基于单片机的数据采集系统的设计说明

1、基于单片机的数据采集系统的设计王晨辉（理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业,2008级2班， 723000）指导教师：贾建科摘要随着科技的飞速发展，数据采集得到了广泛应用，单片机在数据采集系统中有重要应用。本系统以AT89C51单片机为核心器件来设计数据采集,利用AT89C51控制ADC0809将模拟信号转为数字信号，并将转换的数据反馈给AT89C51进行数据采集,并通过AT89C51控制的 LED数码管来显示模拟电压值，实现了8位数据采集系统的设计与制作。测试结果表明该系统操作简单、成本低、能实现8位数据的实时采集。关键词 数据采集；单片机AT89C51；A/D转换修改意见：1 摘

2、要部分作了修改，你在看看做些补充。 2 目录重新生成。 3 系统总体设计部分，应写的更详细，作方案比较。 4 系统硬件电路设计部分应结合自己的设计写，给出自己设计的每一部分电路，从总体电路中截图。 5 增加附录 包括翻译，源程序 电路图。Microcontroller-based data acquisition system designWang Chenhui(Grade 08,Class 2,Major electronics and information engineering ，Electronics and information engineering Dept.，Shaanx

3、i University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Jia Jian keAbstract:With the rapid development of science and technology, data acquisition has been widely used microcontroller has important applications in the data acquisition system. AT89C51 microcontroller as the core component of this s

4、ystem to design data collection, data collection for the AT89C51 AT89C51 control the ADC0809 analog signals into digital signals and convert the data feedback, and AT89C51 to control the LED digital tube display the analog voltage value to achieve the 8-bit data acquisition system design and product

5、ion. The test results show that the system simple, low cost, to achieve the eight real-time data acquisition. Key words: Data acquisition; the single chip microcomputer AT89C51; A/D conversion目 录1 引言11.1 研究背景与意义11.2 该课题的主要容12 系统的总体设计32.1 设计要求32.2 系统设计方案32.3 设计器件的选择42.3.1 采样A/D转换的选择42.3.2单片机的选择52.3.3

6、 显示部分53 主要硬件电路63.1 模数转换模块63.1.1 A/D转换ADC080963.1.2 分频器73.2 控制器模块83.2.1 AT89C51单片机83.2.2 AT89C51单片机主要性能参数83.2.3 AT89C51单片机最小系统113.2.4 单片机时钟电路123.2.5 单片机复位电路123.3 LED数码管显示模块133.3.1 LED数码管显示器的结构原理134 软件设计与系统调试与总结154.1 程序总体设计图154.2 硬件调试154.2.1 数码管显示测试154.2.2 A/D转换测试174.2.3 整体电路测试175总结1922 / 241 引言1.1 研究

7、背景与意义近些年来，数据采集的应用越来越受到人们的关注，数据采集系统也有了高速的发展，它被广泛的应用在各种领域。数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年首次在美国得到了应用。大概在60年代后期，国外就有了成套的数据采集设备和系统。20世纪70年代后期，随着微型机的发展，数据采集系统获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统开始分为两类发展，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。20世纪80年代随着计算机的应用，数据采集系统得到了很快的发展，开始出现了通用的数据采集和自动测试系统。此阶段的数据采集系统主要有两类，一类是以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成，第二类

8、是以数据采集卡、标准总线和计算机构成。20世纪80年代后期，数据采集有了很大的变化，系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据的处理能力大大加强。20世纪90年代至今，在技术先进的国家，数据采集系统已被运用到军事、航空电子设备与宇航技术和工业等领域。随着集成电路制造技术的不断提高，数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛应用。该阶段的数据采集系统主要采用模块结构，根据不同应用要求，通过增加和更改一些模块并结合系统编程，就可以扩展或修改系统以迅速组成一个新的需求系统。尽管现在组成一个数据采集系统只要一块数据采集卡，如果把它插在微机的扩展槽并辅以应用软件就可以实现数据采集功能，但

9、这并不会对基于单片机的数据采集系统产生影响。相对于数据采集板卡的成本和功能限制，单片机具有多功能、高效率、低功耗、低价格等优点，而单片机能又够对多点进行同时采集，因此可以开发出电路结构简单、可靠性高、能满足实际应用要求的数据采集系统，这就使得基于单片机的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2 该课题的主要容数据采集技术主要研究对信息的采集、存储、处理以与控制等问题。它是由传感器信号的测量与处理和微型计算机等高技术为基础形成的一种综合应用技术。数据采集的对象是一个或者多个信号。随着计算机技术的普与和发展,数据采集监测已成为一种重要的检测技术,被广泛应用在工农业等需要同时监控电压、压力、湿

10、度和湿度等场合。作为监测系统中不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到了整个系统。在这次设计的系统中是以ADC0809为数据转换器件，实现将模拟电压转换为数字电压，AT89C51单片机是基本的微处理系统被用来完成数据读取、处理与逻辑控制，数据传输等任务，数据的显示使用的是LED共阴数码管。2 系统的总体设计2.1 设计要求随着微型计算机技术的飞速发展和普与,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的工艺参数进行采集、监视和记录,以便提高产品质量、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的动态信息,是研究瞬态物理过程的有力工具,也是获取科学

11、奥秘的重要手段之一,它将提高人们对各种瞬态现象进行研究的能力。基于此要求在研究数据采集系统的基础上，利用单片机设计一数据采集系统，具体要求如下： （1）被测电压为0-5V可调电压，具有循环采集; （2）采用8位AD变换器; （3）在接收具有显示功能，要求同步显示被测的电压值; （4）并能实现8路数据的分时采集; (5)实现串行口的通信功能（指导老师扩展要求）。2.2 系统设计方案方案一：系统框架图如图2.1所示,它基本上完成了所要现的功能。采样采集到的模拟电压信号经过ADC0809的转换，传送给单片机AT89C51进行一系列的处理，然后经过共阴LED数码管显示出来。在实际的接线中，所选用的都是

12、一些实验室中都存在的基本元器件，连线简单，易于制作，但是此系统在数据采集的精度方面不是很优越。模拟电压信号采样A/D转换数据处理PC通信数码显示 图2.1 系统框架图方案二：其系统图如图2.2所示，这个系统的方案是建立在FPGA的基础之上的，其设计的精度和要求都很高，要有很专业的设备。A/D转换器模拟信号输入FPGAPC机 图2.2 基于FPGA的数据采集系统图数据采集和传输系统只要有FPGA（中心控制模块）、A/D转换器以与其他的外围辅助电路组成。（1）A/D转换器的作用是将输入的模拟量转换成数字量，有FPGA接受、缓冲在传到PC机上。（2）FPGA是控制模块的核心部分，主要完成A/D转换器

13、的时钟选取、数据的存储计算以与相依的控制与PC机的通信等。（3）PC机主要是对传送过来的数据进行实时的接收和显示。根据实际中的要求，我们最后选择了方案一作为设计的总体方案。相对方案二的高性能的要求行，我们的设计要求并没有要求那么高的精度，而方案一不仅满足设计的要求，还节省了时间的消耗和难度。2.3 设计器件的选择2.3.1 采样A/D转换的选择采样A/D转换器的种类很多，大体上可以分为8位、12位和16位等。位数越大其采样分辨率就越高，价格也就相对越贵。A/D转换器型号也各有不同，而其转换时间和转换误差也不一样。(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

14、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。(3)并行式A/D转换器：它又被称为快速型，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。鉴于上面的设计要求，在本此设计中选用的是逐渐逼近式的A/D转换器ADC0809.2.3.2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

15、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、模拟多路转换器与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keiluvision2把程序下载到单片机。现在人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以与鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。 汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。而本设计

16、选用的是AT89C51。2.3.3 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。LED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。本次设计采用的是4连共阴的LED数码显示管。3 主要硬件电路此系统是一个多路数据采集系统，由ADC0809和单片机实现。ADC0809负责对输入模拟电压的转换，单片机主要负责数据处理、显示和串行口的通信，由AT8

17、9C51、MAX232、LED数码显示器组成。本次设计要求的输入电压围为0-5V可调电压，我们给101的电位器加上一个5V的电压源来实现所需的输入电压。3.1 模数转换模块其图形如图3.1.1，B0为转换启动信号。当B0上跳沿时，所有部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE 为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。IN0-IN7为模拟电压的输入口。D7D0 为数字量输出线,输出到

18、单片机的P1.0口。CLK 为时钟输入信号线。因ADC0809 的部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，由单片机ALE口接出，经过74LS74二分频以后接到ADC0809的CLK口。,图3.1.1 A/D转换模块3.1.1 A/D转换ADC0809AD0809 逻辑结构：ADC0809 是8 位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图3.1.2）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电

19、平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3.1.2 ADC0809 部结构ADC0809 的工作原理：IN0IN7：8 条模拟量输入通道；ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条；ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如

20、下表所示。C B A 选择的通道:表3.1.1 通道选择编码CBAINCBAIN000IN0100IN4001IN1101IN5010IN2110IN6011IN3111IN73.1.2 分频器ADC0809的时钟信号需要外部提供，常为500Khz左右。单片机ALE口输出的频率是单片机晶振频率的六分之一，约为1.85Mhz，故仍需用D触发器进行4分频以后才能使用。74LS74含两个独立的D上升沿双d触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入(SD)复位输入（RD）、时钟输入（CP）和数据输出（Q）。SD、RD的低电平实输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当SD、RD高电平时，均无效。符

21、合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。其功能表如下：表3.1.2 74LS74功能表输 入输 出SDRDCPDQn1Qn10110100100111101100111QnQn3.2 控制器模块3.2.1 AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。此

22、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。AT89C51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，功能强大AT89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。因此，在这里选用AT89C51单片机来完成，它具有结构简单、编程方便、经济、易于连接等优点，特别是其部定时器/计数器、中断系统资源丰富，有应用价值。3.2.2AT89C51单片机主要性能参数AT89C51单片机的主要性能特点有：（1）与MCS-51 兼容； （2）4K字节可编程FLASH存储器； （3）寿命：1000写/擦循环； （4）数据保留时间：10年； （5）全

23、静态工作：0Hz-24MHz； （6）三级程序存储器锁定； （7）1288位部RAM （8）32可编程I/O线； （9）两个16位定时器/计数器； （10）5个中断源； （11）可编程串行通道； （12）低功耗的闲置和掉电模式；（13）片振荡器和时钟电路。AT89C52RC单片机同时还具有加密性强，低功耗，高速，高可靠，强抗静电，强抗干扰等优点。AT89C52RC单片机的引脚封装如图3.1.3所示。图3.1.3 AT89C52RC单片机的引脚封装图主要管脚说明：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，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被

24、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/地址的低八位。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外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的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，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个部上拉电阻的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，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此

25、作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P

26、3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器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）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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锁存地址的低位字节。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

27、/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：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部

28、锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2.3AT89C51单片机最小系统AT89C51单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。单片机的最小系统如图3.1.4所示,18引脚和19引脚接时钟电路,在单片机部有一个高增益反相放大器，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端,在片它是高增益反相放

29、大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片它是高增益反相放大器的输出，所以这样就构成了自激振荡器。结合本设计的要求采用部振荡方式，所选的晶振为11.0592MHz。而复位电路是完成单片机片电路的初始化，使单片机从一种确定的状态下开始运行。第9引脚为复位输入端,接上电容,电阻构成上电复位电路。图3.1.4 单片机最小系统3.2.4 单片机时钟电路AT89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：部振荡方式和外部振荡方式。在本设计中，采用部振荡方式。电路见图3.1.4所示。图3.1.4 时钟电路图单片机引脚XTAL1和XTAL2外接晶振11.0592MHz，构成了部振荡方式。由于

30、单片机部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡，并产生振荡时钟脉冲。电容器C1、C2起稳定振荡频率，快速起振作用。3.2.5 单片机复位电路本设计系统的复位电路见图3.1.5所示。图3.1.5 复位电路图复位操作完成单片机电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。当AT89C52单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位电路操作。需要注意的是，当复位端RST持续高电平的时间过长，单片机就会处于循环复位状态，这样，单片机就无法执行程序。因此，要求单片机复位后能够脱离复位状态。本系统的复位电路采用上电开关复位电路。上电后，由于电容充电，使RST持续一段

31、时间。当单片机已经在运行时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电开关复位的功能。3.3 LED数码管显示模块在小型控制装置和数字化仪器仪器中，往往只要几个简单的数字显示或状态便可满足实际的需求，而数码管因其成本低廉、配置灵活、与计算机接口方便等特点，在小型微机控制系统中得到极为广泛的应用。3.3.1 LED数码管显示器的结构原理发光二极管LED利用PN结把电能转换光能的固体发光器件，根据制造材料的不同，可以发出红、黄、绿等不同色彩的可见光束。LED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降为2V左右，工作电流一般在10mA20mA之间较为合适一个8段LED显示器的结构如图3.1.

32、6所示。dp图3.1.6 8段数码管结构图它是由8个发光二极管造成，依次记为a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp表示小数点（不带小数点的称为7段LED）。8段LED有共阴极和共阳极两种结构，分别如图3.1.7（a）和图3.1.7（b）所示。共阴极LED的所有发光管的阴极并接成公共端COM，而共阳极LED的所有发光管的阳极并接成公共端COM。当共阴极LED的COM端接高电平，则某个发光管的阴极加上低电平时，则该管有电流流过因而点亮发光。LED各段不同点亮的组合可以显示09、AF等十六进制数。 图3.1.7(a) 共阴极结构图 图3.1.7(b) 共阴极结构图 其显示表如下所示：表3.1.3

33、 LED段选码表字型共阴极字形代码字型共阴极字形代码字型共阴极字形代码03FH67DHC39H106H707Hd5EH25BH87FHE79H34FH96FHF71H466HA77H灭00H56DHb7CH4 软件设计与系统调试与总结4.1 程序总体设计图模块化结构程序的设计，可以使系统控制软件便于调试与优化，也使读者更好地理解和阅读系统的程序设计。因此，采用模块化设计思想来对本数据采集系统进行软件设计。程序主要分为: 主程序、初始化程序、A/D转换程序以与数码管显示程序，各部分具体程序见附录。系统的主程序流程如图4-1所示。开始Chn=8？、A/D采样且通道变量Chn加1系统初始化数据处理L

34、ED显示采样值、通道chnChn=oYN图4-1 主程序流程图4.2 硬件调试4.2.1 数码管显示测试将数码管驱动电路中数据的接口和主电路板上的相应单片机的端口相连，将写好的测试程序刷写到芯片，连接好电源，打开电源开关即可测试。测试程序如下：#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit dula=P17;sbit wela=P16;uchar num;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0

35、x39,0x5e,0x79,0x71;void delay(uint z);void main() wela=1; P0=0; wela=0; while(1) for(num=0;num0;x-) for(y=110;y0;y-); 这是一段使数码管显示1到F的程序，在检测的过程中发现数码管显示正常，与数码管完好。4.2.2 A/D转换测试在A/D转换程序中加入LED发光二极管点亮程序，当AD转换结束标记EOC为高电平时，点亮LED，以此来检测A/D是否有正常转换。在实验的过程中发现ADC0809可以正常工作。4.2.3 整体电路测试（1）短路、开路的检测电路在面包板上连接完成后，为了确保连接的正确性，必需进行短路检测。把万用表打到二极管档，用红、黑笔接到电路的正负极，检测电路是否存在短路现象。另外，把万用表的红、黑笔分别接到有相连接的回路中，检测回路中是否存在断路现象。（2）确认电路连接的正确性把连接好的电路板和电路原理图详细对照，仔细