单片机数据采集在冲天炉中的应用

1、摘要 本系统以单片机 sst89e564 为核心，设计了一个用于对冲 天炉中温度的高精度自动调控和对料位、风压及风量等指标进行 检测并显示的数据采集控制系统。在总结分析数据采集系统的基 本构成、种类及其特点的基础上，本着方便、实用、可靠及经济 等设计原则，详细介绍了将单片机数据采集应用到冲天炉中的具 体实现步骤，设计开发了基于单片机 sst89e564 的数据采集系 统。该系统能够对冲天炉传送过来的四路 15v 的模拟量进行 采集，并对其进行监控，以判断冲天炉的当前工作状态是否正常， 并在必要时给出相应的报警信息。此外，该系统配有能实时显示 数据采集结果的 led 显示器模块同时为了满足数据处

2、理和传输 的需要，系统还留出了串行通信接口，可以通过 rs-232c 总线 将采集到的数据发送到 pc 机显示和处理。数据的运算和处理都 是由单片机 sst89e564 调用不同的多字节浮点数子程序来实现 的。本设计当中，子程序主要有四字节浮点数加法、乘法、除法 等。本系统借助 51 单片机集成开发环境 medwin 来进行编程和 离线仿真，这使得设计开发过程变得更方便、快捷。 关键词：关键词：冲天炉，数据采集，单片机 2 abstract this system bases on sst89e564 microcontroller. i have designed data collecti

3、on system that it is used for regulating and controling temperature ,detecting feed place and wind pressure and measure. for the proper of the convenience, practical and dependable and economic etc, this paper designs principle in tallying up to analyze data collecting the system based on constitute

4、, the foundation between category and its characteristics. this paper detailed introduces the actually procedure of the single machine data to apply to the cupola. and design the data system based on single chip sst89e564.this system can collect 1-5v four-way simulation transmits by chongtian stove,

5、 it is also be supervised and gives as occasion arise to report to the police the information homogonously. in addition, this system has the led display mold correspondence. .in order to satisfying the needs of data andling and transfer, the system has designed the serial communication interface, an

6、d it can ransmit the frequency to personal computer by way of rs-232c bus. these accurate data handlings are all realized by the different multibyte float-point number broutines of sst89e564 microcontroller. in this design, subroutines chiefly have four bytes floating number addition, multiplication

7、 and division etc. this system proceeds to weave the distance with off-line imitate true with the help of 51 single chip gather development environment medwin.it makes the design evelopment process become more convenient and fast. keykey wordswords：cupola、data collecting、single-chip 目录 摘摘 要要 .i.i ab

8、stract.iiabstract.ii 目目 录录 .iii.iii 第一章第一章 引言引言 .3 3 第二章第二章 数据采集系统的发展概况数据采集系统的发展概况 .5 5 2.1 数据采集系统的基本概念 .5 2.2 数据采集系统的基本构成 .5 2.3 数据采集系统的种类及其特点 .6 2.4 数据采集系统的发展趋势 .8 第三章第三章 系统设计方案选择系统设计方案选择 .9 9 3.1 方案选择 .9 3.1.1 模数转换电路 .9 3.1.2 微控制电路 .11 第四章第四章 系统硬件原理及设计系统硬件原理及设计 .1414 4.1 硬件设计的主要步骤 .15 4.2 关键器件说明

9、.16 4.2.1 sst89e564.16 4.2.2 adc0809.19 4.2.3 8279.21 4.3 单片机模块电路 .22 4.3.1 时钟电路.23 4.3.2 复位电路.23 4.3.3 数据存储器电路.24 4.3.4 地址分配.24 4.4 光电隔离电路 .25 4.5 电源电路 .26 4 4.6 模/数转换电路 .26 4.7 人机交互部分电路 .28 4.7.1 键盘显示接口电路.28 4.7.2 串行通讯接口电路.29 第五章第五章 系统软件原理及设计系统软件原理及设计 .3030 5.1 软件设计的主要步骤 .30 5.2 软件主程序 .31 5.3 0809

10、 中断子程序.32 5.4 键盘中断子程序 .33 5.5 显示中断子程序 .33 5.6 串行通讯子程序 .36 第六章第六章 系统的抗干扰及可靠性设计系统的抗干扰及可靠性设计 .3838 6.1 数据采集系统中的常见干扰现象 .38 6.2 数据采集系统常用的抗干扰措施 .39 第七章第七章 系统的主要性能指标系统的主要性能指标 .4141 致谢致谢 .4242 参考资料参考资料 .4343 附录附录 系统完整电路图系统完整电路图 .4444 附录附录 单片机源程序清单单片机源程序清单 .4545 第一章 引言 进入 20 世纪 90 代年，随着科技的发展和各行各业的激烈 竞争，铸造业开始

11、采用新技术、新材料和新设备，来增强自身的 竞争能力。冲天炉熔炼控制是获得优质铁水及铸件的必要条件。 因此铸造工作者一直在不懈地研究冲天炉熔炼控制技术，来提高 熔炼控制水平，促进铸造业发展。控制科学产生于本世纪 30 年 代，已经经历了 60 年的发展历程。在上个世纪 4060 年代， 是经典控制理论发展阶段，但投入使用的较少。在 6070 年代， 由于计算机技术的发展，为求解高阶微分方程提供了方便，因而 出现了现代控制理论。这两种控制理论都必须建立精确的数学模 型。本世纪 70 年代末，控制技术发展的新方向为“智能控制” ， 它研究和模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研 制具有模仿

12、人的智能控制系统。 目前，世界各国铸铁熔炼仍以冲天炉为主，而且将来很长时 期内仍将广泛地存在。这是因为冲天炉熔炼效率高，生产成本低 和适应性强，能大量使用价格低的废铁、废钢，可以连续生产。 这些优点巩固了它在铸铁熔炼中的地位。多年来全世界各国都在 大力发展冲天炉熔炼技术。 冲天炉由前炉、后炉和送风系统三大部分组成的。后炉是主 体，主要操作有加料口处加燃料于炉体底部，再加入铁料和溶剂， 炉内燃料燃烧，并从风口处向炉内送风等。燃烧产生的热量使铁 料融化成铁水。前炉是用于盛放铁水的，并可开炉出铁。后炉的 铁水是通过“过桥”流入前炉的。若要提高铸件质量，铁水的温 度是一个关键的因素，为了能做到对温度的

13、调控，需要对料位、 风压及风量等指标进行实时的检测和控制，这就需要把这些连续 变化的物理量变成相应的数字量送入计算机内进行加工，处理； 6 反之，也需要将计算机计算结果的数字量转为连续变化的模拟量， 用以控制，调节相对应的执行机构，实现对被控对象的控制，这 就需要用到数据采集系统。 第二章 数据采集系统的发展概况 2.1 数据采集系统的基本概念 在现代工业控制、自动检测技术及信号处理中，数据是指 现场采集来的电压、电流、压力、流量、温度和角度等信号，此 外还包括一些开关量信号。在微型计算机应用于智能化仪器仪表、 信号处理和工业自动化等过程中，都存在着模拟量的测量与控制 问题即将温度、压力、流量

14、、位移及角度等模拟量转变为数字信 号，再收集到微型机上进一步予以显示、处理、记录和传输，这 个过程即称作“数据采集”2。相应的系统即为微机数据采集系 统。 2.2 数据采集系统的基本构成 一个典型的数据采集系统应该具备如下三部分: （1）数据采集器 包括多路开关 mux、测量放大器 ia、采样保持器及模数转 换器等。可将多个现场模拟信号逐个采样再量化成为数字信号后 送往微型计算机(单片机)。典型的数据采集器硬件框图如图 2-1 所示。 多 路 模 拟 开 关 模拟通道 1 模拟通道 2 模拟通道 n . . . 测 量 放 大 器 采 样 保 持 器 数 模 转 换 器 c p u 控制逻辑

15、图 2-1 数据采集器原理框图 （2）微机接口电路 用来传送数据采集系统运行所需要的数据、状态信息以及控 制信号等。 （3）数模转换器 将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以实现系统要求 控制任务。一般将包含模数转换器和数模转换器的数据采集系统 也称为模拟输入与输出系统。 可以从数字信号处理的观点来理解数据采集的全过程3: 从输入端输入的模拟信号(时间、幅值均在连续范围内取值)， 首先经过一个连续时间的预采样滤波器，由采样器每隔 t 秒读出 一次数据，再由模数转换器转化为二进制数码，即微机可接受的 数字信号。信号的采样脉冲应做得很窄，以便在脉冲空余时间可 以进行多路复用。在微机输出端，利用数

16、模转换器，可将数字信 号再转换为模拟信号。在此转换过程中，二进制数首先转换为连 续时间脉冲。脉冲之间空隙则利用“再建滤波器”填充恢复平滑。 2.3 数据采集系统的种类及其特点 一般的数据采集系统可分为四类： 1、基于通用微型计算机(比如 pc 机)的数据采集系统 8 这种系统主要功能是将采集来的信号经过外部的采样和 a/d 转换后的数字信号通过接口电路送入微机内进行处理，然后 再显示处理结果或经过 d/a 转换输出。它主要有以下几个特点： (1)系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的 软、硬件资源都可以用来支持系统进行工作。 (2)具有自开发能力。 (3)系统的软硬件的应用/配置比较

17、小，系统的成本较高，但 二次开发时，软硬件扩展能力较好。 (4)在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高， 程序在 ram 中运行，易受外界干扰破坏。 2、基于单片机的数据采集系统 它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，是 近年来微机技术快速发展的结果，它具有如下特点: (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，因此具有最佳的性价比。 (3)系统的可靠性好、使用方便。应用程序在 rom 中运行 不会因外界的干扰而破坏，而且上电后系统立即进入工作状态， 系统的实时性较好。 3

18、、基于 dsp 的数据采集系统 dsp 数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形 式，常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用 dsp 芯 片，一种是通用 dsp 芯片。基于 dsp 数字信号微处理器的数据 采集系统的特点如下:精度高、灵活性好、可靠性好、容易集成、 分时复用等，但其开发工具，芯片价格均高于普通的单片机，因 此设计出的产品成本较高，同类产品在市场上的竞争力会明显降 低。 4、基于混合型计算机采集系统 这是一种近年来随着 8 位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(例如 rs-232 标准)相连而

19、成。单片机及其 外围电路构成的部分是专为数据采集等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有以下特点： (1)通常具有自开发能力。 (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。 2.4 数据采集系统的发展趋势 微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅 为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的 发展产生了深刻的影响。数据采集系统的发展趋势主要表现在以 下几个方面： （1）新型快

20、速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大 提高了数据采集系统的性能。 （2）高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现， 进一步推动了数据采集系统的广泛应用。 （3）智能化传感器的发展，将对今后数据采集系统的发展 产生深远的影响。 （4）与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便 了数据采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技 术的进一步发展。 （5）分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。 10 第三章 系统设计方案选择 3.1 方案选择 3.1.1 模数转换电路 在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需将检 测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转

21、换成离 散的数字量，才能输入到单片微机中进行处理。然后再将处理结 果的数字量经过 d/a(数模)变换器转换成模拟量输出，实现对仪 器、仪表、机电设备、装置的控制。若输入的是非电的模拟信号， 还需经过传感器转换成电信号。实现模拟量变换成数字量的设备 称为模数转换器(adc)，简称 a/d。 （1）a/d 转换器的基本原理 根据 a/d 转换器的原理可将 a/d 转换器分成两大类。一类是 直接型 a/d 转换器，另一类是间接型 a/d 转换器。在直接型 a/d 转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中 间变量；在间接型 a/d 转换器中，首先把输入的模拟电压转换成 某种中间变量(时

22、间领串、脉冲宽度等等)，然后再把这个中间变 量转换为数字代码输出，图 3-1 是 a/d 转换器的基本分类图。 a/d 转换器 恢复现场 间接型 a/d 电荷再分配型 a/d 反馈比较型 a/d 非反馈比较型 a/d 逐次逼近型 a/d 跟踪读数式 a/d 串联方式 a/d 并联方式 a/d 串/并联方式 a/d 电压/时间变换型 单积分型 a/d 双积分型 a/d 四重积分型 a/d 五重积分型 a/d 脉宽调制积分型 a/d 电压/频率变换型 a/d(v/f 变换器) 图 3-1 a/d 转换器分类图 尽管 a/d 转换器的种类很多，但目前应用较广泛的主要有三 种类型。逐次迫近式 a/d

23、转换器、双积分式 a/d 转换器和 v/f(电压/频率)变换式 a/d 转换器。 在大规模集成电路技术飞速发展的今天，对于单片机应用系 统的设计、研制人员，重要的是正确、合理地选用商品化的 a/d 集成电路芯片，并了解它们的应用功能和与单片机的接口方法。 （2）v/f 型 a/d 转换器 v/f 转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，有良好的 精度、线性和积分输入特点，此外，它的应用电路简单，体积小 巧、外围组件性能要求不高，对环境适应能力强、价格低等优点， 但其转换速度低，因此其只能在一些非快速、精度要求不高的 a/d 中使用。 （3）逐次逼近式 a/d 转换器 12 下图是逐次逼近式 a

24、/d 转换器的电路原理固。其主要原理为： 将一待转换的模拟输入信号 uin 与一个推测信号 ui 相比较，根 据推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减少该推测信 号，以便向模拟输入信号迫近。推测信号由 d/a 从转换器的输出 获得，当推测信号与模拟信号相等时，向 d/a 转换器输入的数字 就是对应模拟输入量的数字量。逐次逼近式 a/d 转换器的转换时 间可从几微秒到 100 微秒左右，属于中速 a/d 转换器，常用于工 业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。 鉴于这些优点，本设计选取常用的逐次逼近型 a/d 转换器 adc0809 作为本数据采集系统模数转换芯片。 3.1.2 微控

25、制电路 微控制器（单片机）是整个电路的核心，它就是一个微型的 计算机系统，它作为一个中央控制单元在整个电路中起着至关重 要的作用。 下面列列举一些单片机应用的主要领域： 测控系统：用单片机可以构成各种工业控制系统、自适 应控制系统、数据采集系统等。如，温室人工气候控制、 水闸自动控制、电镀生产线自动控制、车辆检测系统等。 智能仪表：用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促 进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化方向发展。 如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。通过用 单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修 正、线性化处理等难题迎刃而解。 机电一体化：单片机与传统的机械产品结合，使

26、传统机 械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机、电一 体化产品。 常见单片机的种类常见单片机的种类 目前常用的单片机有 8 位、16 位和 32 位几种，它们在性能、 价格上都有极大的差异，因此在不同的领域都有着广泛的应用。 以 arm 为代表的 32 位单片机：该系列的单片机采用 risc（精简指令集）架构，支持 thumb（16 位） /arm（32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器 件，本身在不停的发展，当前已经发展到了 arm9 版 本，性能非常优秀。但相对于 8、16 位单片机其价格高、 指令系统及硬件电路结构复杂，其主要应用于手机、 gba、掌上电脑等尖端电子产品

27、中。 以 8098 为代表的 16 位单片机：该单片机均拥有 16 位 的微处理器内核，并且 cpu 直接在由寄存器阵列与特 殊功能寄存器所构成的寄存器空间内进行操作，这此寄 存器均具有累加器的功能，可使 cpu 对运算前后的数 据进行快速交换，同时又提供调整数据处理能力和频繁 的输入输出能力，消除了采用累加器结构中存在的瓶颈 问题；8098 单片机还具有丰富的指令系统，带符号运算 的功能，不但速度快，而且可以提高编程效率；8 位的 外部数据接口可以使 8098 单片机与常用的外部接口芯 片进行连接，而不用添加任何的转换电路；由于 8098 单片机内无 rom 或 eprom，而且片内 ram

28、 的存储空 间也有限，因此在实际的应用中需要扩展存储器。8098 单片机内含有四路 a/d 转换器，引脚为 ach4ach7，可以对外部的四路模拟信号进行巡回检 测，因此用它作为数据采集器件可以省掉外接的 a/d 芯 片。但 8098 单片机是一种较老的产品，它本身没有什 么升极替换产品，现如今已经很难在电子市场看见它的 身影。 以 8051 为代表的 8 位单片机：此系列的单片机拥有 8 位的系统内核与 8 位的外部接口；它使用了 risc 精简 14 指令集系统，仅有的 111 条指令有利于学习与使用；它 内部集成了一定的程序存储器与数据存储器，因此在小 型应用领域可以不必给它外扩存储器；

29、它的存储器分为 数据存储器与程序存储器两类，并且单独编址，互不干 扰，各占 64k 的存储空间；8051 单片机在内部还集成 了全双工串口、16 位定时/计数器、中断源、布尔处理 器、i/o 口等，使其能够使用内部资源轻松的实现各种 功能。最重要的是 8051 单片机的发展一直均没有停止 过，全球绝大多数知名硬件公司均有自己的以 8051 内 核为基础扩展其功能，改进其结构以增加其存储器容量 与指令执行速度，因此当前市场上的 51 系列高性能单 片机完全取代了传统的 8051 单片机，并且这些单片机 价格非常便宜，有极高的性能/价格比，并且其各方面 的技术也非常成熟，在各个领域均能看见它的身影

30、，用 它来开发产品有利于降低市场风险，降低产品成本，使 同等产品在市场上更具有竞争力。 第四章 系统硬件原理及设计 冲天炉上四路需要被检测的信号分别为底部燃料高度、过桥 铁水温度、进风的风量和风压。他们经各自的变送器变换后，均 得到0v+5v范围内变化的信号，并分别送到a/d转换器的四个引 脚上。经过a/d转换后，再将采集到的信号读入单片机中，进行 数字滤波, 将滤波后的数据存储到单片机中再进行后期处理；包 括将采集到的信号显示到led数码管上,或通过串行接口传送到上 位机等。 为了增加电路的安全性，我们在电路的检测输入级增加了一 级光电隔离电路，避免冲天炉现场恶劣的环境对测控电路产生影 响。

31、 图4-1是本设计总体方案框图。 16 被采集信号 模/数转换 adc0809 光 电 隔 离 电 路 数据处理 at89s52 控制被采集信号 ram 扩 展电路 1.底部燃料高度 2.过桥铁水温度 3.进风风量 4.进风风压 冲天炉控制电路 图 4-1 总体设计方案框图 自动调节控制信号 被采集信号 mcu sst89e564 键盘电 路 ram 扩展 电路 1.底部燃料高度 2.过桥铁水温度 3.进风风量 4.进风风压 冲天炉控制电路自动调节控制信号 显示电 路 4.1 硬件设计的主要步骤 在确定系统硬件电路之前，首先应该系统的分析一下当前设 计需达到的目的，根据此目的来选择合适的硬件，

32、这样就可以最 大限度地节约设计成本。 当整体框架设计完毕以后，可以具体到各个子电路的设计。 在设计子电路时，具体的方案可能不止一个，因此可以将这些方 案一一列举出来，然后具体的分析各个电路：包括每个器件的价 格，是否容易购买，资料是否齐全等，从各个方面进行综合比较 后就可以从中找出一个最适合的方案进行设计，或者将这些方案 重新组合出一个新的方案，以达到最佳组合。 当具体的电路方案确定以后，就可以画图、制板、买件、组 装并调试各个单元模块，使其能够正常的工作。 当各个模块电路设计制作完成后，就可以将它们组合到一块 进行综合调试，依此找出电路中存在的问题并加以解决，比如电 磁兼容性是否达标，地线设

33、计是否合理，器件布局是否美观，如 果是高频电子电路还应该测试其高频特性是否良好等，当这些问 题均解决后，整个硬件电路设计完毕。 如果硬件电路中含有微控制器部件，那么硬件电路的选择与 设计还得考虑取对应软件方面的因素，比如微控制器编程所使用 的计算机语言自己是否明白，开发工具的操作是否方便，价格是 否合理，可靠性如何等，只有明确了这方面的问题后才可以确定 电路方案。 本设计采用 sst89e564 八位单片机作为系统主控 cpu，此 单片机的管脚排列与指令系统均与传统 8051 单片机完全兼容， 但各方面的性能均明显优于传统 8051 单片机，比如它的内部带 有 64k 的 flash rom，

34、因此它完全不用外扩 rom，它可工 作于 35v 的宽电压下，并且时钟频率最高可达 40m 等等这些 优良的特性均成为选择它的理由。模/数转换器采用的是 8 路/8 位的通用高性能模数转换芯片 adc0809，此模数转换芯片的性 能比较稳定，并且资料众多，在市场上有一定的占有率，使用起 来比较方便。在进行人机交互的键盘与显示器方面，选择了 8279 作为主控芯片，这主要是因为 8279 自身集成了键盘自动扫 描与 led 显示器自动扫描功能，有了它的加入，使得单片机对 键盘、显示部分的工作就变得非常轻松，不用再花大量的时间去 处理这些部分，使得单片机在数据处理方面的性能大为提升。 4.2 关键

35、器件说明 4.2.1 sst89e564 sst89e564 属于 sst 公司的以 cmos 半导体处理技术设计 和制造的 8 位 mcu。 18 sst89e564 的基本特性如下： 器件使用与 8051 完全相同的指令集，并与标准的 8051 器件 管脚对管脚兼容 工作电压范围：35v；3v 时工作频率为 033mhz，5v 时 工作频率为 040mhz 片内有 64k 字节主块8k 字节次块的 flash rom 独立的块密码，可实现程序的高度加密 支持在系统可编程 三个 16 位定时计数器，第三个实时器可产生高精度的串行通 讯波特率 全双工增强型 uart，可以硬件实现帧错误检测与自

36、动地址 识别。 一个可编程看门狗定时器 可编程计数阵列 四个八位 i/o 口 双 dptr 寄存器 低 emi 模式（抑制 ale） ttl 和 cmos 兼容逻辑电平 图 4-2 为 sst89e564 的管脚排列图： . ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22

37、p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 sst89e564rd 图 4-2 sst89e564 管脚排列图 表 4-1 为 8279 的各管脚符号及其功能说明： 表表 4-1 sst89e564 管脚详细介绍管脚详细介绍 管脚符号类型名称及功能 p07:0i/oport0：p0 口为 8 位开路双向 i/o 口。 p10i/ot2：定时器/计数器 2 的外部输入，或为来 自于定时器/计数器 2 的时钟输出 p11it2ex：定时器/计数器 2 的捕捉/重载触发 和方向控制 p12i

38、eci：外部时钟输入 该信号为 pca 的外部时钟输入 p13i/ocex0：捕捉/pca 模块 0 的外部 i/o 比较 每个捕捉/比较模块连接至 p1 口作为外部 i/o。当不使用 pca 时该脚可以作为标准 i/o 使用。 管脚符号类型名称及功能 p14i/oss#：spi 的从端口输入选择（slave port select input for spi） 或为 cex1：pca 模块 1 的捕捉/比较外部 i/o p15i/omosi：spi 的主输出口，从输出口 或 cex2：pca 模块 2 的捕捉/比较外部 i/o p16i/omiso：spi 的主输入口，从输出口 或 cex3

39、：pca 模块 3 的捕捉/比较外部 i/o p17i/osck：spi 的主时钟输出口，从时钟输入口 或 cex4：pca 模块 4 的捕捉/比较外部 20 i/o p27:0带内部上 拉的 i/o p2 口：p2 口为一个 8 位的双向 i/o 口，同 时带有内部上拉电阻。 p37:0带内部上 拉的 i/o p3 口：p3 口为带内部上拉的 8 位双向 i/o 口。 p30irxd：通用异步收发器（uart）的接收输 入。 p31otxd：uart 的发送输出。 p32iint0#：外部中断 0 输入。 p33iint1#：外部中断 1 输入。 p34it0：定时器/计数器 0 外部计数输

40、入。 p35it1：定时器/计数器 1 外部计数输入。 p36owr#：外部数据存储器写命令。 p37ord#：外部数据存储器读命令。 psen#i/o程序存储使能。 rsti复位。 ea#i外部进入使能。 ale/prog#i/o地址锁存使能。 dnui/odnu：该脚应保持悬空。 rstoutl带内部上 拉输出 rstoutl：在看门狗定时器复位和 brown-out 复位时低电平有效。 disiaplidisiapl：如果该脚被驱动至 vil，iap 功 能将被禁止。在复位器件被采样和锁存。 此为硬件禁止 iap 功能。复位后，该脚上 的任何变化都没有效果。 xtal1i晶振 1：反向振

41、荡放大器的输入和内部时钟 发生器的输入。 xtal2o晶振 2：反向振荡放大器的输出。 vddi电源输入 vssi地 4.2.2 adc0809 adc0809 八位逐次逼近式 a/d 转换器是一种单片 cmos 器 件，包括 8 位的模/数转换器、8 通道多路转换器和与微处理器 兼容的控制逻辑。8 通道多路转换器能直接连通 8 个单端模拟信 号中的任何一个。adc0809 设计时考感到了若干种模/数转换技 术的长处，适用于控制领域。 adc0809 的基本特性如下： 分辨率8位 最大不可调误差小于1lsb 5v单电源供电，模拟输入电压范围05v 具有锁存功能的8路模拟开关 可锁存三态输出，输

42、出兼容ttl电平 不必进行零点和满度调整 转换速度取决于芯片的clock 端速度，范围为 101280khz。 可方便的同各种单片机进行接口 图 4-3 为 adc0809 的管脚排列图： 22 . . . in-0 26 msb2-1 21 2-2 20 in-1 27 2-3 19 2-4 18 in-2 28 2-5 8 2-6 15 in-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 in-4 2 eoc 7 in-5 3 add-a 25 in-6 4 add-b 24 add-c 23 in-7 5 ale 22 ref(-) 16 ena ble 9 st art 6 ref(+)

43、12 clo ck 10 u2 adc0809 图 4-3 adc0809 管脚排列图 下表为 8279 的各管脚符号及其功能说明： 表表 4-2 adc0809 管脚定义管脚定义 管脚符号类型名称及功能 in7:0i8 路输入通道的模拟量输入端口 2-8:1o8 位数字量输出端口 starti启动控制输入端口 alei地址锁仔控制信号端口 eoco转换结束信号脉冲输出端口 oeo输出允许控制端口 ref(+) ref(-) i参考电压输入端，一般 ref(+)与 vcc 接 在一起，ref(-)与 gnd 接在一起 clki时钟输入端 adda,b,ci8 路模拟开关的三位地址选通输入端，用

44、 以选择对应的输入通道 4.2.3 8279 8279 是一种通用可编程键盘、显示器接口芯片，它能完成 键盘输入和显示控制两种功能。 8279 的基本特性如下： 可与 64 个按键的矩阵键盘连接，自动对键盘进行不间 断扫描，自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码、 能对双键或 n 键同时按下实行保护 显示部分采用动态的自动扫描工作方式，最多可显示 16 位的字符或数字 图 4-4 为 8279 的管脚排列图： outa 0 27 outb0 31 outa 1 26 outb1 30 outa 2 25 outb2 29 outa 3 24 outb3 28 db0 12 bd 23 db1

45、13 db2 14 sl 0 32 db3 15 sl 1 33 db4 16 sl 2 34 db5 17 sl 3 35 db6 18 db7 19 rl0 38 rl1 39 irq 4 rl2 1 rl3 2 cs 22 rl4 5 rd 10 rl5 6 wr 11 rl6 7 a0 21 rl7 8 clk 3 shift 36 reset 9 cntl /s 37 8279 . 表 4-3 为 8279 的各管脚符号及其功能说明： 4.3 单片机模块电路 如前所述，数据采集系统的核心电路为单片机电路，其原理 图如图 4-5 所示；图中的单片机采用 sst89e564 高性能 51

46、 单片 机，图中的电容 c6c8 为电源退耦电容。 表表 4-3 8279 的管脚定义的管脚定义 图 4-4 8279 管脚排列图 24 管脚符号类型名称及功能 d7:0i/o双向三态数据总线，用于 cpu 与 8279 之 间传递命令或数据 clki用于 8279 内部定时，以产生其工作所需 时序 reseti复位端，高电平有效 csi片选，低电平有效 a0i当 a01 时，若 cpu 进行写操作，则写 入字节是命令字。若进行读操作测从 8279 读出的字节是状态字。当 a00 时， 写入字节或读出字节均为数据 rd、wri读、写信号线，低电平有效 irqo中断请示，高电平有效 sl3:0o

47、用来扫描键盘和显示器 rl7:0i键盘矩阵或传感器矩阵的列信号输入线 shifti高电乎有效，通常用来补充键盘开关的功 能，用作键盘上下档功能键 outa3:0 oa 组显示信号输出线 outb3:0ob 组显示信号输出线 bdo消隐显示输出线，低电平有效 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 3

48、2 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 sst89e564rd vcc c1 10uf r1 100 r2 1k sw y11.059mhz c2 30p c15 30p vcc c6 0.1u c7 0.1u c8 0.1u vcc a 1 b 2 c 3 g2a 4 g2b 5 g1 6 y7 7 y6 9 y5 10 y4 11 y3 12 y2 13 y1 14 y0 15 u4 74ls138 80008fff 90009fff a000a

49、fff b000bfff c000cfff d000dfff e000e fff f000ffff 图 4-5 单片机核心电路原理图 4.3.1 时钟电路 单片机内部的各种功能电路绝大多数是由数字电路构成的。 数字电路的工作过程，尤其是时序逻辑电路的工作过程，离不开 时钟脉冲信号，每一步细微的动作都是在一个共同的时间基准信 号驱动之下完成的。本单片机可以采用两种时钟接入方式：一种 是外部时钟拉入方式，这种方式下的时钟是从外部时钟源引入的， 主要应用在与其它设备同步工作的场合；另一种连接方式（本电 路采用的方式）即在单片机的两个时钟管脚外接晶振，通过晶振 高度精确的频率特性配合单片机内部的振荡电

50、路可以得到单片机 工作所必须的工作时钟。为了得到高精度的串行通讯波特率，本 电路选择的晶振频率为 11.0592m，电容为 30pf。 4.3.2 复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后， 只过在单片机的 rst 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲(2 个机器周 期)以上的高电平，单片机便可正常复位，为了保证应用系统能 可靠地复位，在设计复位电路时通常要使复位信号引脚 rst 26 保持 10ms 以上的高电平，只要 rst 从高电平变为低电乎以后， 单片机便从 0000h 号地址开始执行程序。本复位电路由电阻 r1 和 r2、电容 c1 及复位按钮 sw 组成。其作用有两

51、个： 上电自动复位 人工复位 4.3.3 数据存储器电路 由于本数据采集电路需要临时存放大量的数据，因此在此单 片机最小系统中使用 62256 扩展了 32k 的 ram，如图 4-6 所示： oc 1 c 11 1d 2 2d 3 3d 4 4d 5 5d 6 6d 7 7d 8 8d 9 1q 19 2q 18 3q 17 4q 16 5q 15 6q 14 7q 13 8q 12 u6 74ls573 a0 10 a1 9 a2 8 a3 7 a4 6 a5 5 a6 4 a7 3 a8 25 a9 24 a10 21 a11 23 a12 2 ce 20 a13 26 we 27 oe

52、 22 d0 11 d1 12 d2 13 d3 15 d4 16 d5 17 d6 18 d7 19 a14 1 u7 62256 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p27 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p2.0.p2.7 ale p0.0.p0.7 图 4-6 存储器扩展电路原理图 62256 采用 cmos 工艺制造，单一 5v 供电，功耗小于 200mw，存取时间小于 200ns，而且价格便宜，购买容易，是 一种经济实惠的外部 ram 扩展方案，由图中可以看出， 32

53、kram 所占地址空间为：0000h7fffh。 4.3.4 地址分配 本电路使用了多个总线接口器件，包括存储器 62256，a/d 转换器 adc0809，d/a 转换器 adc0832、键盘显示接口芯片 8279，它们的正常使用均得占用一定的存储空间。由于存储器 62256 占用了 0000h7fffh 的一段 32k 连续空间，因此将单片 机的 p2.7 口作为片选信号，用于选通存储器与译码器，当 p2.7 为低电平时，单片机的 cs 端为低电平，存储器被选中；当 p2.7 为高电平时，74ls138 被选中，62256 取消选中，因此通过译码 器 74ls138 对剩余的地址空间进行分

54、配，具体分配方案如下： 表表 4-4 地址空间分配地址空间分配 地址空间分配方案 0000h7fffh 存储器 62256 8000h8fffh 键盘、显示接口芯片 8279 9000h9fffh a/d 转换芯片 adc0809 a000hafffh d/a 转换芯片 adc0832 4.4 光电隔离电路 信号隔离电路的主要作用就是将一个信号的输入级与输出 级完全划分开，它们之间不存在任何的物理连接，这样做可以防 止电路之间的互相干扰，增加电路的抗干扰能力。能够实现这种 功能的器件非常多，比如常见的隔离放大器、继电器、光耦均可 实现此功能。但最常见并且电路最简单的是采用光耦来进行信号 隔离，

55、由于采用光耦有体积小、无糟音、耗电小等优点，因此本 设计也采用光耦进行信号隔离，如图 4-7 所示： 1 2 16 15 3 4 14 13 5 6 12 11 7 8 10 9 g1 q2 2n1893 q4 2n1893 q3 2n1893 q1 2n1893 12v 200 200 200 200 in0.3500 500 500 500 vcc in0 in1 in2 in3 out0 out1 out2 out3 channe l1 channe l2 channe l3 channe l4 28 图 4-7 光电隔离电路原理图 在如图所示的电路中可以看出，左边为信号的输入端，右边

56、为信号的输出端，它们之间采用相互独立的电源，中间除光以外 没有任何通路。 4.5 电源电路 电源是一个系统最基本的部件，它为整个电路提供能量，它 不仅给单片机供电，同时还给 a/d 转换电路，键盘显示电路提 供能量。电源部分是由一个整流硅堆、一个三端稳压块 lm7805、四个滤波电容组成的输出为 5v 的稳压电源。其原理 图如图 4-7 所示： 1 2 3 4 d? 470uf 100uf 0.1uf0.1uf vin 1 gnd 2 vout 3 lm7805 vcc 图 4-7 电源电路原理图 4.6 模/数转换电路 adc0809 与单片机有两种基本的连接方式，分别为查询方 式与中断方式

57、。 在查询方式下，单片机启动 adc0809 的转换后，要求单片 机不停的查询 0809 的 eoc 端口，直到 eoc 端口电平由低电平 转变到高电平时，判断为转换结束，此时读出的 adc0809 的数 据，完成一次转换任务。 在中断方式下，将 0809 的 eoc 端通过一个反相器连接到 单片机的外部中断源 int0 或 int1 上。在进行程序设计时，将 外部中断的中断触发方式设置为边沿触发方式，将数据采集程序 放入中断程序中；当 0809 采集完一次数据后，eoc 端电平由低 变高，经过一级反相器，因此在单片机的外部中断上产生一个下 降沿，触发里面的中断服务程序，完成数据采集的任务。

58、in-0 26 msb2-1 21 2-2 20 in-1 27 2-3 19 2-4 18 in-2 28 2-5 8 2-6 15 in-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 in-4 2 eoc 7 in-5 3 add-a 25 in-6 4 add-b 24 add-c 23 in-7 5 ale 22 ref(-) 16 enable 9 st art 6 ref(+) 12 clock 10 u2 adc0809 vcc chann el1 chann el2 chann el3 chann el4 oc 1 c 11 1d 2 2d 3 3d 4 4d 5 5d 6 6d

59、7 7d 8 8d 9 1q 19 2q 18 3q 17 4q 16 5q 15 6q 14 7q 13 8q 12 u3 74als573 p00 p01 p02 1 2 3 u5a 4 5 6 u5b 74ls02 1 2 3 u4a 74ls00 4 5 6 u4b 90009fff wr rd int1 ale p0.0.p0.7 d 2 q 5 q 6 clk 3 74f74 d 2 q 5 q 6 clk 3 74f74 图 4-8 a/d 转换电路原理图 在上图所示的电路中，利用单片机的地址锁存允许信号 ale 经两级 d 触发器 4 分频后给 adc0809 提供时钟信号，由

60、 于 51 单片机的 ale 频率为其时钟频率的 1/6，因此当单片机选 择 12mhz 的晶振时，其 ale 信号频率为 (1/6*12) /4=0.5mhz=500khz，满足 adc0809 的工作频率要求。 由于 adc0809 的信号输出端具有三态输出功能，因此将其 8 位数据输出引脚直接与单片机的 p0 口数据总线连接； adc0809 的地址译码引脚 add-a、add-b、add-c 分别通过 锁存器 74ls573 与地址总线的低三位连接，工作时通过软件将 欲处理的通道地址传送给锁存器，用以选择 in0in3 中的各个 通道；将单片机的 p2.7 的反信号作为片选信号，在启动