毕业设计(论文)基于单片机的多路数据采集系统的设计.doc
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1、多路数据采集系统的设计摘 要多路数据采集系统在现代工业中是必不可少的。基于单片机的多路数据采集系统是一种对单片机性能要求中等,结构简单,实用性较强的低端电子产品,单片机作为核心器件,以其体积小、成本低、速度快、升级容易等优点具有很好的现实意义。单片机实现的数据采集系统的应用越来越多的被采用。本文介绍了一种基于单片机的多路数据采集系统。系统的硬件部分主要包括单片机控制模块、模拟量采集接口模块、开关量采集接口模块、键盘输入模块、LCD显示模块、电源模块。单片机控制模块用于控制和协调系统各个模块工作。模拟量采集接口模块用于对模拟量进行预处理,使其转化为单片机能够处理的模拟量。开关量采集接口模块用于对
2、数字量进行预处理,使其转化为单片机能够处理的数字量。电源模块为整个系统提供工作电源。键盘输入模块和LCD显示模块为系统提供了人机交互的通道,便于用户对应用系统进行干预。本设计采用具有AD转换功能的STC12C5A60S2单片机作为系统的控制中心,可以实现对4路模拟电压信号、4路开关量的采集,具有处理能力强、精度高、通用性强等优点。关键词:多路数据采集,单片机,模拟量,开关量DESIGN OF MULTI-CHANNEL DATA ACQUISITION SYSTEMABSTRACTMultiple data acquisition system in modern industry has b
3、ecome indispensable. Based on SCM multiplexed multi-channel data acquisition system is a kind of single-chip processor performance requirements medium, the structure is simple, practical stronger low-end electronic product, the single chip microcomputer as the core device, with its small size, low c
4、ost, speed, upgrade easily and so on , have good practical significance. Adopts microcomputer application of data acquisition system is more and more. This paper introduces a microcomputer-based multi-channel data acquisition system. The hardware part of the control module includes microcontroller,
5、analog capture interface module, switch acquisition interface module, power module, the keyboard input module, LCD display module. MCU control module for controlling and coordinating the work of each module system. Analog capture analog interface module is used to preprocess it into a single chip to
6、 handle the analog. Switching capacity acquisition interface module for preprocessing digital content to make it into a single chip to handle the digital. Power modules to provide energy source for the entire system. Keyboard input module and LCD display module for the system to provide a human-comp
7、uter interaction channel, user-friendly intervention of the application. This design uses a single chip AD conversion function STC12C5A60S2 control center as the system can achieve 4-way analog voltage signal, 4-way switch volume collection, with processing power and high accuracy, versatility, etc.
8、 advantages. KEY WORDS:multi-channel data acquisition,scm,analog,switching capacity目录前言1第1章 绪 论21.1 设计背景21.2 性能指标21.3 硬件设计方案21.4 软件设计方案3第2章 多路数据采集系统的硬件设计52.1 单片机控制模块52.2 模拟电压采集接口模块102.3 LCD显示模块112.4 电源模块12第3章 多路数据采集系统的软件设计153.1 主程序流程的设计153.1.1 开关量检测的软件设计163.1.2 LCD显示的软件设计173.2 定时中断的软件设计183.2.1 AD转换的
9、软件设计213.2.2 键盘扫描的软件设计25结论26参考文献27致谢28附录29前言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。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。因为由微处理器去完成程序控制,数据处理及大部分逻辑操作,使系统的灵活性和可靠性大大的提高,系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。而采用单片机实现的数据采集系统具有自动化和智能化等特点,使得它们在许多应用场合得到了广泛的应用。基于单片机的多路多路数据采集系统是一种对单片机性能要求中等,结构简单,实用性较强的低
10、端电子产品,单片机作为核心器件,以其体积小、成本低、速度快、升级容易等优点具有很好的现实意义。本文介绍一种基于单片机的多路数据采集系统的设计。文中第一章简要介绍了该通用型多路数据采集系统的设计背景和总体方案。第二章介绍该多路数据采集系统的硬件设计,主要包括单片机控制模块、电源模块、模拟量采集接口模块、开关量采集接口模块、键盘输入模块和LCD显示模块。第三章介绍该多路数据采集系统的软件设计,主要包括主程序和定时中断服务程序的设计流程,以及AD转换、键盘扫描、LCD显示等底层程序的设计。本系统的控制中心是具有AD转换功能的STC12C5A60S2单片机,所以系统具有性价比高,处理能力强的优点。该系
11、统不仅可以对4路模拟电压信号进行采集,还可以对4路开关量进行检测,并实现LCD显示,具有很好的通用性。由于时间的限制及其本人的水平有限,设计中难免出现不妥或错误,恳请各位老师给予批评指教。第1章 绪 论1.1 设计背景采用单片机实现的数据采集系统具有自动化和智能化,接口简单灵活且有较高的数据传输率, 能够对实时数据做出快速响应并及时进行分析和处理等特点,使得它们在许多应用场合得到了广泛的应用。工业领域的现场信息是各种各样的,既有模拟量,也有数字量、开关量。所以设计一种能够采集多种信息的数据采集系统具有很重要的意义和价值。可以提高获取大量动态信息的能力,从而为提高产品质量,降低成本提供信息和手段
12、。1.2 性能指标随着工业自动化、智能化的提高,人们对数据采集系统功能和性能都提出了越来越高的要求。为了较好的满足这些需求,本设计的多路数据采集系统通过单片机的A/D和I/O口,实现对多路模拟信号和数字信号的采集,具有以下的功能和性能指标:(1)能够实现对4路模拟电压信号的采集;(2)能够实现对4路开关量的采集; (3)能数字显示采集结果。1.3 硬件设计方案根据多路数据采集系统具有的功能和性能指标,设计出来的多路数据采集系统的方案设计的硬件部分主要分为以下几个模块:单片机控制模块是整个系统的控制核心。它负责采集经处理过的电压,开关量信息,并送到LCD进行显示,控制和协调系统各模块的工作。模拟
13、量采集接口模块用于对模拟量进行预处理,使其转化为单片机能够处理的数字量。开关量采集接口模块用于对数字量进行预处理,使其转化为单片机能够处理的数字量。例如,单片机处理电压信号范围为0V5V,所以开关量的高电平状态的电平值要先转化为5V以下。键盘输入模块用于输入用户命令,如改变开关量状态,显示开关量等。LCD显示模块用来显示待采集的信号的数值或状态以及相关的提示信息。电源模块为各个模块提供工作电源。多路数据采集系统硬件部分的总框图如图1-1所示:图1-1 系统硬件的总框图1.4 软件设计方案根据方案要求多路数据采集系统软件部分采用结构化程序设计。采用结构化程序设计可以使程序结构清晰,层次分明,易于
14、编写与调试。本软件系统主程序的总框图见图1-2。图1-2 主程序的总框图主程序扫描键盘,显示相应的开关量状态。主程序和定时中断服务程序通过全局变量进行数据传递。定时中断服务程序向主程序递AD转换结果,供主程序计算模拟电压值。LCD显示程序接收数据,显示模拟电压值和开关量状态。第2章 多路数据采集系统的硬件设计在硬件的设计前期,根据框图对系统中可能出现的电路,进行了模拟实验,并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。在第一章中已分析了系统并绘制了框图,多路数据采集系统硬件设计部分采用模块化的设计思想,将整个系统分成几大模块:单片机控制模块、模拟量采集接口模块、开关量采集接口模块、LC
15、D显示模块和电源模块。通过模块化的方法先焊接和调试各个单元模块,最后进行组装和测试,从而使复杂的问题简单化,提高了系统设计的效率。第2章 2.1 单片机控制模块单片机控制模块是整个系统的核心。本系统采用STC12C5A60S2单片机为核心元件。单片机正常工作还需时钟电路、复位电路、串口通讯等辅助电路。1. 单片机电路STC12C5A60S2单片机的电路原理图见图2-1。图2-1 STC12C5A60S2单片机电路STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部
16、集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S,即25万次/秒),针对电机控制,强干扰场合。1. 增强型 8051 CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统80512. 工作电压:STC12C5A60S2 系列工作电压: 5.5V - 3.3V(5V单片机)STC12LE5A60S2 系列工作电压: 3.6V - 2.2V(3V单片机)3. 工作频率范围:035MHz,相当于普通8051的 0420MHz4. 用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字
17、节.5. 片上集成1280字节 RAM6. 通用I/O口(36/40/44个),复位后为:准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)可设置成四种模式:准双向口/弱上拉,强推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过120mA7. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器,可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)9. 看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时,复位脚可直接1
18、K电阻到地)11. 外部掉电检测电路: 在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.33V,误差为5%,3.3V 单片机为1.31V,误差为3%12. 时钟源:外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器(温漂为5% 到10% 以内)用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟,常温下内部R/C振荡器频率为:5.0V 单片机为: 11MHz 15.5MHz3.3V 单片机为: 8MHz 12MHz精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,以实际测试为准。13. 共4个16位定时器。两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0 和T1,没有
19、定时器2,但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器14. 2个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟15. 外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块,Power Down模式可由外部中断唤醒,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RXD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2), CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)16. PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路)- 也可用来当2路D/A
20、使用- 也可用来再实现2个定时器- 也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)17. A/D转换, 10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18. 通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051可再用定时器或PCA软件实现多串口19. STC12C5A60S2系列有双串口,后缀有S2标志的才有双串口,RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2),TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)20. 工作温度范围:-40 +85(工业级) / 0 75(商业级)21. 封装:LQFP-48, LQFP-44, P
21、DIP-40, PLCC-44, QFN-40I/O口不够时,可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口,或用双CPU,三线通信,还多了串口。2. 时钟电路单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的,而片内的时钟产生有两种方式:内部时钟方式和外部时钟方式。采用内部时钟方式时,片内高增益反向放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体(呈感性)与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供震荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率,一般晶体可在1.2-12MHz之间任选。电
22、容的值有微调作用,通常取30pF左右。在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振,51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度,频率越大处理速度越快。起振电容C7、C8一般采用1533pF,并且电容离晶振越近越好,晶振离单片机越近越好。图2-2 时钟电路3. 复位电路为确保单片机系统中电路稳定可靠工作,复位电路是必不可少的一部分,复位电路的第一功能是上电复位。一般单片机电路正常工作需要供电电源为5V5%,即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路,它需要稳定的时钟信号,因此在电源上电时,只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时,复位信号才被撤除,单片机电
23、路开始正常工作。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时,则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。VCC上电时,C充电,在10K电阻上出现电压,使得单片机复位;几个毫秒后,C充满,10K电阻上电流降为0,电压也为0,使得单片机进入工作状态。工作期间,按下S,C放电。S松手,C又充电,在10K电阻上出现电压,使得单片机复位。几个毫秒后,单片机进入工作状态。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒,所以,完全能够满足复位的时间要求。图2-3 复位电路4. 串口通讯电路STC12C5A60S2单片机有一个全双工
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