些数据就可以达到这样的要求。
那么数据采集技术就是基于这样一个社会大背景下的一个必然的产物，它使我们的社会发展的生产上了一个新的台阶。
工业上使用的数据采集系统大概分为四类：
第一类使用通过微型计算机（如PC机）的数据采集系统。
它的特点有:
（1）系统较强的软、硬件支持。
通过微型计算机所有的软、硬件资源都可以用来支持系统进行工作。
（2）具有自主开发能力。
（3）系统的软、硬件的应用配置较小，系统的成本比较高。
程序在RAM中运行，易受外界干扰破坏。
（4）在工业环境中运行的可靠性差，对安放环境要求高。
第二类基于单片机的数据采集系统。
特点如下：
（1）系统不具有自主开发能力。
因此系统的软、硬件开发必须借助开发工具。
（2）系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则。
（3）系统的可靠性好，使用方便，不易受外界的干扰而破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。
第三类基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统。
第四类基于混合型计算机采集系统。
这是一种近年来随着单片机出现而在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式。
它是由通用计算机（PC机）与单片机通过标准总线（如RS-232）相连而成。
单片机及外围电路构成的部分是专为数据采集能功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形显示等任务。
混合型计算机数据采集系统的特点如下：
（1）通常具有自主开发能了。
（2）系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。
（3）主机可远离现场而构成各种局域网络系统。
（4）充分利用主机资源，但不会占有主机的全部CPU时间。
那么本设计在选择类型方面，就是比较了以上四种类型的优缺点来进行选择的。
在根据设计的的要求就选择第四种基于混合型计算机采集系统。
1.2课题相关技术
离散数据采集系统采用上位机、下位机通信方式运行。
上位机实现输出的显示和对下位机的控制等功能，而下位机主要是执行上位机的指令，通过上位机发来的指令来采集离散数据，同时将采集的开关控制量的变化发送给上位机。
本课题主要是对下位机的研究，主要采用了弱电控制强电技术和数据采集技术，下面分别对这两种技术进行介绍。
1、弱电控制强电技术
强电和弱电从概念上讲，一般是容易区别的，主要区别是用途的不同。
强电是用作一种动力能源，弱电是用于信息传递。
具体而言，它们大致有如下区别：
（1）交流频率不同
强电的频率一般是50Hz（赫），称“工频”，意即工业用电的频率，弱电的频率往往是高频或特高频，以KHz（千赫）、MHz（兆赫）计。
（2）传输方式不同
强电以输电线路传输，弱电的传输有有线与无线之分。
无线电则以电磁波传输。
（3）功率、电压及电流大小不同
强电功率以KW（千瓦）、MW（兆瓦）计、电压以V（伏）、KV（千伏）计，电流以A（安）、kA（千安）计；
弱电功率以W（瓦）、mW（毫瓦）计，电压以V（伏）、mV（毫伏）计，电流以mA（毫安）、uA（微安）计，因而其电路可以用印刷电路或集成电路构成。
当然，强电中也有高频（数百KHz）与中频设备，但电压较高，电流也较大。
又如手电筒与电动剃须刀虽然电压很低，功率及电流很小，仍属强电。
由于现代技术的发展，弱电己渗透到强电领域，如电力电子器件、无线遥控等，但这些只能算作强电中的弱电控制部分，它与被控的强电还是不同的。
弱电控制强电一般是通过可控硅或继电器之类的开关设备来实现的。
2、数据采集技术
随着电子测量技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量转换为数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时监控。
数据采集经常做成模块而且是典型的与PC机或控制器连接。
他们被用于自动化的测试中，为其它测试装备采集数据、控制和循环检测信号。
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，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，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。
大约在60年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
20世纪70年代中后期，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，因此获得了惊人的发展。
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，另一类是工业现场数据采集系统。
就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。
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极大的发展，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，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。
例如，国际标准ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。
这类系统主要用于实验室，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，例如：
STD总线系统就是这一类的典型代表。
这种接口系统采用积木式结构。
把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。
第二类系统在工业现场应用较多。
这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建。
显然，这种系统比专用系统灵活得多。
20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。
由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统（DAS）。
目前有的（DAS）产品精度已达16位，采集速度每秒达到几十万次以上。
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。
该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。
该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有VXI总线系统，PCI、PXI总线系统等,数据位已达到32位总线宽度,采样频率可以达到100MSps[1]。
由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。
但是，并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。
串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。
数据采集系统物理层通信，由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。
其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。
由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。
1.3课题任务
离散数据采集系统的功能为：
完成16路离散量采集输入，16路输出。
离散量采集系统的组成：
离散采集系统由硬件，软件两大部分组成。
硬件由下位机，上位机两部分组成。
下位机由52单片机，单片机最小系统（晶振电路、复位电路、电源电路），缓冲器，锁存器，MAX232，串口电路组成，开关，光电耦合。
上位机程序为VB编程。
软件部分由C语言单片机编程和VB编程，单片机的软件编程完成16路输入和16路输出。
设计的目标：
（1）硬件设备选型，软件编程；
（2）需要考虑各种意外因素，例如人为因素，断电等；
（3）要求用protel原件设计出系统的原理图；
（4）制作出两路的演示电路板；
（5）保证系统稳定、可靠的措施。
1.4课题内容及安排
本课题主要是完成离散数据采集系统设计，其中下位机接受来自上位机发出的指令，来按照上位机的要求来进行数据的采集，具体内容安排如下：
第1章为绪论，着重介绍了基于单片机数据采集器的研究现状及发展趋势。
提出了本课题的研究意义，说明了本文所要研究的问题及目标；
第2章为系统整体方案设计，详细介绍制作初期对各个组成部分方案的论证和选择，不同方案的优缺点都做了一定的介绍，对所选择的方案做了比较详细的说明；
第3章是硬件设计，根据任务书的要求，主要介绍了控制电路的设计，电路原理，以及它在整个系统中的地位和作用；
第4章是软件设计部分，介绍了软件设计所用的C语言、系统的主流程图和子函数的流程图。
具体程序见附录；
第5章是系统调试部分，分部分介绍了系统调试的过程以及调试过程中遇到的问题，解决的方法等；
第6章是结论，总结了本课题中所研究的问题和不足之处。
2系统方案设计
离散数据采集系统总体设计是有上位机与下位机之间通过电脑串行数据口相连。
上位机发出指令，控制下位机采集数据或发送数据，从而实现自动化的采集数据方式。
离散数据采集系统结构如图2.1所示。
由上位机与下位机串口数据通信来发送控制指令，来对数据采集电路进行控制。
图2.1离散数据采集器系统结构图
2.1方案设计原则
本次设计方案应符合以下原则：
（1）经济合理。
系统的硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能的减少成本；
（2）安全可靠。
选择元器件时要考虑到周围环境的影响，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定，工作可靠；
（3）有足够的抗干扰能力。
有完善的抗干扰能力，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件；
（4）可扩展性；
（5）操作性能好，方便用户使用。
2.2方案选择
根据课题的要求，本系统是通过上位机给下位机发指令，让下位机开始以某种方式采集离散量。
本文设计了3套方案，并分析了各种方案的优缺点，最后给出了合适的方案。
方案1的电路结构如图2.2所示。
图2.1方案一设计电路结构框图
图2.2中，在这一方案中，是单片机和上位机一种由上位机向下位机的单向传输方式。
那么这样下位机可以接收到由上位机发来的指令，开始遵照上位机的指令开始工作，如开始以某种方式接收离散量数据和发送数据。
该方案的优点是电路比较简单，操作方便，但是该方案的缺点也很明显，单片机接受到数据之后不能返还给上位机，那么这样上位机就不能得到数据，就不能对数据进行跟踪，计算，暂存以及各种处理等。
不能很好达到课题设计要求。
方案2的电路结构如图2.3所示。
图2.2方案二设计电路结构框图
如图2.3所示这样，是由下位机与上位机的一种单向传输。
这样可以弥补上一个方案采集数据发送不到上位机上的弊端，但是这个方案的缺点也是很明显的。
就是它忽视了上位机更重要的用途，即对下位机的控制功能。
所以这也是不能达到设计要求标准的。
方案3的电路结构如图2.4所示。
图2.3方案三设计电路结构框图
方案3是一个比较成熟的方案，它通过MAX232实现下位机和上位机的双向连接，实现了下位机与上位机的一种双向传输方式。
即可以让下位机接收到上位机发来的命令指令和控制指令，也可以上下位机采集到的数据及时传输到上位机，让上位机可以对这些数据进行实时的处理。
所以本设计采用方案三。
本文所设计的离散量数据采集系统硬件体积小、精度高、性能稳定、操作方便、运行操作简单、设计成本较低。
由于采用的器件都是已经非常普遍的器件，大多数已经批量生产，并且价格也十分低廉，如STC89C52RC单片机、74HC541、74HC574和MAX232等。
这就意味着所选择使用的器件功能比较强大、稳定，尤其是本次设计的核心元件STC89C52RC单片机，软件配合度高，并具有种类齐全的支持芯片。
这类微处理器既可用作控制器又适合于做数据处理，而且成本也甚是低廉。
3系统硬件设计
根据课题要求，设计采用STC公司的STC89C52RC单片机为处理器，运用TLP521进行光电隔离，采用八位三态同相输出总线缓冲器74HC541为输入缓冲部分，而输出缓冲部分则采用的是锁存器74HC574，由拨动开关作为开关控制。
另外，作为下位机系统，需要与上位机进行通信，共同制定通信标准，本次设计采用的是RS-232来进行串口通信，MAX-232进行电平转换。
整体设计的方案原理图见附录1，其结构框图如图3.1所示。
图3.1总体设计结构框图
3.1单片机模块
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
3.1.1STC89C52RC介绍
STC89C52RC（如图2-10所示）是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中。
为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
单片机内部功能模块和引脚图分别如图3.2、图3.3所示。
图3.251单片机内部功能块
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
主要性能参数介绍如下：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容；
（2）4K字节可重复擦写Flash闪烁存储器；
（3）1000次擦写周期；
（4）全静态操作：
0HZ-24HZ；
（5）三级加密程序存储器；
（6）128*8字节内部RAM；
（7）32个可编程I/O接口线；
（8）2个16位定时/计数器；
（9）5个中断源；
（10）可编程串行UART通道；
（11）低功耗空闲和掉电模式。
图3.351单片机引脚图
3.1.2单片机最小系统
单片机最小系统由电源电路、晶振电路及复位电路构成，它是单片机构成的控制系统的核心部分，也单片机平台开发的基础。
其余的外部功能电路都是在这个最小电路的基础上再开发出来的。
1、电源电路
图3.4电源电路
本设计的电源通过计算机的USB口供给，使用套件提供的USB,A转B口电缆连接计算机USB口与设计板即可。
其次选择USB是考虑到它的一下有点：
（1）USB为所有的USB外设提供了单一的、易于使用的标准的连接类型。
这样一来就简化了USB外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽的任务，
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