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多路物理量采集系统设计

学院

毕业设计（论文）

题目:

多路物理量采集系统设计

学生姓名：

学号：

学部（系）：

机电学部

专业年级：

电气工程及其自动化

指导教师：

职称或学位：

高级工程师

年5月21日

摘要………………………………………………………………………………………1

关键词……………………………………………………………………………………1

Abstract………………………………………………………………………………1

Keywords……………………………………………………………………………2

前言……………………………………………………………………………………3

6.3报警系统的程序设计................................................................28

附录.......................................................31

致谢..............................................................................................................38

多路物理量采集系统设计

摘要

本文设计是以MCS-51单片机系统为基础的，通过热电阻变送器对热电阻随温度的变化而得到的模拟信号进行采集，连接多路模拟开关实现多路模拟信号的采集，并通过A/D转换器对模拟信号进行数模转换，把转换得到的数字信号按照顺序分别送入单片机或把指定的那路信号送入单片机，通过单片机进行控制操作，通过对单片机的数据存储器的扩展和程序存储器的扩展来提高片内存储器、数据存储器的容量，以便于在单片机的应用中满足单片机在定时器、中断、串行口等方面的要求；本设计是通过LED来实现单片机的现实系统的，通过单片机对多路模拟开关的控制进行多选一，把其中一路的信号经过A/D转换器的转换，在通过单片机把采集到的信号送到LED电路当中进行显示，此设计中LED显示使用的串行接口来显示的，它是通过人的视觉暂留特性，只观赏感觉是连续点亮的；本文通过单片机报警系统来实现热电阻传感器随测量的温度范围200~700摄氏度，若超出这个温度范围则报警。

以单片机为核心完成温度巡测、数据处理.显示及上下限报警功能。

关键词：

A/D转换器;DBW热电阻变送器;单片机;

Physicaldesignofmulti-acquisitionsystem

Abstract

ItisbasedonMCS-51one-chipcomputersystemforthistextnottodesign,isitgathertogoonthroughthermalresistancechangertoanalogsignalthatthermalresistancereceivewithchangeoftemperature,joinmanywayanalogswitchrealizemanywaycollectionofanalogsignal,isitcountthroughA/Dconvertertoanalogsignalmouldchangetogoon,Senddigitalsignalreceivedtochangeaccordingtoorderintoone-chipcomputerordesignatedthosedistancesignalsendintotheone-chipcomputerseparately,carryoncontroloperationthroughone-chipcomputer,isitimprovescenesofmemorystoringdevicetocomethroughdataexpansionandexpansion,procedureofmemoryofmemoryinone-chipcomputer.Capacityofthedatamemory,Sothatthedemandinmeetingtheone-chipcomputerinthetimer,cutsoff,theserialmouthintheapplicationoftheone-chipcomputeretc;Isitisitrealizerealisticsystemofone-chipcomputertocomethroughLED,isitselectforonemorethroughone-chipcomputercontrolonanalogswitchofmanywaystogoontodesignoriginally,undergoconversion,A/DofconverteramongthemoneNo.ofsignals,sendthroughone-chipcomputersignalgottogatherLEDshowamongthecircuit,designthisLEDserialinterfaceusedtoshowisitshowtocome,ittocutcharacteristicofstayingthroughvisionofpeople,onlyviewandadmireandfeelandlightinsuccession;Thistextrealizes200~700degreesCentigradeoftemperaturerangesthatthethermalresistancesensormeasureatthesametimethroughthewarningsystemoftheone-chipcomputer,ifbeyondthescopeofthistemperaturetoreporttothepolice.Regardone-chipcomputerasthecoreandfinishtemperatureandpatrolexamining,dataprocessing.Showandthewarningfunctionofupperandlowerlimits.

KeyWords:

A/Dconverter;DBWthermalresistancechanger;MCU

前言

本课题是基于单片机的多路温度采集控制系统设计，其利用单片机作为系统的主要控制器，通过温度传感器检测环境温度信号，再经A/D转换后，将数字信号，送入到单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出I/O口，来控制继电器的闭合，达到弱电控制强电的目的，从而实现对了对环境温度的调节。

本人的主要工作是运用单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制温度传感器检测环境温度信号及A/D转换，数据处理，发出控制信号对加热炉和风扇进行自动化控制，达到自动调节控制环境温度的目的，同时实现超高温报警和超低温报警功能。

实现基本的人机对话功能，包括使用按键设置上、下限报警温度值，显示报警温度值和当前环境温度值。

本文是基于单片机的多路温度采集和显示系统，即单片机控制的温度采集及其显示，温度传感器采用电阻元件热电阻随温度的变化而采集到的信号，用LED显示其结果：

有铂热电阻温度计Pt100感受的温度，经测温电桥变成电信号，再经放大器放大及非线性补偿器，把非线形电信号转变成线性电信号，它和多路选择电信号，同时进入选择开关，再经过A/D转换器可分别在数码显示器显示测量温度或设定温度值。

1.多路温度采集显示系统的设计要求与设计方案1.1系统设计任务与要求

本设计要求利用单片机对8路热电阻温度信号进行采集和显示。

熟悉单片机在温度巡回检测仪表中的应用。

掌握单片机系统的设计方法。

本设计要求采用逐渐逼近式A/D转换器来进行对信号的采集转换，并通过LED来实现温度采集的显示，设计是通过8个热电阻来进行温度采集的，要求温度范围在200~700摄氏度。

要求能够实现巡回显示和指定显示，通过完成本次设计来加深对单片机系统的掌握和了解。

1.2系统总体方案的设计

单片机应用系统的一般过程如图2-1所示。

图2-1单片机应用系统设计的一般过程

1.确定总体设计方案

根据应用系统的目标、任务，确定总体方案。

（一）明确应用系统的目标、任务

系统外围设备：

单片机的ROM、RAM的扩展，ADC0809的数模转换，键盘的指定显示，

LED的串行显示，报警系统。

（1）确定参数与数字信号的转换和方法

单片机只能接收、处理、输出数字信号，所以必须进行信号转换，本设计是经过数

模转换后驱动的。

（2）机型选择

根据应用系统的复杂程度来选择4位、8位还是16位机，根据场合、精度要求等确

定使用那种类型，选择机型一般为市场流行的，也考虑经济因素。

本设计机型选用的是MCS-51单片机及其数据存储器和程序存储器的扩展。

（3）划分硬件和软件的功能

本设计中，热电阻的温度采集和热电阻变送器输出的电压信号1-5v是直接用电路实

现的，键盘的指定显示、LED的显示、报警系统、主控模块系统既需要硬件电路，也需要软件来实现。

2.硬件设计

硬件设计的具体步骤：

输入数据、输出数据的传送方式为中断方式，查询方式。

资源分配：

输入信号使用的是A/D转换器ADC0809的输入端口，单片机使用的是P0并行口；输出信号用的是P1口。

3.软件设计

软件设计程序坟主控制模块、显示模块、报警模块等，其程序见各章。

4.仿真调试

一个应用系统并非一次就可以正确无误的设计出来，尤其是涉及的程序，必须经过多次调试才能保证准确无误地工作。

先安装部分硬件，在专用的仿真器或开发试验台上进行调试。

5.安装统调

在线仿真调试确认软、硬件设计无误，达到要求后，就可以进行安转统调，包括固

化程序、电路板制作、元件线路焊接、安装、整机统调。

所谓统调就是对整个系统地个元件的参数进行统一调整。

6.投入使用和产品化

2.主控模块的设计

2.18051单片机的特点及引脚

要学习单片机，首先要对它的部件组成有一个整体概念。

美国的Intel公司于1980年推出了MCS—53系列（以F简称8051单片机）高档8位单片机。

805l系列单片机的基本产品有805l、8031、8751、8951。

8051单片机的片内程序存储器是掩膜型的，8031单片机无片内程序行储器，875l单片机的片内程序存储器是EPROM型的，8951单片机片内程序存储器是FLASH型的。

805l系列单片机是HMos工艺的，其硬件结构如下。

1.8位CPU

8051系列单片机都是8位机，数据线是8位的。

2.输入/输出线

8051单片机的I/O线有32根，即4个并行接口，P0、P1、P2、P3其中一个有两个I/O线构成的全双工的串行口。

3.存储器

805l系列单片机都有128kB或者256kB片内RAM，4Kb或者8kB片内ROM。

外部存储器可以寻址ROM空间为64kB，RAM空间为64kB。

4．定时/计数器

8051系列单片机具有两个16位的定时/计数器，可以通过编程实现4种工作模式。

5.中断源

8051单片机有5个中断源，分为两个优先级，每个中断源的优先级是可以编程的。

6．布尔处理器

805l系列单片机的布尔处理器是一个完整的一位微控制器。

8051单片机的8位机硬件资源和一位机的硬件资源是复合在一起的。

2.28051芯片的引脚

8051系列单片机有40引脚双列直插封装的，也有44引脚PLcc方形封装工艺的。

在8051系列单片机的40个引脚中，2个引脚是芯片主电源的引脚，2个引脚是外接晶振的引脚，4个引脚是控制用引脚，剩下32个引脚是32条输入／输出线的引脚。

1.芯片主电源引脚

第40引脚是Vcc引脚，接电源的+5v电压．为弹片机芯片提供电能。

第20引脚是Vss引脚，接地。

2.晶振引脚

第19引脚是晶振引脚XTAL1，它接单片机内部一个反相放大器的输入瑞*该放大器构成片内振荡器。

第18引脚是晶振引脚XTAL2，它按单片机内部反相放大器的输出端。

当采用外部振荡器时，XTAL1引脚接地，XTAL2引脚接外部振荡器信号。

3.控制引脚

控制引脚共有4个，分别是RST／VPD、ALE／PR0G、PSEN、EA／Vpp。

复位引脚RST／VPD是第9脚，需要外接复位电路，在此引脚上出现两个机器周期的高电平就会使单片机复位。

一般来说复位电路是在此引脚和Vss引脚之间加一个10k欧姆的电阻，在和Vcc引脚之间加—个10pF的电容。

复位引脚还有数据掉电保护作用，该引脚需接备用电源，芯片电源Vcc掉电并下降到规定购电压后，该引脚就向内部RAM提供备用电源。

地址锁存使能引脚ALE／PR0G是第30引脚，当访问外部器件时，ALE输出用于锁存地址的低位字节。

对于8751单片机，该引脚在编程时被用于编程脉冲的输入端。

PSEN是第29引脚，该引脚的输出是外部程序存储器的选通信号，输出低电平有效。

EA／Vpp引脚是第31引脚，该引脚主要是用于区分片内外程序存储器。

EA／Vpp为高平时，访问的是片内程序存储器，如果地址范围超出了片内程序存储器，则自动转到片外程序存储器。

EA／Vpp为低电平时，则访问的是片外程序存储器。

4.输入/输出引脚

P0口是第32引脚到第39引脚。

P0口是8位三态I/O口，一般复用作地址数据线，即数据线与地址线的低8位复用。

P1口是第1引脚到第8引脚。

P1口是8位准双向口，其输出没有高阻态，输入不能锁存。

对于8052，P1.0引脚还是T2定时器／计数器的输入，P1.1是T2的外部控制端，P2口是第21引脚到第28引脚oP2口也是8位准双向口。

一般用作地址线的高8位。

P3口是第10引脚到第17引脚。

P3口也是8位准双向口。

可以用作普通I/O口，也可以复用如下功能：

●P3.0作串行通信输入口RxD；

●P3.1作串行通气输出口TxD；

●P3.2作外剖中断0输入；

●P3.3作外部中断1输入；

●P3.4作定时器o外部输入；

●P3.5作定时器1外部输入；

●P3.6作外部数据存储器写脉冲：

●P3.7作外部数据存储器读脉冲。

可见，P1口只能做I/O口用，而其余3个口P0、P1、P2即可以做普通的I/O口用可以用作特殊功能。

4个接口的负载能力也不一样，P1、P2、P3口能驱动3个LSTTL门，并且不需要外接电阻就能直接驱动Mos电路，而P0口能驱动8个LSTTL门，但驱动MOS电路时若作为地址/数据总线，可以直接驱动，而作为I/O口时需要外接上拉电阻。

2.38051单片机的扩展及系统电路

由于单片机的输入/输出引脚有限，一般的，我们采用地址存储器进行单片机系统总线的扩展。

常用的单片机地址锁存器芯片有74LS373、8282、74LS273等。

图3-1所示为74LS373的引脚以及他们用作地止锁存器的连接方法。

74LS373是带三态输出的8位锁存器。

当三态门为有效低电平，使能端G为有效高电平时，输出跟随输入变化；当G由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到G端再次有效为止。

图3-174LS373的引脚

图3-22764的各个功能引脚

在2764中主要有7种功能引脚：

Vcc：

电源电压,+5v.

A0~A12:

地址线。

D0~D7：

数据线。

OE：

片输出允许，连接单片机的读信号线。

CE：

片选信号引脚，由地址线译码器或单线选通。

Vpp：

编程写入电压。

6264是8*8k的SRAM芯片，在6264中主要有6种功能引脚：

WE：

写允许引脚，低电平有效。

A0~A12：

地址线。

D0~D7：

数据线。

OE：

片输出允许，低电平有效。

CS1：

片选信号引脚，低电平有效。

CS2：

片选信号引脚，高电平有效。

8051单片机与ADC0809、2764及6264的接线电路如图3-4所示。

图3-36264的各个功能引脚

图3-4主控制模块电路

3.信号输入通道与信号采样模块的设计

3.1A/D芯片的选用及说明

A/D转换器从原理上通常分为四类：

计数器式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐渐逼近式A/D转换器和并行A/D转换器。

计数式A/D转换器结构简单，但转换速度很慢，所以很少采用。

双积分A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够理想。

逐渐逼近式A/D转换器的结构不太复杂，转换速度也很高。

并行A/D转换器的转换速度最快，但结构复杂而且造价高。

因此，选用逐渐逼近式A/D转换器。

3.1.1逐渐逼近式A/D转换器的工作原理

逐渐逼近式A/D转换器是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如图4-1所示。

图4-1逐渐逼近式A/D转换器的逻辑框图

有图可以看出，逐渐逼近式A/D转换器，由N位寄存器、N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑部分组成。

其工作原理如下:

当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器Dn-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用，另一方面经D/A转换器转换成模拟量Vc后，送到比较器。

在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。

若Vx>=Vc,则保留这一位；若Vx

此时，N位寄存器的数字量即为Vx所对应地数字量。

3.1.2A/D转换器的性能指标

1．转换精度

A/D转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。

所谓绝对精度，是指对应于一个给定的数字量A/D转换器的误差，其误差的大小优实际模拟量输入值和理论值之差来度量。

实际上，对于同一个数字量，其模拟量输入不是固定值得，而是一个范围。

产生已知数字量的模拟输入值，定义为输入范围的中间值。

例如，在理论上，5v模拟量输入电压应产生12位数字量的一半，即100000000000，但实际上从4.997v都能产生数字量100000000000，则绝对误差为:

（4.997+4.999）/2-5=-0.0002=-0.2mV

绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。

绝对误差的测量应该在标准条件下进行。

相对误差是指绝对误差与满刻度值之笔，一般用百分数来表示，对A/D转换器也常用PPM或最低有效值得位数LSB来表示。

1LSB=满刻度值/2N

2.转换时间

A/D转换器完成一次转换所需要的时间成为转换时间。

一般用的8位A/D转换器的转换时间为几十至几百微秒。

3.分辨率

分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。

分辨率高，转换时对输入量微小变化的反映越灵敏。

通常用数字量得位数来表示，如8位、10位、12位等。

分辨率为N,表示它可以对满刻度的1/2N的变化量做出反应。

即：

分辨率=满刻度值/2N

4.电源灵敏度

当电源电压变化时，将使A/D转换器的电源发生变化，这种变化的实际作用相当于A/D转换器的输入量的变化，从而产生误差。

3.1.3典型的A/D转换芯片ADC0809

ADC0809时带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。

七姐妹芯片是ADC0808，可以互相替换。

1.ADC0809的内部逻辑结构

ADC0809的内部逻辑结构如图4-3所示。

由图4-3可以看出，ADC0809有一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。

三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

2.引脚结构

ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。

其引脚结构图如图4-3所示。

图4-2ADC0809引脚图

图4-3ADC0809内部逻辑

（1）IN0~IN7:

8条模拟量通道

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0~5v，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

（2）地址输入和控制线：

4条

ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。

当ALE现为高电平时，地止锁存与译码器将ADDA、ADDB和ADDC三条地址输入线，用于选通IN0~IN7上的一路模拟量输入。

通道选择如表4-1所示。

表4-1被选通道和地址的关系

ADDC

ADDB

ADDA

选择的通道

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

（3）数字量输出及控制线：

11条

START为转换启动信号。

当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。

EOC位转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。

OE为输出允许信号，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=1,输出转换得到的数据；OE=0，输出数据线呈高阻状态。

D7~D0位数字数出线。

（4）电源线及其他：

5条

CLOCK为时钟输入信号线。

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须有外界提供，通常使用频率为500KHz的时钟信号。

Vcc为+5V电源线。

GND为地线。

Vref（+）和Vref（-）为参考电压输入，参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型去值：

Vref（+）=+5v,Vref（-）=0v.

3.2信号采样模块的电路设计

热电式传感器是温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。

本设计是用热电阻传感器来进行测量的，热电阻的特点是精度高，适用于测低温。

3.2.1热电阻的材料及工作原理

虽然大多数金属的电阻值随温度变化而变化，然而并不是所有的金属都能作为测量温度的热电阻。

作为测量温度热电阻的金属材料应具有如下特性：

电阻温度系数大，电阻率要大，热容量下；在整个测量范围内应具有稳定的物理和化学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；并要求容易加工，复制性好，价格便宜。

目前应用最广发的热电阻材料试铂和铜并且已做成标准测温热电阻，本设计选用的是铂电阻。

铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。

铂在氧化性气氛中，甚至

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