基于单片机的的多路数据采集系统设计.doc

1、引言近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅 速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应 用广泛，对人类社会产生了巨大的影响。In tel公司生产的51系列单片机，由于具有集 成度高、处理功能强、可靠性好、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点。在我国 已经得到了广泛的应用。特别是在智能仪器仪表、工业检测控制等一些领域取得了令人 瞩目的成就。基于单片机的数据采集系统完全能够满足各种测控系统需要，实时性好， 应用前景广阔。对于本设计而言，其主要任务就是将05V的直流电压进行测量并送到数码管去显示。 基于功能与价格的考虑，在这里选用

2、了比较常见的逼近型ADC0809芯片，其在精度、速度和价格上都适中，可以满足我们在这个设计的要求。考虑到本系统是由单片机供电， 选用了低功耗的数码管，以满足显示结果的要求。软件设计方面，采用了功能模块化的 设计思想；键盘模数转换控制采用了单片机外部中断 0与外部中断1结合的方式来实现， 大大提高了单片机的效率，实时处理能力。由于对汇编语言较为了解，所以采用汇编语 言来编程。151设计任务及总体设计方案在本次课程设计中，要求设计一个基于单片机的的多路数据采集系统，这个课题和我们所学的课程联系紧密、息息相关，涉及到很多的知识，是对我们所学知识的一次考察， 利于我们对学过的知识复习一遍，加深理解。1

3、.1设计任务与要求在本次设计中要求我们达到以下三点要求：（1）单片机控制A/D转换器检测多路电压（2）检测的结果送单片机处理并显示（3）数码管轮流显示各路电压或显示指定的通道电压1.2总体设计方案（1）选择89S52作为主芯片，ISP下载线编程、方便灵活、功能强大，完全可以满足 本设计的性能要求，而且89S52是51系列中比较常用的芯片，好用（2）选择ADC0809乍为模数转换器，就本设计的要求而言，ADC08094价比相当的高， 而且在很多的课程都学习过，比如：智能仪器、单片机等课程，对它的性能、结构都比较了解。（3）选择74LS74作为分频器，从单片机的 ALE输出2MHZ勺频率，经过74

4、LS74的4 分频作用，最终产生一个 500KHZ勺时钟频率给ADC0809使ADC0809E常工作。（4）还有一些外围电路，比如：ISP下载电路、单片机复位电路、数码管显示电路等，这样才能组成一个完整的多路数据采集系统。其系统框图如图1-2-1所示图1-2-1系统框图2硬件设计数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部 的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。在该系统中需要将模拟量转换为数据 量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、 转换误差等等。而单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑 控制，数

5、据传输等一系列的任务。数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D,单片机等组成。但是在本设计中直接就对输入电压进行 A/D转换，着重在模数转换器的选择和使用 上。2.1单片机的选择单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。此 系统是由CPU随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路（I/O 口），还有 可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路（LCD和LED驱动电路）、脉宽调制 电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但 完善的计算机任务。单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，在用keilu

6、vision4 把程序下载到单片机内。而本设计选用的是AT89S52AT89S52是种低功耗、高性能CMOS位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存 储器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引 脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片 上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应 用系统提供高灵活、超有效的解决方案。其结构图如下图2-1-1所示(TJ：. P1.0 C vcc14D(T-Ex匚230JPCC (ADO)P1.2 匚3豹 PC t (AD-IP13匚43

7、7El FD.a尸1冲匸廿 ITO.2 (AD3bIFT5 匚a35 FC-.-* (AtM.i(MIGO 戸1启匚734 pc.e(SCK : P1.7 匸833n pc.eOSTEg32 PC7 RX3-.P3.or1D31H E'VFF1TXD ）尸耳卡匚1133 ALEEg(INTOj F35 E22BJ PS EMflRFIP3L3 匚-32白 P2.7 (A1E.TC-P3.4C27 P2.e(A1+iH . P3.5匚152flF2.5(A1?：(WRJP3LBC25J F2.4 (Ali:<«D-> F3.T C34 F2 3 (A11XTAU 匚

8、n二1 尸2 話(A1CKTAL1匚_i -p F= 1 (A.D)匚卜"匚2D21二I 至匚（AB':图 2-1-189S52结构2.2模数转换器的选择A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。(1) 逐渐逼近式A/D转换器：它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器， 其转换时间在几微秒到几百微秒之间。(2) 双积分A/D转换器：它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度 比较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。

9、(3) 并行式A/D转换器：它又被称为flash (快速)型，它的转换数度很高，但她采 用了很多个比较器，而n位的转换就需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格 也很贵，只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。鉴于上面三种方案，在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐 逼近式A/D转换器ADC0809.2.3显示部分LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为八段发光二 极管数码显示器。对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力 的位选和段选信号。LE

10、D数码显示有动态扫描显示法和静态显示。在单片机中，为了节 省硬件资源，多采用动态扫描显示法。为了布线和做板的简单，采用一个4位的共阴数码管。2.4按键部分为实现显示指定的通道电压，需要用到单片机的外部中断 0和外部中断1来实现跳 转，其原理图如下图2-4-1所示，Q11接到外部中断0(P3.2),Q12接到外部中断1(P3.3)。 当按下按键S3时，给P3.2低电平，启动外部中断0;当按下按键S3时，给P3.3低电 平，启动外部中断1,编写相应的中断服务程序就可以实现功能。4_矶c5W-PBrS?申图2-4-1按键原理图3软件设计3.1主程序设计主程序的设计的思路是：当没有中断的时候，就按顺序

11、从1通道轮流显示到8通道。在外部中断O(INTERO)的中断服务程序中对寄存器 R2加1,即进入外部中断0时，R2 就加1;在外部中断1(INTER1)的中断服务程序中对寄存器 R0加 1,即进入外部中断0 时，R0就加1。在主程序中对R2进行比较，当R2=1时就停止轮流显示，即当外部中断 0第一次响应后，停止轮流显示；当 R2=2是将R0的值赋给R3,( R3是通道轮流显示的 条件寄存器)然后调用显示子程序。其程序流程图如下图3-1-1所示开中断调用通道选择子程序LPINC R3图3-1-1程序流程图3.2子程序设计子程序有4个，分别是通道选择子程序 LP,显示子程序DISPLA丫延迟子程序

12、DIOms, 数据处理子程序CAI。(1) 通道选择子程序LP:LP: CJNE R3,#01H,LP1 ; 根据R3来选择通道CLR P2.7;开通道CLR P2.6CLR P2.5AJMP QIDLP1: .;有8个通道，格式一样的,LP7: SETB P2.7;8 通道SETB P2.6SETB P2.5QID:CLR P2.0 ; 启动ADC0809给P2.0输入一个正脉冲NOPNOPNOPSETB P2.0NOPNOPNOPCLR P2.0判断是否开始转换判断转换是否结束;将P0 口的给44H;调用数据处理子程序JB P2.1,$JNB P2.1,$ACALL D10ms1MOV 4

13、4H,P0ACALL CAIYAN1:ACALL DISPLAY1 ;显示通道数ACALL DISPLAY ;显示转换结果DJNZ R4,YAN1 ;延迟RET这个子程序的作用是根据R3的值来选择通道，实现8路数据顺序采集、轮流显示， 当这个子程序调用结束后，就会返回主程序，实行INC R3操作，并将R3与#09H比较(2) 显示子程序DISPLAYDISPLAY:;数码显示子程序MOV DPTR,#TABMOV A,40HMOVC A,A+DPTRCLR P2.2SETB P2.3CLR P2.4ADD A,#80HMOV P1,AACALL D10ms1MOV DPTR,#TABMOV A

14、,41HMOVC A,A+DPTRCLR P2.2CLR P2.3SETB P2.4MOV P1,AACALL D10ms1RETDISPLAY1: MOV DPTR,#TABMOV A,R3MOVC A,A+DPTRSETB P2.2CLR P2.4CLR P2.3MOV P1,AACALL D10ms1RET这个子程序的作用是：根据 P2.2、P2.3、P2.4的不同赋值来选择数码管显示，显示 的段码分别存储在40H, 41H,而通道数段码存储在R3(3) 延迟子程序DIOmsDIOms: MOV R5,#14HDL: MOV R6,#0FFHDLO: DJNZ R6,DL0DJNZ R5

15、,DLRET这个子程序起到延迟的作用，因为在显示的时候可能要用到延迟才能够让数码管上 的值显示的清晰明了，这个是必不可少的。(4) 数据处理子程序CAI:CAI:MOV A,44H;数据处理子程序MOV B,#51DIV AB ;B为余数MOV 40H,A ;整数存入40HMOV A,B ;余数大于19H(25)时F0为1CLR F0SUBB A,#1AH ;判断余数是否大于19( 25)？MOV F0,C ;判断溢出MOV A,#10MUL AB;余数扩大10倍MOV B,#51DIV ABJB F0,LOOP7ADD A,#5; 余数大于19H(25)时，结果加5LOOP7:MOV 41H

16、,AMOV A,BCLR F0SUBB A,#1AHMOV F0,CMOV A,#10MUL ABMOV B,#51DIV ABJB F0,LOOP8ADD A,#5L00P8:MOV 42H,ARET因为A/D转换输出为2位16进制数，电压显示方式为十进制数，所以应进行数据转 换，所以需要调用这个数据处理子程序 CAI，其转换公式为：VCCA/D转换输出(十六进制)= FF (十六进制)X (转换后显示为十进制值)5V(最大电压值)4硬件制作与调试当硬件制作完成后，在检测没有发生短路和断路的情况下， 就可以编写程序进行调试 可分成一下几个步骤：(1) 编写一个小程序，然后烧写到芯片里，有可能

17、烧不进去，这可能是ISP下载口 接反了或者是芯片的冋题，一步一步的检查。(2) 当小程序能够烧写进去并且能够实现程序的功能以后，说明硬件应该没什么问 题，接着再编写能够实现更多功能的程序，并且能过实现为止，这样循序渐进，由小到 大，这样编写出来的程序就可以实现(3) 可能存在这样的问题：每个模块的程序都能实现，但是当把它们集合在一起的 时候就不行了，这就要检查每个模块之间的调用有没有问题了，下面是具体的流程： 4.1硬件制作硬件制作的流程如下：(1) 画出电路草稿图，经过修改选择，确定好方案。(2) 根据电路图，利用DXP2004画出原理图。(3) 编译原理图，确定无误后导入 PCB图。(4)

18、 排版PCB图，考虑好用单面还是双面板来制板，然后连线。(5) 据原理图生成元件清单，买好所用器件及铜板。(6) 打印PCB进行印板腐蚀，打孔、焊接。(7) 完成焊接之后，检查电路，最后上电观察电路是否正常。4.2调试在电脑上装好keil编程软件及下载器软件progisp1.66，将编好的程序生成可执行 文件，文件名以.HEX为后缀。通过下载器，将仿真好的程序烧入单片机芯片。给电路上 电，看硬件是否正常工作。以下是我调试的遇到的问题：(1) 板子制作出来，发现下载器画错了，管脚接得不对。所以要烧入程序必须借助 单片机最小系统版。(2) 电路板上电，烧入程序，发现数码管不亮。按下任何键都没有反应

19、，能确定的是板子复位电路不起作用。（3）上电检查单片机每个管脚的电压，没有发现异常。再检查各块芯片，也能显示 正常。说明硬件部分没有问题，只需考虑软件部分了。（4）仔细的研究程序，觉得可能按键去抖没有做好。在程序中添加了延时去抖，再 次烧入单片机，电路能正常工作了，调试成功。调试仪器：数字万用表（1个），电源（1个），下载器（1个）测量结果及误差表如下：通道数Int1Int2Int3Int4Int5Int6Int7Int8万用表 测量电 压值2.8v0.0v5.0v3.9v3.0v2.0v1.0v0.0v数码显示值2.8v0.0v5.0v4.0v3.0v1.9v1.0v0.0v误差0.0v0.

20、0v0.0v0.1v0.0v0.1v0.0v0.0v从上表来对比看，采集到的电压值很接近实际电压。证明电路是对的，软件程序处 理没有错误，硬件做得比较成功。5分析设计方案优缺点5.1优点本次课程设计，设计方案优点有以下几个：（1）硬件简单，器件少，制作容易。（2）所用器件都是常用的，易买，而且价格便宜。（3）采集各个通道的电压因为电阻值不一致，在调试时易辨别是否为所采集通道 的电压值。（4）显示部分用一个四位共阴数码管。首先，采用集成数码管最大的好处是减 少了 PCB制作的困难。第二，采用 NPN9014E极管驱动而不使用芯片，节约了成本。5.2缺点方案设计存在的不足之处如下：（1）硬件电路中

21、采用了 74LS74进行分频出500KHZ送至ADC0809勺时钟端。原则 上ADC0809确实需要500KHZ来驱动，不过正常情况下，1MHz是也是可以的。即采用6MHz 的晶振，经单片机分频从 ALE端输出的频率为1MHz来驱动即可。所以分频显得多此一 举了。但为了保证ADC0809一定能正常工作，才会采取分频。(2) 输出数据没有采取锁存，显示时数码管虽然能显示，但数据不够稳定。本次课 程设计的目的是培养和锻炼学生的实践能力， 同时希望学生能把所学到的东西应用至实 际生活中。虽然之前的实验做过多通道采集，但那只是软件部分，根本不涉及硬件的设 计，所以对硬件的组成原理是不深入了解的。 另外

22、，这次课题也能加强学生的自学能力。 就像本次课程设计，用到了 74LS74才自己上网去查资料，通过仿真确信可行才用于实 践中。还有单片机C语言编程，之前是有一定的基础，可毕竟还不足，仍需要自己花时 间去学习，边学便用。为以后的工作做了一定的准备。6总结在本次设计中发现了不少的问题，也解决了很多的问题，学会了如何去发现问题、分 析问题进而解决问题。特别是在调试的时候，在我制作完成硬件后，在将程序烧到芯片 里的时候，没有烧进去，不知道原因在哪里，我把电路检测了一遍，没有发生短路或断 路的情况，于是我怀疑是不是芯片的问题，把别人的芯片拿来试了一下，但还是烧不进 去，只好再检查一下电路，最后在检查 P

23、CB勺时候发现是ISP下载口接反了，将其重新 焊接，再试接成功了。当然在程序调试的过程中不止这些问题， 比如：烧写程序进去后, 数码管没有反映，检查一下程序的逻辑有没有错，有时会陷入某个语句的死循环，跳不 出来；显示的数字不同步，那有可能是在显示时的延迟不够， 达不到要求等等一些问题。 程序的调试是一件枯燥而持久的事情，所以要保持耐心和热情，有的问题一时间找不到 原因，那不妨换个思路，也许就会豁然开朗了。这不仅是在调试的时候需要，在编程的 时候，乃至做什么事情的时候，在看似陷入绝境的时候，不妨换个思路、换个角度，当 看问题的角度不同的时候，可能就会有一些新的想法。在这次设计中锻炼了我将软件和硬

24、件结合起来的能力，加深了对以前学过的知识的记忆和理解。同时让我站在一个新的角度去看问题，想实现某种功能并不只有一条途径， 切不可陷入固定的思维，认为只有这样做才行，这样可能到最后也解决不了问题。问题 是多种多样的，答案也不只有一种。谢辞在完成课程设计的时候，衷心的感谢我的指导老师黄源老师。在我遇到问题和困难的 时候，他给了我很大的帮助，有了他的帮助，我的课程设计才能少走一点弯路，在这里 道一声真挚的感谢。当然也要感谢帮助过我的其他老师们，每当有问题去求教她们的时 候，她们总是不厌其烦、耐心的给我指导。当有一些学过的知识记不起来时，她们总是 慢慢的引导，直到将知识点记起来，最终把问题解决。在这里

25、真的要谢谢她们，谢谢！8参考文献1 白驹珩、雷晓平单片计算机及其应用（二）高等教育出版社，2005.92 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006.53 王选民.智能仪器原理及设计M.北京：清华大学出版社，2008.2元件清单:序号名称数量单价备注1单片机89C521+ 1个DIP40底座2A/D 转换 08091+ 1个DIP28底座34位共阴数码管1410K精密电位器25按键3小61*40圆针插座27三极管32N30948电阻710K9电阻333010电阻1100K11电容227pf12电容110413晶振112MHZ141*40排针2151*8排线216ISP下载口12*

26、517单面板1180mm*85mm程序：ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INTER0ORG 0013HAJMP INTER1ORG 0030HMAIN: MOV R0,#01H ;初始化MOV R1,#00HMOV R3,#00HMOV R4,#02HMOV 40H,#00HMOV 41H,#00HJNB P3.7丄OOP;P3.7作为开始键AJMP MAINLOOP: ACALL D10msJNB P3.7,STARTAJMP MAINSTART:SETB EA;开中断SETB IT0SETB IT1SETB EX0SETB EX1ACALL LPINC R3

27、CJNE R3,#09H,ST1MOV R3,#01HST1:CJNE R1,#01H,NEXT2;进行中断变量的比较AJMP ST1NEXT2:CJNE R1,#02H,NEXT3MOV R1,#00HMOV A,R0MOV R0,#00HMOV R3,ANEXT3:AJMP STARTINTER0:;中断服务程序0MOV R1,#01HCJNE R0,#00H,N1ACALL D10ms1AJMP N2N1: MOV R1,#02HN2:RETIINTER1:;中断服务程序1INC R0RETI91dONdON dON诚K卫Y嗨 0 2d 60800av 修日:0 2d dio：aio9Z

28、d日丄ms9Zd日丄mSJI® 8：ZZd 913S :Zdlaio di/irv9 2d dio9Zd日丄msZNd日丄msJI® Z： ZdTHZ0#£3 3NrO ：9d1 aio di/irv9Zd日丄ms9 2d dioZNd日丄ms JI® 9： 9dTH90#£3 3NrO ：9d1 aio di/irv9 2d dio9 2d dio ZNd日丄msJI® 9©dTH90#£3 3NrO :KH aio di/irv gzd日丄ms9Zd日丄ms Z 2d dioji® 杖闭Th旳#

29、63;b 3Nro:edi aio di/irv9 2d dio9Zd日丄ms Z 2d dioJI® U £dTH£0#£3 3NrO :乙di aio di/irv 9Zd日丄ms9 2d dio Z 2d dlOJI® 乙乙dTH乙:aio di/irv9 2d dlO9 2d dlO I®丑:Z 2d dlOMKtfWSd IffW : Ldl'HLOtfSd 3NrO:diSETB P2.0NOPNOPNOPCLR P2.0JB P2.1,$;判断是否开始转换JNB P2.1,$;判断转换是否结束ACALL DIOmslMO