多路数据采集系统设计报告.docx
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多路数据采集系统设计报告
第1章绪论设计目及要求
1.1绪论
随着计算机技术飞速发展和普及,数据采集系统也迅速地得到应用。
在生产过程中,应用这一系统可对生产现场工艺参数进行采集,监视和记录,为提高产品质量,降低成本提供信息和手段。
在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量动态信息,是研究瞬间物理过程有力工具,也是获取科学奥秘重要手段之一。
总之,不论在哪个应用领域中,数据采集及处理越及时,工作效率就越高,取得经济效益也越高。
本设计采用ATMEGA16单片机作为数据采集系统控制核心,系统分为数据采集模块、A/D转换模块、系统控制模块、键盘模块、显示模块等几部分。
1.2设计目
利用单片机为核心设计一个多路数据采集系统,要求每个通道信号经A/D转换后以10进制数在LED显示器上显示,并能够通过键盘操作切换显示不同通道采样值。
1.3设计要求
本课题要求利用单片机为核心设计一个八路数据采集系统,要求每个通道信号经A/D转换后以10进制数在LED显示器上显示,并能够通过键盘操作切换显示不同通道采样值。
本系统中包括8路模拟量输入,范围0-5V。
要求对8个通道模拟量进行巡回采样,再将采集数据进行工程量化转换后在LED显示器上显示,并能通过按键切换所选通道采样数据。
第2章系统总体方案选择及说明
2.1硬件设计框图
典型数据采集系统配置如图2.1所示,有已实现集成化,多个传感器预处理电路输出接入多路模拟开关,然后经过取样/保持电路和A/D转换后进入CPU系统。
图2.2典型数据采集系统配置图
(1)传感器是经典利用各种原理将被测物理量转化为电信号。
(2)预处理模块是将模拟信号进行调整、放大,在模拟电路方便实现基础上对信号进行自动补偿、自动校正,抑制温漂模块。
(3)数据采集A/D模块将模拟信号进行采样、量化,转化为数字信号.
(4)计算机可能为PC机、单片机或其他专用处理器,具有数据存储、记忆及信息处理功能,具有判断、决策处理功能。
2.2软件设计框图
图2.2软件设计框图
第3章数据采集系统概述、工作原理及其说明
3.1数据采集系统概述
数据采集是信息科学一个主要组词成部分,信息技术核心是信息获取,通信和计算机技术,常被称为3C技术,其中信息获取是基础和前提。
数据采集是获取信息主要手段,它随着科学技术进步而得到迅速发展。
目前各种各样数据采集系统已得到广泛应用,新型数据采集系统仍不断涌现。
随着科学技术发展及普及,数字设备正越来越多地取代模拟设备,在生产过程控制和科学研究等广泛领域中,计算机控制技术正发挥着越来越主要作用,然而外部世界大部分信息是以连续变化物理量形式出现,例如温度、压力、位移、速度等。
要将这些信息送入计算机进行处理,就必须先将这些连续物理量离散化,并进行量化编码,从而变成数字量,这个过程就是数据采集。
数据采集系统是计算机及外部世界联系桥梁。
数据采集技术是信息科学主要组成部分,它是以传感器技术、信号检测及处理、电子学、计算机技术等方面技术为基础而形成一个综合应用技术学科,已广泛应用于国民经济和国防建设各个领域,并且随着科学技术发展,尤其是计算机技术发展及普及,数据采集技术有广阔发展前景。
3.2工作原理及其说明
1、采用80C52单片机和ADC0809构成一个八路数据采集系统。
2、能够顺利采集各个通道信号。
3、采集信号动态范围:
0~5V。
4、每个通道采样速率:
100sps。
5、在面包板上完成电路,将采集数据送入单片机70H~77H存储单元。
6、编写相应单片机采集程序到达规定性能:
8路输入模拟信号数值显示电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。
A/D转换由集成电路0809完成。
0809具有8路模拟输入端口,地址
线(23~25脚)可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。
第22脚为地址锁存控制,当输入为高电平时,对地址信号进行锁存;6脚为测试控制,当输入一个2微秒宽脉冲时,就开始A/D转换;7脚为A/D转换结束标志,当A/D转换数据结束时,7脚输出高电平;9脚为A/D转换数据输出允许控制,当OE脚为高电平时,A/D转换数据从端口输出;10脚为0809时钟输入端,利用单片机30脚六分频晶振信号再通过74hc193二分频得到。
单片机P1、P3端口作4位LED数码管显示控制,P0端口作A/D转换数据读入用,P2端口用作A/D转换控制。
第4章各单元硬件设计及说明
4.1单片机时钟源
4.1.1单片机时钟源
电容C1、C2和晶振(6MHz)组成8031外部时钟源电路(如图4.1.1),将C1、C2和晶振组成回路称为LC并联谐振回路,晶振起电感作用,谐振频率由晶振频率所决定,8031单片机晶振可以选1.2MHz~12MHz。
电容C1、C2取值一般在20Pf~100pF之间(在60pF~70pF时,频率比较稳定)。
图4.1.1单片机时钟源
采用80C52单片机作为数据处理及显示芯片,80C52芯片管脚图如下:
图3.180C52单片机引脚图
各管脚说明:
VCC(40):
供电电源GND(20):
接地
P0(32~39)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(1~8)口:
P1口是一个内部提供上拉电阻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,这是由于内部上拉缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2(21~28)口:
P2口为一个内部上拉电阻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口管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉缘故。
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(10~17)口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向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)这是由于上拉缘故。
P3口作为AT89C51一些特殊功能口,管脚备选功能
表4.180C52单片机P3口引脚功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0)
P3.5
T1(定时器1)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器都选通)
RST(9):
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期高电平时间。
PSEN(29):
外部程序存储器选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效/PSEN信号将不出现。
EA/VPP(31):
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(18):
反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。
XTAL2(19):
来自反向振荡器输出。
电容C1、C2和晶振(6MHz)组成8031外部时钟源电路,将C1、C2和晶振组成回路称为LC并联谐振回路,晶振起电感作用,谐振频率由晶振频率所决定,8031单片机晶振可以选1.2MHz~12MHz。
电容C1、C2取值一般在20Pf~100pF之间(在60pF~70pF时,频率比较稳定)。
4.2ADC0809(模数转换芯片)
本系统采用ADC0809来转换模拟信号,其管脚图如下:
ADC0908引脚功能说明:
图4.2ADC0809引脚图
ADC0809引脚功能说明
IN0~IN7(1~5,26~28):
8路模拟量输入端。
2-1~2-8(8.14.15.17.18.19.20.21):
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC(23~25):
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中一路
ALE(22):
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START(6):
A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换)。
EOC(7):
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE(9):
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK(10):
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-)(12.16):
基准电压。
Vcc(11):
电源,单一+5V。
GND(13):
地。
4.3程序存储器和数据存储器电路设计
EPROM2716是8031单片机程序存储器,用于存放指令,常数及表格。
其地址范围为0000H~07FFH。
片选端
接地,表示2716总是处于选通状态。
开机后,由8031
PSEN控制
端(低电平有效),自动执行从0000H开始程序。
如果从EPROM中取常数或查表,则需要执行MOVCA,@A+DPTR指令。
RAM6116是8031单片机数据存储器,用于存放采集数据及数据计算及处理结果等。
它地址范围也是0000H~07FFH,但不会及EPROM2716地址发生冲突。
因为它片选端
是通过8031地址线控制。
当地址线P26=0时,RAM6116才选通。
8031
执行MOVX@DPTR,A指令可以产生
信号,将累加器A内容送片外数据存储器。
执行MOVXA,@DPTR指令可以产生
信号,将片外数据存储器由DPTR指定地址单元中内容送至累加器A。
DPTR表示16位地址计数器内容,它可以通过执行MOV
DPTA,#addrl6指令被赋值。
第5章软件设计及说明
5.1设计条件
本系统8路模拟量输入,范围0-5V。
要求对8个通道模拟量进行巡回采样,再将采集数据进行工程量转换后在LED显示器上显示,并能通过按键切换所选通道采样数据。
5.2编程思想和流程图
编程思想:
根据硬件电路图,我们应用汇编语言进行编程。
首先在P2.4和P2.3引脚提供正脉冲,启动A/D转换,因转换需要一定时间,所以需延时等待;然后读取数据,利用软件编程,将二进制数转换为十进制数,送到数码管显示;从左到右轮流点亮显示器各位,对于显示器每一位来说,每隔一段时间点亮一次,利用人视觉暂留功能可以看到整个显示,但必须保证扫描速度足够快,字符才不闪烁,利用单片机P1口提供显示段码,P3口低四位提供位码,数码管第一位显示通道数,后三位显示0~255采集数据。
流程图如下所示:
5.1主程序流程图
5.2.1主程序流程图
5.2.2模数转换流程图
5.3模块程序设计
1、初始化程序
系统上电时,将70H~77H内存单元清0,P2口置1.
CLEARMEMIO:
CLRA
MOVP2,A;P2口置0
MOVR0,#70H;内存循环清零(70H~7BH)
MOVR2,#0CH
LOOPMEM:
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR2,LOOPMEM
MOVA,#OFFH
MOVP0,A;P0,P1,P3端口置1
MOVP1,A
MOVP3,A
RET;子程序返回
2、主程序
在刚上电时,因70H~77H内存单元数据为0,则每一通道数码管显示值都是000.当进行一次测量后,将显示出每一通道AD转换值。
每个通道数据显示时间在1S左右。
主程序在调用显示程序和测试程序之间循环,其流程图如5.1.1。
汇编程序:
START:
LCALLCLEARMEMIO;初始化
MAIN:
LCALLDISPLAY;显示数据一次
LCALLTEST;测量一次
AJMPMAIN;返回MAIN循环
NOP;PC值出错处理
NOP;空操作
NOP;空操作
LJMPSTART;重新复位启动
DISPLAY:
MOVR3,#08H;8路信号循环显示控制
MOVR0,#70H;显示数据初值(70H~77H)
MOV7BH,#00H;显示通道路数(0~7)
DISLOOP1:
MOVA,@R0;显示数据转为3位十进制BCD
MOVB,#100;7AH、79H、78H显示单元内
DIVAB;显示数据除100
MOV7AH,A;商入7AH
MOVA,#10;A放入数10
XCHA,B;余数及数10交换
DIVAB;余数除10
MOV79H,A;商入79H
MOV78H,B;余数入78H
MOVR2,#0FFH;每路显示时间控制4ms*255
DISLOOP2:
LCALLDISP;调4位LED显示程序
DJNZR2,DISPLOOP2;每路显示是时间控制
INCR0;显示下一路
INC7BH;通道显示数值加1
DJNZR3,DISLOOP1;8路显示未完转DISLOOP1再循环
RET;8路显示完子程序结束
LED共阳显示子程序,显示内容78H~7BH,数据在P1输出,列扫描在P3.0~P3.3口
DISP:
MOVR1,#78H;赋显示数据单元首地址
MOVR5,#0FEH;扫描字
PLAY:
MOVP1,#0FFH;关显示
MOVA,R5;取扫描字
ANLP3,A;开显示
MOVA,@R1;取显示数据
MOVDPTR,#TAB;取段码表首地址
MOVCA,@A+DPTR;查显示数据对应段码
MOVP1,A;段码放入P1口
LCALLDL1MS;显示1ms
INCR1;指向下一地址
MOVA,P3;取P3口扫描字
JNBACC.3,ENDOUT;4位显示完转ENDOUT
RLA;扫描字循环左移
MOVR5,A;扫描字放入R5暂存
MOVP3,#0FFH;显示暂停
ALMPPLAY;转PLAY循环
ENDOUT:
MOVP3,#0FFH;显示数据,端口置1
MOVP1,#0FFH
RET;子程序返回
LED数码显示管用共阳段码表,分别对应0~9,最后一个是“熄灭符”
TAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,
1ms延时子程序,LED显示用
DL1MS:
MOVR6,#14H
DL1:
MOVR7,#19H
DL2:
DJNZR7,DL2
DJNZR6,DL1
RET
3、显示子程序
采用动态扫描法实现4位数码管数值显示。
测量所得AD转换数据放70H~77H内存单元中。
测量数据在显示时需经过转换成十进制BCD码放在78H~7BH中,其中7BH存放通道表指数。
寄存器R3用作8路循环控制,R0用作显示数据地址指针。
4、模数转换测量子程序
模数转换测量子程序是用来控制对0809八路模拟输入电压AD转换,并对应数值移入70H~77H内存单元,其流程图如5.1.2。
TEST:
CLRA;清累加器A
MOVP2,A;清P2口
MOVR0,#70H;转换值存放首地址
MOVR7,#08H;转换8次控制
LCALLTESRART;启动测试
WAIT:
JBP3.7,MOVD;等A/D转换结束信号后转MOVD:
AJMPWAIT;P3.7为0,等待
TESTART:
SETBP2.3;锁存测试通道地址
NOP;延时2微秒
NOP
CLRP2.3;测试通道地址锁存完毕
SETBP2.4;启动测试,发开始脉冲
NOP;延时2微秒
NOP
CLRP2.4;发启动脉冲完毕
NOP;延时4微秒
NOP
NOP
NOP;子程序调用结束
RET
取A/D转换数据至70H~77H内存单元
MOVD:
SETBP2.5;0809输出允许
MOVA,P0;将A/D转换值入A
MOV@R0,A;放入内存单元
CLRP2.5;关闭0809输出
INCR0;内存地址加1
MOVA,P2;通道地址移入A
INCA;通道地址加1
MOVP2,A;通道地址送0809
CLRC;清进位标志
CJNEA,#08H,TESTCON;通道地址不等于8转TESTCON在测试
JCTESTCON;通道地址小于8转TESTCON在测试
CLRA;大于或等于8,A/D转换结束,恢复端口
MOVP2,A;P2口置0
MOVA,#0FFH
MOVP0,A;P0口置1
MOVP1,A;P1口置1
MOVP3,A;P3口置1
RET;取A/D转换数据结束
TESTCON:
LCALLTESTART;再发测试启动脉冲
LJMPWAIT;跳至WAIT,等待A/D转换结束信号
END;程序结束
第6章调试步骤及使用说明
由于程序比较多,整体调试不容易发现和改正错误,故采取子程序调试方法,但要明确子程序具体功能。
例如:
调试显示子程序时,只将显示子程序进行汇编,确认无误后单步执行,观察CPU窗口和DATA窗口以及CODE窗口相应单元变化是否跟预期一样。
如果有问题找出问题所在。
采取各个击破方法调试好各个子程序。
确定各子程序无误后,再调试完整程序,要注意各子程序之间衔接以及和主程序之间调用和返回。
运行后,观察有无键盘显示功能。
若运行结果不正确,首先应根据程序运行实际现象分析判断哪些因素可引起相关故障,再通过调试方法逐一认证和排除。
通过反复调试,发现并排除软件及硬件存在各类问题,以满足系统设计预期目。
第7章设计总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力重要环节,是对学生实际工作能力具体训练和考察过程.随着科学技术发展日新日异,单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃领域,在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪大学来说掌握单片机开发技术是十分重要。
回顾起此次单片机课程设计,我仍感慨颇多,确,从选题到定稿,从理论到实践,在接近两星期日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多东西,同时不仅可以巩固了以前所学过知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论及实际相结合是很重要,只有理论知识是远远不够,只有把所学理论知识及实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己实际动手能力和独立思考能力。
在设计过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做,难免会遇到过各种各样问题,同时在设计过程中发现了自己不足之处,对以前所学过知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,比如说不懂一些元器件使用方法,对单片机汇编语言掌握得不好……通过这次课程设计之后,一定把以前所学过知识重新温故。
这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多编程问题,最后在同学们探讨下在蔡老师辛勤指导下,终于游逆而解。
同时,在蔡老师那里我学得到很多实用知识,在次我表示感谢!
同时,对给过我帮助所有同学和各位指导老师再次表示忠心感谢!
参考文献
1.《单片机应用系统设计》何立民编北航出版社
2.《单片机原理及应用》王迎旭主编机械工程出版社
3.《51系列单片机设计实例》楼然苗等编北航出版社
4.《51单片机应用系统开发典型实例》戴家等编中国电力出版社
5.《单片微型计算机原理及接口技术》陈光东等编华中科技大学出版社
6.《单片机实用系统设计技术》房小翠编国防工业出版社
附录
A、系统电路原理图:
系统电路原理图
B、程序
70~77H存放采样值,78H~7BH存放显示数据,一次个位,十位百位,通道标志。
主程序和中断程序入口
ORG0000H;程序执行开始地址
LJMPSTART;跳至START执行
ORG0003H;外中断0中断入口地址
RETI;中断返回(不开中断)
ORG000BH;定时器T0中断入口地址
RETI;中断返回(不开中断)
ORG0013H;外中断1中断入口地址
RETI;中断返回(不开中断)
ORG001BH;定时器T1中断入口地址
RETI;中断返回(不开中断)
ORG0023H;串行口中断入口地址
RETI;中断返回(不开中断)
ORG002BH;定时器T2中断入口地址
RETI;中断返回(不开中断)
初始化程序中各变量
CLEARMEMIO:
CLRA
MOVP2,A;P2口置0
MOVR0,#70H;内存循环清零(70H~7BH)
MOVR2,#0CH
LOOPMEM:
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR2,LOOPMEM
MOVA,#OFFH
MOVP0,A;P0,P1,P3端口置1
MOVP1,A
MOVP3,A
RET;子程序返回
主程序
START:
LCALLCLEARMEMIO;初始化
MAIN:
LCALLDISPLAY;显示数据一次
LCALLTEST;测量一次
AJMPMAIN;返回MAIN循环
NOP;PC值出错处理
NOP;空操作
NOP;空操作
LJMPSTART;重新复位启动
DISPLAY:
MOVR3,#08H;8路信号循环显示控制
MOVR0,#70H;显示数据初值(70H~77H)
MOV7BH,#00H;显示通道路数(0~7)
DISLOOP1:
MOVA,@R0;显示数据转为3位十进制BCD码存入
MOVB,#100;7AH、79H、78H显示单元内
DIVAB;显示数据除100
MOV7AH,A;商入7AH
MOVA,#1