数据采集显示系统设计报告

1、数据采集显示系统设计摘要以AT89C51单片机和模数转换器件ADC0809为核心，该系统有三部分：数据采集、数据处理、终端接收显示。具体包括控制、显示、A/D转换、数码显示模块等。设计中用ADC0809进行8位数据的采集，利用AT89C51单片机进行数据接收并保存对应的内存单元，进而把数据以数码管的形式显示出来。硬件设计采用电子设计自动化工具Protel 99SE以及用Proteus进行硬件仿真等。软件设计则采用模块化编程方式。关键字： AT89C51 AD转换 数据采集一、设计的要求1.1计算机的发展与数据采集近代以来随着计算机的发展数据计算技术有了很大的提高，使得高速数据处理成为可能，计算

2、机和各种设备紧密结合构成了灵活多样的控制系统，也构成强有力的信息处理系统，这样对社会的发展产生了深远的影响。作为控制系统的最前端,数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环,在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。1.2数据采集系统数据采集系统，从严格的意义上来说，是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存

3、储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。数据采集系统一般由数据输入通道,数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印、显示、绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示

4、。1.3数据采集系统研究前景工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，做这方面的研究就显得十分重要。在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。总之,，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。在本设计中对多路数据采集系统作了基础的研究，系统主要解决的问题是如何进行数据采集以及如何进行多路的数据采集，并将所得数据保存到指定的存储单元。设计对后续的数据到计算机的上传等问题亦有所涉及。二、任务分析与方案确定2.1系统的模块法划分根据系统的基本要求，将本系统划分为以下几个模块：l 信号采集、

5、调理模块l A/D转换模块l 单片机89C51最小系统模块l 人机通信模块l 数据传输显示模块2.2系统方框图键盘输入AT89C51信息采集/调理ADC0809数码显示图2-12.3信息采集调理模块工业信号幅值范围很宽，由于转换器的输入电压幅值被限制为05V，故在此处必要时需对工业现场信号进行预处理，以便使工业信号满足处理器的幅值要求。在多路数据采集信息中数据采集方式有顺序控制数据采集和程序控制数据采集。2.3.1顺序控制数据采集顺序控制数据采集，顾名思义，它是对各路被采集参数,按时间顺序依次轮流采样。原理如图2-2所示，系统的性能完全由硬件设备决定。在每次的采集过程中,所采集参数的数目、采样

6、点数、采样速率、采样精度都固定不变。若要改变这些指标，需改变接线或更换设备方能实现。数据采集时，控制多路转换开关的信号来自脉冲分配器，在时钟脉冲的推动下，这些控制信号不断循环，使多路转换开关以先后顺序循环启闭。采样/保持放大器多路转换开关A/D转换计数器 时钟译码器采样/保持放大器图2-22.3.2程序控制数据采集程序控制的数据采集是由硬件与软件两部分组成。可以根据不同的需求，通过按键选择的方式进行控制通道的选择。如图2-3 所示。程序控制数据采集的采样通道地址可随意选择,控制ADC0809的8路模拟选通开关开启的通道地址码由存储器中读出的指令确定。即改变存储器中的指令内容便可改变通道地址。由

7、于顺序控制数据采集的方式缺乏通用性和灵活性，即本次设计将采用程序控制数据采集的方式。当采集高速信号时，A/D 转换器前端还需加采样/保持(S/H)电路。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D转换器，需对其进行必要的处理,即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。在本次设计中为了尽量减小采集数据的误差，采用了将被测信号放大至接近A/D转换器的满量程。即在A/D转换之前接入放大器电路来满足设计的需求。A/D转换器采样/保持放大器采样/保持放大器3位地址码图2-32.4 A/D

8、转换模块2.4.1A/D转换时间的选择转换速率是指完成一次A/D 转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。8 位逐次逼近式A/D转换器一次转换时间为100us 左右，典型的多通道8位逐次逼近式A/D转换器有ADC0808/0809(8通道)、ADC0816（16通道）等。12位逐次逼近式A/D转换器一次转换时间为25us。，典型的多通道12位逐次逼近式A/D转换器有AD574、AD1674、ADC1211等。由于本系统的控制时间允许，可选8 位逐次逼近式A/D 转换器。2.4.2A/D转换位数的选择A/D转换器的位数决定信号采集的精度和分辨率。本系统所用

9、的A/D转换器为ADC0809，即为8位的A/D转换器，所采集的信号精度为：2-8=0.39%当输入为05V时，其分辨率为：VFs2N-1=528-1=0.0196VVFsA/D 转换器的满量量程N ADC的二进制位数量化误差为：Q=VFs2N -1×2=528-1×2=0.0098VADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛。 2.5单片机89C51最

10、小系统模块2.5.1 AT89C51 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL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，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机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。2.5

11、.2CPU的运算器和控制器的组成1、运算器 运算器以完成二进制的算术、逻辑运算部件AUL为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器ACC 是一个八位寄存器，它是CPU 中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数(如被加数)，而运算后又保存其结果(如代数和)。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征,如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示:CYACF0RS1RS0OV-P其中系统设计过程中我们最为关注:(1)  CY(PSW.7)：

12、进/借位标志位，CY也常写作C。在执行加法（或减法）运算指令时，如果运算中最高位向前有进位（或借位），则CY位由硬件自动置1；否则CY清0。CY也是进行位操作时的位累加器 (2) AC（PSW.6）：辅助进/借位标志，也称半进位标志。在执行加法（或减法）操作时，如果运算中（和或差）的低半字节（位3）向高半字节有进位（或借位），则AC位将被硬件置1，否则AC被清0。(3)  OV（PSW.2）：溢出标志位，反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时,此位1，否则为0。(4) P（PSW.0）：奇偶标志位，反映累加器ACC 内容的奇偶性，如果ACC 中的运算结果有偶数

13、个1（如11001111B,其中有6 个1），则P 为0，否则，P=1。由于PSW 存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字。运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机(又称布尔处理机)。2、控制器是CPU 的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR 及程序计数器PC、堆栈指针SP 等。这里程序计数器PC 是由16 位寄存器构成的计数器。要单片机执行一个程序，就必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM 的某个区域。单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。因此，必须有一个电路能找出指令所在的单元地址,该电路就是程序计数器PC。当单片机开始执行程序时,给

14、PC 装入第一条指令所在地址，它每取出一条指令（如为多字节指令,则每取出一个指令字节），PC 的内容就自动加1，以指向下一条指令的地址,使指令能顺序执行。只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令或遇到中断时，PC 才转到所需要的地方去。8051CPU 指定的地址,从ROM 相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存。然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号，这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化的电平和时钟，即所谓控制信息，在CPU 内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。3、存储器是单片机的又一个重要组成部分，每个存储单元对

15、应一个地址,如256 个单元共有256 个地址，用两位16 进制数表示,即存储器的地址(00HFFH)。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息,通常用两位16 进制数来表示，这就是存储器的内容。2.6人机通信模块人机通信即指人通过输入装置给计算机输入各种数据和命令，以进行操纵和控制，而计算机则执行命令和将数据处理的结果及时地显示出来的人机交互过程。在本次设计中用键盘来进行输入，键盘的设计有独立按键和矩阵按键两种。2.6.1键盘接口键盘是单片机应用系统中使用最广泛的一种数据输入设备。键盘是一组按键的组合。键通常是一种常开型按钮开关，常态下键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合（短路）

16、。通常，键盘有编码和非编码两种。编码键盘通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲。选通脉冲可作为CPU的中断请求信号。这种键盘使用方便，所需程序简单，但硬件电路复杂，常不被单片机采用。非编码键盘按组成结构又可分为独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘的工作过程与矩阵式键盘类似，无论是硬件结构还是软件设计都比较简单。图2-4 独立键盘特点：每个按键占用一条I/O线，当按键数量较多时，I/O口利用率不高，但程序编制简单。适用于所需按键较少的场合。图2-5 4×4矩阵键盘特点：电路连接复杂，但提高了I/O口利用率，软件编程较复杂。适用于需使用大量按键的场合。在本次系统设计中用到的按键不多，

17、所以采用的独立式键盘。2.7数据传输显示模块2.7.1数码管的介绍数码管也称LED数码管，晶美、光电、不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳级数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳级数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平

18、时，相应字段就不亮。共阴级数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴级数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，

19、了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2-6是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。 图2-6 （a）数码管内部电路 （b）共阴极接法 （c）共阳级接法2.7.2数码管的驱动数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。（1）、静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制

20、译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89C51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。（2）动态显示驱动数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是

21、哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。 本系统的显示模块采用八段数码管进行显示，驱动电路采用动态显示。三、硬件设计3.1信号调

22、理电路的设计3.1.1传感器的安装信号调理电路主要涉及在工业生产现场安装传感器。主要为模拟传感器件。如在温度采集系统中需要在待测点安装温度传感器以及在测重系统中安装压力传感器等。常用的传感器有湿度传感器、温度传感器、压力传感器、烟雾及有毒气体传感器等。3.1.2放大、衰减、滤波等预处理电路设计待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D 转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。常用方法是添加小信号放大电路进行放大，然后对其幅值做衰减，最后再通过带

23、通滤波器实现对过低频或者过高频的抑制。3.2数据采集电路设计把连续变化量变成离散量的过程称为量化，也可理解为信号的采样。把以一定时间间隔T 逐点采集连续的模拟信号，并保持一个时间周期，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号瞬时值的一组方波序列信号，即采样信号3.2.1A/D转换的步骤A/D转换步骤为：采样、保持、量化和编码。1、 采用与保持采样定理：fs2fimax式中fS为取样频率，fimax为输入信号VI的最高频率分量的频率。图3-1 采样与保持波形示意图由于A/D 转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保

24、持是做成一个电路。图3-2 采样与保持电路如上图3-2所示，采样保持电路（a）取样保持电路原理图（b）输出波形图 2、量化与编码 如同用天平称物体质量，一般把上述采样保持后的值以某个“最小数量单位”的整数倍来表示，这一过程称为量化。规定的最小数量单位称为量化单位或量化间隔，用“” 表示。 量化的方法一般有两种：四舍五入法和舍去小数法。 （1）四舍五入法：把/2的电压作为“0”处理，把/2而3/2的电压作为“1”处理； （2）舍去小数法：把的电压作为“0”处理，把而2的电压作为“1”处理。把上述量化结果用代码表示，称为编码。本系统设计用ADC0809芯片来完成。3.2.2ADC0809内部功能与

25、引脚功能ADC0809 八位逐次逼近式A/D 转换器是一种单片CMOS 器件，包括8 位模拟转换器、8 通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8 路转换开关能直接连通8 个单端模拟信号中的任何一个。其内部结构如图3-3所示。图3-3 ADC0809内部结构图1、ADC0809 主要性能l 逐次比较型l CMOS 工艺制造l 单电源供电l 无需零点和满刻度调整l 具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL 兼容l 易与各种微机控制器接口l 具有锁存控制的8 路模拟开关l 分辨率:8 位l 功耗:15mWl 最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）l 转换时间(500 fCLK =500K

26、Hz )128usl 转换精度: ±0.4% l ADC0809 没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280kHz。典型时钟频率为640kHz。2、 引脚排列与各引脚的功能（a）引脚排列如图3-4所示。图3-4 ADC0809引脚图（b）各引脚的功能如下：IN0IN7：8 个通道的模拟量输入端。可输入05V 待转换的模拟电压。D0D7：8 位转换结果输出端。三态输出，D7 是最高位,D0 是最低位。A、B、C：通道选择端。当CBA=000 时,IN0 输入；当CBA=111 时,IN7 输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C 的状态锁存到内部的多路开关

27、的地址锁存器中，从而选通8 路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。CLK：时钟输入端。ADC0809 的典型时钟频率为640kHz,转换时间约为100µs。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809 的参考电压为+5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用+5V单一电源供电。（c）工作过程为：当ALE 为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升

28、沿时，所有的内部寄存器清零,在下降沿时，开始进行A/D转换,此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。通道的选择如下图3-5所示：地址码输入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7图3-5 ADC0809通道选择地址码3.3AT89C51与模数转换芯片ADC0809的接口电路设计3.3.1 AT89C51芯片1、引脚图图3-6 AT89C51引脚图2、管脚说

29、明VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个脚可吸收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

30、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

31、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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：I/O 口管脚备选功能P3.0 /RXD串行输入口P3.1 /TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3/ INT1外部中断1P3.4 /T0定时器0外部输入P3.5/ T1定时器1外部输入P3.6 /WR外部数据存储器写选通P3.7/ RD外部数据存储器读选通图3-7 P3口的第二功能图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间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于

32、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令期间，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