毕业设计(论文)基于单片机的多路数据采集系统设计.doc
《毕业设计(论文)基于单片机的多路数据采集系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)基于单片机的多路数据采集系统设计.doc(41页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、毕 业 论 文(设 计)中文题目:基于单片机的多路数据采集系统的设计 英文题目:The Design of Multi-channel Data Acquisition System Based on Single Chip Microcomputer 姓 名 XXXXX 学 号 XXXXXXXXX 专业班级 XXXXXXXXXXXXX 指导教师 XXXXXXX 提交日期 XXXXXXXXXXXXXXXX 基于单片机的多路数据采集系统的设计摘 要数据采集的方式很多,随着科技的快速发展,单片机的应用正在不断地走向深入,同时也带动数据采集系统日新月异地更新。本系统采用MSC-51系列单片机AT89
2、C52为核心器件来进行数据采集系统的设计,利用AT89C52控制ADC0809来将模拟信号转换为数字信号,并将转换得到的数据反馈给AT89C52进行数据采集,并通过AT89C52控制 LED数码管显示模拟电压值。本系统成本低、实用性强、操作简单。关键词 数据采集 单片机控制器 设计 目 录1前言11.1 研究背景及意义11.2数据采集系统概述22系统的总体设计32.1设计要求32.2设计方案的确定33 系统原理和硬件电路设计43.1 正弦信号发生模块设计43.1.1 精密波形发生器ICL80385 3.1.2 信号放大整形器件LM35863.2 频率电压变换模块设计63.2.1 F/V转换器L
3、M33173.2.2 信号调理器件LM32483.3 模数转换模块设计83.3.1 A/D转换ADC080993.3.2 分频器103.4 控制器模块设计113.4.1 AT89C52RC单片机113.4.2 AT89C52RC单片机主要性能参数113.4.3 AT89C52RC单片机最小系统的设计133.4.4 单片机时钟电路143.4.5 单片机复位电路143.5 LED数码管显示模块的设计153.5.1 LED数码管显示器的结构原理153.5.2 显示驱动芯片74HC573164 软件设计184.1 程序整体设计184.2 按键及其程序设计194.3 AD转换程序设计195 系统调试及总
4、结205.1 硬件调试205.1.1 数码管显示测试205.1.2 AD转换测试215.1.3 整体电路测试215.2 软件调试225.3 总结23致谢24参考文献25附件一 程序27附件二 产品原理及实物图371 前言1.1 研究背景及意义近年来,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
5、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、仪表同计算机融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
6、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
7、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
8、采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2 数据采集系统概述数据采集,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。数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。现代测量中,远距离多路测量已成为日益重要的测量技术,广泛应用于粮库、油田、矿井以及饭店等需要同时监控多路温度、湿度、瓦斯含量等场合。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。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。使用单片机进行控制可提
9、高系统智能化、可靠性、实用性。70年代初,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。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地提高,系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。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,他需要考虑的指标有: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,数据传输等一系列的任务。在该系统中
10、采用的是8051系列的单片机。而数据的显示则采用的是LED数码管。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。2 系统的总体设计2.1 设计要求设计实现一种基于单片机的多路数据采集系统。要求:具有现场采集和显示功能。采集方式可控制。现场模拟产生一正弦波信号,实现频率到电压的变换,从而供给单片机进行数据采集和显示,采集可控制,通道可选择,能够同时显示地址和相应的数据。要求熟悉单片机电路和编程、A/D转换和动态显示等知识。 2.2 设计方案的确定方案一:该方案系统原理框图如图2-1所示,它能基本完成所要求实现的功能。ATMEL单片机的ATMEGA16芯片,该芯
11、片自带有一个10位的逐次逼近型ADC。但是存在不足之处是:外接器件太多,接线不方便,编程不方便,RS232接口编程不方便。图2-1 方案一方案二:系统原理框图如图2-2所示,它能完成所要求实现的全部功能。ADC0809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,能对8路单端输入电压进行采样,实现数据采集和A/D转换的功能。此方案具有结构简单,成本低廉元件少、实时性强等优点。其中:AT89C52 ( 主控芯片) : CPU 作为该系统的核心控制芯片, 起采集、控制显示的作用。显示模块:采用单个和四位一体共阴LED数码管各一个,分别用来显示通道号和采集到的数值。模数转
12、换模块:采用ADC0809进行模拟信号到数字信号的转换,以供给单片机采集数据。F/V转换模块:频率到电压的转换,采用精密的频率电压(F/V)转换器LM331。信号发生模块:高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲的波形发生器ICL8038。正弦波发生器ICL8038MCU89C52信号放大及整形其他6路电阻分压信号F/V转换LM331数码管显示按键控制电源模数转换ADC0809信号放大及调理图2-2 方案二鉴于上面两种方案,在价格、转换速度、实用等多种标准考量下,本设计选用方案二。3 系统原理和硬件电路设计3.1 正弦信号发生模块设计 设计要求制作一个正弦波发生器,控制振荡频率在200Hz到20
13、00Hz范围变化,并达到尽可能好的R/F线性度,从而保证经F/V变换后,使R/V之间具有良好的线性度关系。正弦信号发生模块主要采用集成函数发生器ICL8038,ICL8038函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片,具有电源电压范围宽、稳定度好、精度高等优点,可同时产生方波、三角波和正弦波。ICL8038及外围电路如图3-1所示,由8脚输入外部控制电压,调节电位器P1即可使2脚输出的正弦波信号频率发生变化,实现外部压控振荡。10,11脚之间接001 F的振荡电容,4,5脚接电阻和电位器,调节正弦波失真。图3-1 ICL8038及外围电路3.1.1 精密波形发生器ICL8
14、038图3-2为ICL8038的管脚图,下面介绍各引脚功能。脚1、12(SineWaveAdjust):正弦波失真度调节Du;脚2(SineWaveOut):正弦波输出;脚3(TriangleOut):三角波输出;脚4、5(tyCycleFrequency):方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节;脚6(V):正电源10V18V;脚7(FM Bias):内部频率调节偏置电压输;脚8(FM Sweep):外部扫描频率电压输入;脚9(Square Wave Out):方波输出,为开路结构;脚10(TimingCapacitor):外接振荡电容;脚11(VorGND):负电原或地;脚13、14(
15、NC):空脚。图3-2 ICL8038管脚图3.1.2 信号放大整形器件LM358图3-3为采用LM358设计的信号放大整形及调理电路。图3-1中由ICL8038产生的正弦波信号先经过1 F电容高通滤波,再经LM358反向放大2倍,然后经比较器,输出对应频率的方波信号,作为LM331的输入。图3-3 放大整形电路3.2 频率电压变换模块设计频率电压变换模块的设计采用集成芯片LM331,LM331采用新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到5O V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽,可达100 dB;线性度好,最大非线性失真小于O01,工作频率低到01 Hz时尚有较好的
16、线性度;转换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成VF或FV等变换电路,并且容易保证转换精度。本系统中的所设计的频率电压变换电路如图3-4所示。电路中的电位器P1调节零点,使频率为200Hz时输出为1V;电位器P1调节满度,使频率为2000Hz时输出为5V,重复调节数次即可调整好。 图3-4 LM331外围电路3.2.1 F/V转换器LM331图3-5为LM331的内部逻辑图,下面介绍各引脚功能。图3-5 LM331的内部逻辑图LM331可用作精密的频率电压(F/V)转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331为双列直
17、插式8脚芯片,LM331内部有(1)输入比较电路、(2)定时比较电路、(3)R-S触发电路、(4)复零晶体管、(5)输出驱动管、(6)能隙基准电路、(7)精密电流源电路、(8)电流开关、(9)输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式,因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外,LM331可采用单/双电源供电,电压范围为440V,输出也高达40V。引脚1为电流源输出端,在引脚3输出逻辑低电平时,电流源输出对电容CL充电。引脚2为增益调整,改变RS的值可调节电路转换增益的大小。引脚3为频率输出端,为逻辑低电平,脉冲宽度
18、由Rt和Ct决定。引脚4为电源地。引脚5为定时比较器正相输入端。引脚6为输入比较器反相输入端。引脚7为输入比较器正相输入端。引脚8为电源正端。3.2.2 信号调理器件LM324200 Hz2 kHz的方波信号经过LM331频率电压变换芯片后,产生的信号Vo为O22222 V,为符合200 Hz2 kHz对应于15 V,故需对Vo进行调理,方案中的运算电路如图3-6所示。图3-6 放大整形电路3.3 模数转换模块设计ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时,所有内部寄存器清零;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
19、;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。V0是正弦波经F/V转换后得到的电压信号,其他IN1-IN6为电阻分压信号,IN7待用。D7D0 为数字量输出线,输出到单片机的P2.0口。CLK 为时钟输入信号线。因ADC0809 的内部没有时钟电路,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74LS74四分频以后接到ADC0809的CLK口。图3-7 A/D转换模块3.3.1 A/D转换ADC0809AD0809 的逻辑结构:ADC080
20、9 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1)。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 端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3-8 ADC0809 内部结构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,电压范围是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
21、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。通道选择表如下表所示。C B A 选择的通道:表3-1 通道选择编码CBAINCBAIN000IN0100IN4001IN1101IN5010IN2110IN6011IN3111IN73.3.2 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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 基于 单片机 路数 采集 系统 设计
![提示](https://www.31ppt.com/images/bang_tan.gif)
链接地址:https://www.31ppt.com/p-3980405.html