多通道电压信号采集器.docx
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多通道电压信号采集器
辽宁工业大学
单片机与接口技术课程设计（论文）
题目：
多通道电压信号采集器
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
测控技术与仪器
学号：
100301016
学生姓名：
张轶楠
指导教师：
（签字）
起止时间：
2013.6.17-2013.6.28
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
测控技术与仪器
学号
100301016
学生姓名
张轶楠
专业班级
测控101
设计题目
多通道电压信号采集器
课程设计（论文）任务
工业现场中有很多检测环节输出为模拟电压信号，设计一个能够针对16路模拟电压信号进行巡回检测和现实地装置.
设计任务
1．以单片机为控制核心，对16路电压信号进行采集；
2．设计相应信号采集电路和切换电路；
3．设计4位按键，用于实现手动与自动地切换和设定；
4．采用6位数码管进行显示；
设计要求：
1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适单片机、数码管显示方式、按键电路和信号采集电路等；
2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；
3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细地软件设计说明，详细阐述系统地工作过程，字数应在4000字以上.
技术参数
1．16路电压信号中，每一路地巡检周期为1s；
2．电压变化范围0~10V，检测精度为1%；
3．数码管前1位显示通道号，后3位显示当前通道电压值.
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统地控制要求.（2天，分散完成）
2、选择液位传感器、单片机等元器件型号.（1天，实验室完成）
3、绘制硬件电路图.（1天，实验室完成）
4、按系统地控制要求，编写软件程序.（3天，分散2天，实验室1天）
5、上机调试、修改程序、答辩.（2天，实验室完成）
6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
随着电子科技地不断发展与进步，电压测量成为广大电子领域中必须掌握地过程，并且对测量地精度和采集功能地要求也越来越高，而电压地测量与显示系统甚为重要.本文介绍地重点是电压数据地采集与显示系统，数据采集与通信控制采用了模块化地设计，数据采集与通信控制采用了MCS-51系列单片机来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括模数转换模块，显示模块，和串行接口部分，还有一些简单地外围电路.本设计地目地是对16路输入地电压信号进行采集.并将采集到地数据进行处理、传输、显示.
本设计是将输入地电压通过A/D转换，将模拟电压信号转换成数字信号，然后将数字信号传给单片机.经单片机分析处理后，将处理数据传输给显示系统，即由6位数码管显示.
关键词：
单片机；模数转换；6位数码管
第1章绪论
1.1简介及应用
在工业控制现场，常常需要采集大量地现场数据，如电压、电流、温度、气压等，并将这些数据采集模块采集地数据传输到主机上进行处理，由主机根据这些处理地结果，将控制信号传输给现场执行模块进行各种操作..在数据采集及处理行业快速发展地今天，数据采集已经广泛应用于各个领域.国外各种数据采集器地先后问世，将数据采集带入了一个全新地时代.数据采集系统根据不同地应用需求有不同地定义，这使得多功能数据采集系统地发展尤为重要.
数据采集是智能仪表，自动控制系统中不可缺少地部分.如果单片机本身带A/D,D/A功能，则不必进行系统扩展.如果芯片本身不带这种功能，则必须扩展A/D,D/A接口，则必须扩展存储系统程序EPROM，以构成一个完整地数据采集系统.芯片地选取应根据应用需要或实验条件进行，一般在教案实验中制作地采样系统由于条件有限，其精度要求不能提高，如选ADC0809,DAC590及EPROMZ764等进行系统扩展.
1.2设计概述
本设计是以单片机为核心通过AD转换器对16路电压信号进行采集并转换成数字信号，然后送入单片机，经过单片机处理后由数码管进行显示.另外在系统中加入4个按键用以实现人机交互完成手动和自动地切换.
第2章课程设计方案
2.1系统概述
本设计是通过对16路电压信号地采集，全面巩固A/D转换器、单片机、键盘和显示地应用.
系统功能：
通过对多路电压地采集实现实时监测和显示以了解系统地运行状态，进而对系统进行相应地调整.
应用场合：
需要对多路电压信号采集分析地场合.
2.2系统构成
本设计主要由四部分构成：
A/D转换、单片机、键盘和显示.设计构成图如下
图2.1系统组成
AD转换器地16个接口分别和外部16路电压相连接，当任何一个接口地电压信号进入转换器后则开始转换，输入电压信号经过A/D转换后成为数字信号.
方案一是将16路电压经过一个多路模拟开关后，然后由输出端传给一个AD转换器，再由转换器将数字信号传给单片机.
方案二是直接将16路电压信号和一个16路AD转换器相连接，然后输出给单片机.
方案一考虑了经济方面地因素，但电路连接比方案二复杂，而且增加了器件，使得整个系统地不稳定因素增加，另外造成了AD转换器地接口地浪费.方案二虽然采用地转换器价格比一要昂贵，但整体利用率高，同时选用地器件地数量少，系统地可靠性较高.所以综合考虑选用方案二.
在转换器转换完成后，单片机地控制端给出信号使转换器输出通道打开，然后将数字信号送入单片机.再由单片机处理后并把数据转化成BCD码输出给锁存器，当锁存器锁存信号允许打开时由锁存器驱动数码管显示.显示部分由四位数码管组成并采用动态显示，第一位用来显示通道，其余三位则用来显示数值.系统共设置四个按键则用来实现手动和自动功能地切换，四个按键和单片机端口连接，通过给入按键信号分别实现不同地功能包括：
跳转至上一个显示、跳转至下一个显示、一直显示当前位、跳转至起始显示，当单片机扫描到按键按下时则程序跳转至相应地程序，由单片机分析处理后给输出部分，然后由显示部分显示用户所需要地数据.
第3章硬件设计
3.1A/D转换
转换部分是16路电压信号通过一个ADC0816进行模数转换后，将输出地八位数字量通过输出端传输给AT89S51.因为A/D转换器地工作频率大约为500KHz，而由单片机ALE口输出信号地频率为2MHz，所以要将ALE地输出通过一个四分频电路.分频电路地组成如图3.1.其中U6地CP端接单片机地ALE.电路是采用两个74LS74进行四分频，输出端地频率信号给ADC0816地CLOCK端，用以提供ADC0816地工作频率.
图3.1分频器电路图
图3.2是ADC0816和单片机地接线图.IN0-IN15为16路电压输入端，23-31引脚是8位数据输出端和单片机地P0口连接，转换后地数据由AD输出后从P0口进入单片机.转换器地地址控制端即ADDA-ADDD和单片机地P1.4-P1.7连接，单片机地四个输出口输出地数据改变时相应地AD转换器地不同地通道会打开使外部信号进入转换器，然后把输入地数据进行AD转换.转换器地START用来控制转换地开启，转换开启是手单片机地P3.5控制地，当P3.5输出一个高电平时会使转换器启动.当数据转换完成后要输出，但输出允许控制位要受单片机控制地P3.6控制，只有当OE允许时AD转换器才会把数据输出给单片机.
图3.2RETZR7,$
0
1
于本人初涉单片机也无法确保________________________________________________________________________________________________AD转换器和单片机连接图
3.2单片机系统
图3.3为振荡器和复位电路地电路图.单片机工作时是需要时钟电路地，虽然单片机内部有时钟电路，但自己本身不会工作，必须要在外部给予振荡源.单片机地复位是靠外部复位电路来实现地，复位可以使单片机初始化，也可以使死机状态下地单片机重新启动.在复位电路中通过按下SW键10ms以上地时间便可以使单片机可靠地复位,当RET从高电平变为低电平后单片机会从0000H地址开始执行程序.
图3.3晶振和复位电路
图为单片机子系统地组成原理图.单片机子系统以MCS-51系列单片机8031为核心，外足存储控制程序和采集数据量地要求.从采集数据量来看，最大数据量发生在第一通道扩8K*8地RAM6264和8K*8地ROM.这两种芯片都具有较高地性能/价格比，同时也能满地衰减振荡持续时间为最长时地情形.为保证精度和波形地复现，当取样频率为5KHz时，对于持续时间为0.4S地衰减振荡，为采集其完整地信号则需要采集2000点.若每点用8位来量化，则要求RAM至少应大于2K字节容量.其他三路信号是慢变化信号，而且有数码管实时显示，所以占用RAM地容量很少.因此选用6264完全能满足要求，并留有适当地余量以便今后进一步扩展功能.
.
图3.4MCS-51系列单片机8031
3.3输出显示
图3.5是输出显示部分，是由锁存器和数码管两部分组成.单片机P2口输出地数据经锁存器所存并驱动后面地数码管，则相应地字符便会得到显示.锁存器74LS273为上升沿所存，当单片机地控制信号给CLK高电平时，锁存器锁存输出地数据，同时数据由Q端输出，驱动数码管.当需要显示下一个字符时则控制端再次给以一个上升沿.数码管地控制端用于控制位选，四位数码管地位选控制端是和译码器74HC139地四个输出端连接地，当位选端给低电平时是数码管点亮，高电平时则熄灭.系统地显示采用地是动态显示，即每个时刻只有一个数码管亮，通过循环执行实现16路电压地显示.
图3.5数码管显示
第4章软件设计
4.1程序设计流程图
图4主程序流程图
4.2流程图介绍
整个流程图是从外部输入给AD地电压开始，电压经AD入口进入转换器，同时单片机控制地址输入信号使要选择地转换通路打开，然后控制信号启动AD转换.当转换结束后，单片机控制输出允许打开，则转换数据进入单片机.单片机处理后将得到地数转化成BCD码然后输出给锁存器，锁存器控制端控制锁存信号并通过输出端输出，然后由数码管显示.显示时间1s后控制AD地址输入端输入下一个地址，然后下一路电压信号进入.当16路电压信号全部显示一遍后跳转至起始地址，从新开始进行16路电压地显示.16路电压地循环显示则由程序中地判断语句执行.每次执行完一次显示后进行一次判断，不满16是则顺序往下执行，到达16时程序跳转至开始，重新开始新一轮地转换和显示.
第5章课程设计总结
本设计以MCS-51系列单片机8031为核心部件，单片机系统完成对电表信号地采集、处理、显示等功能，利用汇编语言编制相应地控制和显示程序以达到对16路电压信号采集地目地.通过这次课程设计让我了解了更多关于单片机地知识，为今后地学习打下了坚实地基础.
本设计地主要特点是适用性强，用户只需对界面参数进行观察来判断系统地运行情况；并且同时对多路电压监测，提高了效率；可以实现手动和自控地切换便于操作；采用动态显示地方法降低了功耗；系统成本低廉，操作非常简单.但是本设计只能对小范围地电压信号进行监测，在使用上受到了一定地限制；按键控制方面比较简单只能实现一些基本功能，上下循环显示、本位显示、起始显示，对于一些手动要求比较多并且较复杂地场合，本设计在功能实现上就会带来一定地困难.
我很感谢学校和老师提供地课程设计地机会.在本次设计过程中，我始终认认真真，真正做到每个字，每个图都尽可能尽善尽美，尽可能以较高地标准来完成本次设计，为以后地课程设计和毕业设计都打下良好地基础，让自己学到地知识日益完善.总之，这次课程设计使我受益非浅，为我今后地专业课学习打下了良好地基础，同时也为我自己树立了信心，对我所学地知识产生了浓厚地兴趣，相信自己可以学好今后地课程.
参考文献
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清华大学出版社，2009.
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[14]蔡骅.单片机开发与应用（嵌入式与SOC）2009年第11-3期.
[15]肖立中.邵志清.通用串行总线及其开发.2010年第5卷3-11期.
附录Ⅰ
附录Ⅱ
CLRP3.5
CLRP3.6
CLRP1.4
CLRP1.5
CLRP1.6
CLRP1.7
SETBP3.5
LCALLDELAD转换需要大概10-50us设置一个延迟
SETBP3.6
CLRP3.5
CLRP3.6
AD转换通道0地转换程序
CLRP1.4
CLRP1.5
CLRP1.6
CLRP1.7
SETBP3.5
LCALLDEL
SETBP3.6
CLRP3.5
CLRP3.6
AD转换通道1地转换程序
LOOP:
CLRP3.3
MOVP2,#data1第一位数码管给值
CLRP3.0
CLRP3.1
LCALLDELL
SETBP3.3
CLRP3.3
MOVP2,#data2第二位数码管给值
CLRP3.0
SETBP3.1
LCALLDELL
SETBP3.3
CLRP3.3
MOVP2,#data3
SETBP3.0
CLRP3.1
LCALLDELL
SETBP3.3
CLRP3.3
MOVP2,#data4
SETBP3.0
SETBP3.1
LCALLDELL
SETBP3.3
LJMPLOOP
DELL:
MOVR7,#100
DJNZR7,$
RET
数码管动态显示程序
LOOP1:
CLRP3.3
MOVP2,#data1
CLRP3.0
CLRP3.1
.
.
LOOP2:
CLRP3.3
MOVP2,#data1
CLRP3.0
CLRP3.1
.
.
JNBP1.0，LOOP1LOOP1
JNBP1.1，LOOP2LOOP3
JNBP1.2，LOOP3LOOP2
JNBP1.3，LOOP4LOOP0第一位显示地起始地址
LOOP3:
CLRP3.3
MOVP2,#data1
CLRP3.0
CLRP3.1
.
键盘扫描及跳转程序
MOVA，P0
MOVDPTR,#data
MOVCA，@A+DPTR
MOVB,#100
DIVAB
MOVdirect1,B
MOVA,B
MOVB,#10
DIVAB
MOVdirect2,B
DAA
MOVdirect3,A
MOVA,direct1
DAA
MOVdirect1,A
MOVA,direct2
DAA
MOVdirect2,A
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