基于单片机的数据采集系统ad转换通道设计

1、毕业设计基于单片机的数据采集系统a/d转换通道设计学 号： 姓 名： 专 业： 电气工程及其自动化系 别： 二一三年六月毕业设计基于单片机的数据采集系统a/d转换通道设计学 号： 姓 名： 专 业： 电气工程及其自动化系 别： 二一三年六月北京交通大学毕业设计成绩评议题目： 基于单片机的数据采集系统a/d转换通道设计 系别： 专业：电气工程及其自动化 姓名： 学号： 指导教师建议成绩： 评阅教师建议成绩： 84分 答辩小组建议成绩： 86分 总成绩： 84分 答辩委员会主席签字：年 月 日北京交通大学毕业设计任务书姓 名学 号专 业电气工程及其自动化设 计 题 目基于单片机的数据采集系统a/d

2、转换通道设计题目性质 r 设计； 论文题目来源 r 教学； 科研； 生产； 其他 指导教师 职 称 工作单位备注 毕业设计的内容和要求：单片机与嵌入式系统的应用越来越广泛，单片机和嵌入式系统的设计是计算机专业学习的一个重要内容。本课题是设计一个实用的数据采集和超限报警系统。该系统以单片机89c51为核心，进行16路模拟量信号的数据采集和超限报警处理。要求完成同步串行总线的a/d转换通道设计，包括硬件电路和软件程序，进而掌握单片机应用系统设计和调试的方法。设计要求：1.完成该数据采集系统中的数据采集子系统的设计；2.该数据采集子系统的主要功能；3.采用89c51为cpu；4.最多可以采集16路模

3、拟量信号；5.采用12位精度的a/d转换器max187；6.采用标准的同步串行总线的通信方式； 7.完成硬件电路和软件程序的设计。毕业设计主要参考资料： 1 代启化.基于proteus的电路设计与仿真j.天津：现代电子技术.2006,第19期.2 张晓乡.89c51单片机实用教程z.天津：电子工业出版社 2010 3 李朝青.单片机原理及串行外设接口技术z.北京：北京航空航天大学出版社 20084 李刚. 新概念单片机教程z.天津：天津大学出版社 2004 5 康一梅. 嵌入式软件设计z.天津：机械工业出版社 2007 6 刘文秀.单片机应用系统仿真的研究j.北京：现代电子技术.2005, 第

4、286 期7 张友德.单片微型机原理、应用与实验m.上海：复旦大学出版社，2003.225256.8 李光飞.单片机设计实例指导m.北京：北京航空航天大学出版社,2004.5,96100.9 胡汉才.单片机原理及其接口技术m. 北京：清华大学出版社，1996.89110. 10 杨立民.单片机技术及应用m.西：安西安电子科技大学出版社.1997.90120.毕业设计应完成的工作：1. 完成该数据采集和超限报警系统中的数据采集子系统的设计；2. 完成同步串行总线的a/d转换通道硬件电路；3. 完成同步串行总线的a/d转换通道软件程序设计；4. 学习并掌握标准的同步串行总线的通信方式；5. 采用8

5、9c51汇编语言进行编程；实现程序的调试、下载、固化工作； 6. 撰写设计报告。进度安排： 2012年12月2013年1月 项目审批、任务书下达、查阅资料、撰写开题报告； 2013年2月 2013年3月 系统总体设计、硬件设计、软件设计； 2013年 4月 2013年5月 模块功能测试、系统集成、整机联调； 2013年5月 中旬 论文写作、论文定稿、答辩准备。指导教师签字： 同意 日期： 年 月 日系意见：签字：系（盖章） 日期： 年 月 日北京交通大学毕业设计开题报告姓名赵 佳学号09142202专业电气工程及其自动化设 计 题 目基于单片机的数据采集系统a/d转换通道设计1. 毕业设计的目

6、的及意义：数据采集技术是信息科学的重要分支之一, 它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理, 以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向,各种领域都用到了数据采集。因此，数据采集系统作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽

7、内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。在单片机系统中，目前大量采用了具有同步串行接口的器件。这些外部接口器件包括串行e2prom、移位寄存器、显示器件、a/d转换器、d/a转换器、单片机监控电路、通信接口等。在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路

8、制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（das）。随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速a/d转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。2. 基本内容和技术方案：（一）设计内容：本课题是设计一个实用的数据采集和超限报警系统。该系统以单片机89c51为核心，进行16路模拟量信号的数据采集和超限报警处理。要求完成同步串行总线的a/d转换通道设计，包括硬件电路和软件程序，进而掌握单片机应用系统设计和调试的方法。（二）设计要求：1.完成该数据采集系统中的数据采集子系统的设计；2.该数据采集子系统的主要功能；3.采用89c51为cpu；4.最多可以采集16路

9、模拟量信号；5.采用12位精度的a/d转换器max187；6.采用标准的同步串行总线的通信方式；7.完成硬件电路和软件程序的设计。（三）max187的工作原理max187中cs为有效时，在时钟 sclk 的每一个上升沿把一个最高位为"1"的控制字节的各位送入输入移位寄存器，控制器收到控制字节后，选择控制字中给定的模拟通道并在 sclk 的下降沿启动转换。在启动转换后 max187可使用外部串行时钟或内部时钟来完成逐次逼近转换。在两种时钟方式中，数据的移入/输出都由外部时钟来完成。在外部时钟方式时,外部时钟不仅移入和输出数据,而且也驱动每一步模数转换。在控制字节的最后一位之后

10、,sstrb 有一个时钟周期的脉冲高电平,在其后的 12 个 sclk 的每一个下降沿决定逐次逼近的各位并出现在 dout 端。变换必须在较短时间内完成,否则采样/保持电容器上电压的降低可能导致变换结果精度的降低,如果时钟周期超过 10s,或者由于串行时钟的中断使得变换时间超过 120s,则要使用内部时钟方式。在内部时钟方式时,max186 在内部产生它们自己的转换时钟，并允许微处理器以 10mhz以下的任何时钟频率读回转换结果。sstrb 在转换开始时变为低电平,在变换完成时变为高电平。sstrb 保持最长为 10s 的低电平，为了得到最佳的噪声性能，在此期间 sclk 应保持低电平。在 s

11、strb 变为高电平之后的下一个时钟下降沿转换结果的最高有效位将出现在 dout端。（四）毕业设计应完成的工作：1. 完成数据采集和超限报警系统中的数据采集子系统的设计；2. 完成同步串行总线的a/d转换通道硬件电路；3. 完成同步串行总线的a/d转换通道软件程序设计；4. 学习并掌握标准的同步串行总线的通信方式；5. 采用89c51汇编语言进行编程；实现程序的调试、下载、固化工作； 6. 撰写设计报告。3. 毕业设计主要参考资料： 1 代启化.基于proteus的电路设计与仿真j.天津：现代电子技术.2006,第19期.2 张晓乡.89c51单片机实用教程z. 天津：电子工业出版社 2010

12、 3 李朝青.单片机原理及串行外设接口技术z.北京： 北京航空航天大学出版社 20084 李刚. 新概念单片机教程z.天津：天津大学出版社 2004 5 康一梅. 嵌入式软件设计z.天津：机械工业出版社 2007 6 刘文秀.单片机应用系统仿真的研究j.北京：现代电子技术.2005, 第286 期7 张友德.单片微型机原理、应用与实验m.上海：复旦大学出版社，2003.225256. 8 李光飞.单片机设计实例指导m.北京：北京航空航天大学出版社,2004.5,96100.9 胡汉才.单片机原理及其接口技术m. 北京： 清华大学出版社 , 1996.89110. 10 杨立民.单片机技术及应用

13、m.西安：西安电子科技大学出版社.1997.90120.4. 进度安排：2012年12月2013年1月 项目审批、任务书下达、查阅资料、撰写开题报告；2013年2月 2013年3月 系统总体设计、硬件设计、软件设计；2013年 4月 2013年5月 模块功能测试、系统集成、整机联调； 2013年5月中旬 论文写作、论文定稿、答辩准备。5. 指导教师意见：该课题符合本专业培养方向，有实用价值，同意开题。指导教师签字： 日期： 年 月 日6. 系意见：签字：系（盖章）日期： 年 月 日北京交通大学毕业设计中期检查情况表姓名 学号专业电气工程及其自动化设计题目基于单片机的数据采集系统a/d转换通道设

14、计目前已完成的工作： 总体方案设计；硬件设计、制作；熟悉了模数转换器max187；其中包括前向通道、后向通道、人机对话通道各部分的硬件选择，以89c51为核心进行16路模拟量信号的数据采集和超限报警系统的数据采集子系统设计。下一步的工作： 软件设计、编程；软硬件集成、仿真、调试、运行、维护。存在的问题：keil编程软件不太熟悉；proteus仿真软件存在许多问题。现在正在优化和进一步学习中。指导教师建议与意见：按时完成了进度计划中的要求。建议进一步掌握a/d转换器max187的工作原理，掌握89c51实现同步串行总线通信的技术。完成硬件、软件的设计。撰写出高质量的论文。 签字： 年 月 日系意

15、见：系（盖章） 年 月 日北京交通大学业设计评阅教师评阅意见姓名指导教师指导教师职称单位毕业设计题目基于单片机的数据采集系统a/d转换通道设计对论文的评语： 是否同意安排论文答辩：同意论文成绩：84分评阅教师（签名）： 年 月 日北京交通大学毕业设计答辩小组评议意见毕业设计题目基于单片机的数据采集系统a/d转换通道设计答 辩 小 组 成 员:姓 名职 称工作单位备注答辩小组评语： 该同学能对基于单片机的数据采集系统a/d转换通道进行设计。在论文答辩过程中，叙述正确充分，对答辩小组提出的问题能够正确回答，答辩情况良好。答辩组长（签名）： 年 月 日答辩成绩86分毕业设计诚信声明本人声明所呈交的毕

16、业设计，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学海滨学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 毕业设计使用授权书本人完全了解北京交通大学海滨学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的

17、全部或部分内容。本人签名： 日期：摘 要单片机应用系统的设计过程包括总体方案的设计、硬件系统设计、软件系统设计、系统仿真调试和系统运行维护等部分。本课题是设计一个实用的数据采集和超限报警系统中的数据采集子系统的设计，系统以单片机89c51为核心，主要应用12位精度的a/d转换器max187和多路选择器4067完成同步串行总线的a/d转换通道设计，可以采集最多16路模拟量输入信号，并设置了8个开关量输出通道，对外部设备进行数据采集和超限报警处理。硬件系统设计包括原理图设计、pcb（印制电路板）设计、制版和组装、硬件调试等工作。软件系统设计是根据总体方案和硬件电路，设计出实现系统功能的控制程序。系

18、统的测试包括功能测评、技术指标的测量、系统的优化等工作。程序固化后，系统运行，投入正常的工作中，开发工作完成。关键词：数据采集系统；89c51；多路模拟开关4067；a/d转换器max187iabstractthe design process of scm application system includes the design of overall scheme, the hardware system design, software system design, system simulation and debugging system operation and mainten

19、ance etc. this topic is the design of alarm system of a practical data acquisition and overrun, the system based on the mcu 89c51 as the core, the main application of 12 bits a/d converter max187 and multiplexer 4067 to complete synchronous serial bus a/d conversion channel design, can collect up to

20、 16 channels of analog input signal, and the 8 output switch channel of external equipment, data acquisition and alarm processing. date, time information in real time using the ds1307 real time clock circuit with low power consumption. independent of the key design and led digital tube monitor as th

21、e man-machine dialogue channel. through the standard rs-485 asynchronous serial communication interface and pc communication, for multi-computer system and the remote communication. hardware system design includes schematic design, pcb (printed circuit board) design, plate making and assembling, har

22、dware debugging. the software system design is based on the overall scheme and hardware circuit, design a control program to realize system function. system testing includes function testing, the measurement, system optimization etc. operating system program, after curing, normal work, development w

23、ork completed.keywords: data acquisition system; 89c51; multi-channel selector 4067; a/d converter max187iv目 录摘 要iabstractii目 录iii1绪论11.1 研究背景及其目的意义11.2 国内外研究现状21.3 该课题研究的主要内容32 单片机数据采集系统的总体设计42.1 单片机应用系统的组成42.2 单片机应用系统的设计62.2.1总体方案的设计62.2.2单片机应用系统的设计过程62.3 89c51单片机的简介72.3.1单片机的基本组成72.3.2 89c51单片机的引

24、脚82.4 模拟开关电路4067112.5 a/d转换器max187132.5.1 max187简介132.5.2 max187特点及引脚143串行通信总线163.1 spi串行外设接口总线163.2 spi总线系统的组成173. 3 89c51和串行串行通信总线的实现方法183.3.1 89c51和max187的连接184模拟量输入系统的硬件电路设计204.1单片机数据采集系统的总体设计204.2 89c51单片机的硬件电路设计214.2.1单片机的时钟电路和时序214.2.2单片机的存储器224.2.3单片机的工作方式234.3输入系统的硬件电路的总体设计244.4 模拟开关电路4067的

25、工作原理264.5 max187的硬件设计274.5.1 max187工作过程275模拟量输入系统的软件设计295.1 简介keiluvision2295.2 数据采集的程序355.3 max187的a/d转换子程序38结 论40致 谢41参考文献42北京交通大学毕业设计1绪论1.1 研究背景及其目的意义近年来，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。数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由

26、于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表、计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的

27、数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（das）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在

28、工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电

29、路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2 国内外研究现状数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。我国的数字地震观测系统主要采用tde-124c型tde-224c型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性

30、更强、低功耗可靠性的tde-324c型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至a/d数字化，a/d采用同时采样，采样数据经dsp数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位a/d转化位数，采样率有50hz、100hz、200hz。由美国pasco公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/s；（3）软件：中文及英文的应用软件。受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行

31、实验应用也在快速地发展。如爱尔兰acra公司2000年研发推出的新一代kam500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（a/d）模拟数字变换，总采样率达500k/s，同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。1.3 该课题研究的主要内容数据采集技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理，以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等需

32、要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展，并且适于通用微机(如ibm pc 系列) 使用的板卡级数据采集产品也已大量出现，组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内，并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响，因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点，使得基于单片机为

33、核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持，不管采用什么样的数据存储器，它的存储容量都是有限的，所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新，这样不利于用户对数据进行整体分析，因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。本系统是一个实用的数据采集和超限报警系统，该系统以单片机89c51为核心，选用了同步串行通信的接口芯片，可以采集最多16路模拟量输入信号，并设置了8个开关量输出通道，对外部设备进行数据采集和超限报警处理。这里，主要包括数据采集系统中的数据采集子系统的设计，应用多路模拟开关4067和a/d转换器max187。多路模拟开关4067是一个

34、16选1模拟开关电路，通过它可以由软件分时选通各个模拟通道的输入。max187是一个12位串行接口的a/d转换器，采用三线spi总线和微处理器通信，接口简单，精度高，功耗低。2 单片机数据采集系统的总体设计单片机应用系统的设计过程一般要包括总体方案的设计、硬件系统设计、软件系统设计、系统仿真调试和系统运行维护等几部分。在对应用对象论证、分析的基础上，确定总体方案，合理地安排系统软件、硬件的技术要求。硬件系统设计包括原理图设计、pcb（印制电路板）设计、制版和组装、硬件调试等工作。软件系统设计是根据总体方案和硬件电路，设计出实现系统功能的控制程序。系统的测试包括功能测评、技术指标的测量、系统的优

35、化等工作。程序固化后，系统运行，投入正常的工作中，开发工作完成。单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（cpu），随机存取数据存储器（ram），只读程序存储器（rom），输入输出电路（i/o口），可能还包括定时计数器，串行通信口（sci），显示驱动电路（lcd或led驱动电路），脉宽调制电路(pwm)，模拟多路转换及a/d转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部

36、扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。单片机按内部数据通道的宽度，可分为4位、8位、16位及32位单片机。8位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。2.1 单片机应用系统的组成单片机本身是综合了cpu、储存器、i/o接口，定时器/计数器等计算机基本组成的半导体芯片，而且程序可以固化在单片机芯片中，因此对于一般的应用，只需要单片机加上少

37、量的器件就可以构成一个控制系统的硬件部分，开发出相应的支持程序就可以容易地完成应用系统的设计。目前，单片机的发展方向就是把各种功能模块尽可能地集成，以单片机系统为目标。但是，对于目前应用比较广泛的8位单片机来说，由于其应用方便，成本低廉，可靠性高，体积小，而且i/o的扩展也比较容易，所以在比较复杂的控制系统中，8位单片机仍然得到广泛应用。 典型的单片机应用系统除主机外，还包括有： （1） 前向通道(即输入部分)： 数字量、开关量、模拟量信号(a/d)的输入。 （2）后向通道(输出部分)： 数字量、开关量、模拟量信号 (d/a )的输出。 （3）人机对话通道，即人机交互部分： 键盘、显示器、打印

38、机、看门狗(监视)电路等。图2-1所示为单片机应用系统的组成。图2-1 单片机应用系统的组成 单片机应用系统设计的特点：l 单片机应用系统一般规模比较小。设计开发过程要借助专用的开发器、仿真器或开发系统来进行。l 单片机应用系统设计中要综合考虑硬件、软件的组成，以达到较高性能价格比。可以采用软件固化实现部分硬件功能，也可以采用硬件来实现某些软件的功能。l 单片机应用系统要求可靠性高，特别是工作于无人值守、不间断工作的环境中，必须保证安全可靠。要从电路设计、软件程序等加以考虑。看门狗监视电路就是其中一种。l 单片机应用系统要尽量作到低功耗、小体积。软件程序固化在单片机内的程序存储器中。要在专门的

39、编程器或下载设备中完成。2.2 单片机应用系统的设计2.2.1总体方案的设计1) 根据市场需求, 进行分析, 提出本项目的任务。2) 熟悉和了解控制对象，确定合理可行的技术指标。3) 确定系统功能具体实现形式, 选择出适合该项目，能迅速开发出性能价格比高的应用系统的单片机。 4) 合理地划分硬件和软件两部分的功能要求。5) 确定总体方案，拟定设计任务书。按照软件工程的思想，列出各子系统的任务书, 以及软件、硬件及它们之间的接口标准、技术要求。2.2.2单片机应用系统的设计过程一般情况下，单片机应用系统的设计过程包括以下几部分：.总体方案的设计.硬件系统设计.软件系统设计.系统仿真调试.运行维护

40、。这5个部分不是孤立的，而是相互关联、相互依靠、互相制约的。如图2-2所示为单片机应用系统设计过程的流程图。图2-2 单片机应用系统设计过程的流程图2.3 89c51单片机的简介 89c51单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。2.3.1单片机的基本组成 89c51单片机结构框图如图2-3所示：图2-3 89c51

41、单片机结构框图 89c51单片机基本组成包括：1) 一个8位的微处理器；2) 片内数据存储器ram有128b，21个特殊功能寄存器sfr；3) 片内程序存储器flash rom 有4kb；4) 可寻址片内外统一编址的64kb的rom；可寻址片外64kb的ram；5) 4个8位并行i/o接口（p0p3）；一个全双工通用异步串行接口uart；6) 两个16位的定时器/计数器；7) 五个中断源、两个优先级的中断控制系统；8) 具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能；9) 片内振荡器和时钟产生电路。2.3.2 89c51单片机的引脚89c51单片机是cmos的低功耗芯片，图2-4所示为它的引脚图。它有

42、两种不同封装形式：plcc形式和pdip形式。本设计采用pdip形式。图2-4 89c51单片机的引脚图40个引脚及其功能：电源引脚：vcc和vss l vcc （40脚）：电源端，接+5v电源。l vss （20脚）：接地端，接+5v电源地端。外接晶体引脚：xtal1和xtal2l xtal1（19脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。l xtal2（18脚）：来自反向振荡器的输出。容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。控制信号引脚：rst、ale、psen、eal rst（9脚）：复位信号输入端，高电平有效。保持两个机器周期高电平时,完成复位操作。l

43、 ale/prog（30脚）：地址锁存允许输出端/编程脉冲输入端。正常时,连续输出振荡器频率的1/6正脉冲信号。访问片外存储器时：作为锁存p0口低8位地址的控制信号。对8751片内 rom编程写入时：作为编程脉冲输入端。 l psen（29脚）：外部程序存储器读选通输出信号访问片外rom时，输出负脉冲作为读rom选通。常连接到片外rom芯片的输出允许端（oe）作外部rom的读选通信号。l ea/vpp（31脚）：外部程序存储器地址使能输入/编程电压输入端。平常，接“1”时，cpu访问片内4kb的rom，当地址超4kb时，自动转向片外rom中的程序。当接“0”时，cpu只访问片外rom。第2功能

44、vpp对8751编程时，编程电压输入端。输入/输出端口引脚p0、p1、p2、p3l p0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。 l 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

45、和校验时，p1口作为第八位地址接收。l p2口：p2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。l 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。在实际应用中，大多

46、数情况下都使用p3口的第二功能。表2-1 p3端口的第二功能端口引脚 第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2/int0（外中断0）p3.3/int1（外中断1）p3.4t0 (定时计数器0)p3.5t1 (定时计数器1)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）2.4 模拟开关电路4067 开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器，当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时，继电器就吸合或释放，其触点接通或断开电路。 cmos模拟开关是一种可控开关，它不像继电器那样可以用在大电流、高电压场合，只适于处

47、理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。 cd4067是数字控制模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译码的特征。另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持相对稳定。如图2-5所示为模拟开关电路4067的引脚图： 图2-5 4067引脚图表2-2 多路模拟开关4067功能表：输 入开 关 通 道inhdcballllli/o0comllllhi/o1comlllhli/o2comlllhhi/o3comllhlli/o4comllhlhi/o5comllhhli/o6comllhhhi/o7comlhllli/o8comlhllhi/o9comlhlhli/o10comlhl

48、hhi/o11comlhhlli/o12comlhhlhi/o13com续表2-2输 入开 关 通 道inhdcbalhhhli/o14comlhhhhi/o15comhxxxx关 断电路中选用了一个多路模拟开关，有一个a/d转化器即可，简化了硬件电路，节约成本。2.5 a/d转换器max187 2.5.1 max187简介max187是美信公司推出的具有串行接口的12位精度的ad转换器，内部含有采样保持电路，单5 v操作电源，转换速度为8.5s，具有片上4.096 v参考电压，模拟量输入范围为0vbef。三线串行接口，兼容spi，qspi，microwire总线。设计精巧，工作速度快。max

49、187用采样保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号，其采样保持电路不需要外接电容。max187有2种操作模式：正常模式和休眠模式，将置为低电平进入休眠模式，这时的电流消耗降到10a以下。置为高电平或悬空进入正常操作模式。max187电源需要加去耦合电容，方法是用一个4.7f电容和一个0.1f电容并联。为保证采样精度，将max187与单片机分开供电。4脚为参考端接一个4.7f的电容，这是使用内部4.096v参考电压方式。输入模拟信号的电压范围为04.096 v，如模拟输入电压不在这个范围要外加电路进行电压范围的变换。max187只有一路模拟输入通道，如输入为多路信号，要外

50、加多路模拟开关。2.5.2 max187特点及引脚max187的主要特点：l 12位的a/d转换精度；l 内部采样/保持电路，采样速率75khz；l 内部缓存的参考电压4.096v；l 3线串行接口和处理器通信，并且兼容 spi、qspi 和microwire同步串行接口标准；l 工作在单一的+5v电源；l 低功耗，待机电流为2a，工作电流为1.5ma；l 小封装，8个引脚的dip（双列直插）封装芯片。如图2-6所示为max187内部结构图：图2-6 max187内部结构图max187为8个引脚双列直插封装，其引脚图见图2-7所示：图2-7 max187引脚图其中：l vdd（1脚）：+5v电

51、源。l ain（2脚）：模拟量输入，范围为0vvref（0v4.096v）。l shdn（3脚）：工作模式选择输入端。低电平为待机模式；高电平或悬空为正常操作，其中高电平时使用内部参考电源，悬空时，禁止内部参考电源且允许使用外部参考电源。l vref（4脚）：参考电压。使用内部参考电源电压为4.096v，需要4.7f电容接地。使用外部参考电压为+2.5vvdd。l gnd（5脚）：接地。l dout（6脚）：串行数据输出，数据在sclk的下降沿改变。l cs（7脚）：片选输入端。低电平启动a/d转换；高电平时，dout输出端高阻抗状态。l sclk （8脚）：串行时钟信号输入端最高频率为5mh

52、z。3串行通信总线最新推出的单片机很多都有符合总线的标准接口，所以使用起来非常方便。89c51这类的单片机虽然没有专门的同步串行总线接口，但是，它们可以利用自己的少数几根i/o口线，通过软件模拟通信协议，进行同步串行总线外设接口芯片扩展，更具有灵活方便的特点。由于89c51没有专门的spi接口，因此要采用用一般i/o口线模拟spi操作的方法，来和spi总线接口器件连接和交换数据。用软件模拟就是按照spi总线数据传送的时序要求和要传送的数据，对相应的i/o线进行置“1”、置“0”和读写的操作，包括串行时钟、数据输入和输出信号。3.1 spi串行外设接口总线spi (serial peripheral interface)总线是freescale公司(原motorola公司半导体部)推出的同步串行外设接口总线。它用于mcu与各种外围设备以串行方式同步传送和接收8位数据。外围设备包括简单的ttl移位寄存器（用作并行输入或输出口）至复杂的lcd显示驱动器或a/d转换器等。spi总线主要特性：l spi总线是全双工同步串行通信标准，可以同时同步传送和接