毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计Word文件下载.docx

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综上所述本次设计是从生产需要出发，低成本的多路数据采集系统的设计，配以不同的传感器完成各类数据的采集、显示、控制与数据汇总保存，单机实现

过去多台仪器仪表所具备的功能。

3系统硬件设计

3．1系统整体设计方案

本设计采用8路输入，每路输入能支持多种形式的传感器接入：

电阻式（如：

热电阻）、毫伏信号（如：

热电偶）及标准信号输入（如：

1~5VDC，4~20mA），对于不同传感器接入信号，能进行软件整定与校正；

采用4个操作按钮，6位数码管作为显示，其中4位数码管用于显示数据，2位数码管显示功能号或通道号；

对每个通道，传感器参数与工程参数都可以通过键盘设定。

通常情况下，仪表自动循环显示多路数据，也可通过键盘固定显示任一路数据。

硬件总体结构：

硬件部分是整个仪表的重要部分，其设计的好坏直接影响到整机的性能，本仪器以AT89C51单片机为核心。

整个硬件系统分为以下几个模块：

传感器模拟信号采集处理模块，A/D转换模块，键盘及显示模块，单片机系统模块及报警控制模块。

图1.系统方框图

3.2多路信号采集模块

3.2.1模拟信号放大电路

由于有些传感器的输出电流或电压不足以进行A/D处理，需要对信号进行转换和放大。

由于LM324四运算放大电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此本设计采用LM324作为运算放大器。

模拟信号放大电路如下图所示。

图2.模拟信号放大电路

放大倍数为1+Rf/R=1+10=11。

通过增加或去掉电阻R6可分别接收电流与电压信号。

3.2.2多路信号采集通道的选择

在本设计中，输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道结构。

本系统采用多路分时的模拟量输入通道。

这种结构的模拟量通道特点为：

（1）对ADC要求高。

（2）处理速度慢。

（3）硬件简单，成本低。

（4）软件比较复杂。

图3.多路信号采集框图

3.2.3多路信号采集的实现

本设计系统为八路的温度信号采集，而ADC0804仅为一路输入，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图所示

图4.多路模拟输入电路图

3.2.4多路模拟开关CD4051

多路开关，又称“多路模拟转换器”。

多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。

反之，当模拟信号有公共输出端输入时，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。

因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件[4]。

所以本设计选用CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。

该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。

3.2.5多路模拟开关工作原理

CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。

其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下：

表1.CD4051八路通道关系表

输入状态

接通

通道

INH

C

B

A

1

5

6

0

2

7

3

x

均不显示

4

3.3A/D转换模块

为了把温度、湿度等信号采集电路测出的模拟信号转换成数字信号送CPU处理，本系统选用了A/D转换器ADC0804，它精度高，速度快。

由于ADC0804芯片只有一路输入，而本系统检测的多路信号输入，故选用多路选择电子开关CD4051，可输入多路模拟量。

3.3.1ADC0804主要技术指标

（1）高阻抗状态输出

（2）分辨率：

8位（0~255）

（3）存取时间：

135ms

（4）转换时间：

100ms

（5）总误差：

-1~+1LSB

（6）工作温度：

ADC0804C为0度~70度；

ADC0804L为-40度~85度

（7）模拟输入电压范围：

0V~5V

（8）参考电压：

2.5V

（9）工作电压：

5V

（10）输出为三态结构

3.3.2ADC0804特点及工作原理

模数转换采用ADC0804,对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，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[5]。

ADC0804有20个引脚，其中11-18管脚为数字信号输出端，与单片机P1口相连；

cs为片选端，接单片机P3.5口，WR接P3.6口，RD接单片机P3.7口。

CLK为时钟输入信号线,因ADC0804的内部有时钟电路，只要在外部“CLKR”和“CLKIN”两端外接一电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟。

通常使用2.5V作为为参考电压输入。

INTR为中断控制信号，接单片机外部中断端口，当A/D转换完后向单片机发出中断信号，等待读走数字信号，INTR也空可置不接，因为当启动A/D后一段时间后模数转换完后，等待一段时间后单片机也可以读走数字量。

图5.多路模拟开关及A/D转换电路图

3.4单片机系统模块

3.4.1AT89C51单片机的基本功能

AT89C51具有以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位[6]。

3.4.2AT89C51单片机基本工作电路

AT89C51单片机正常工作，必须连接基本电路。

基本电路包括晶振电路和复位电路[7]。

1.晶振电路

单片机的时钟信号通常有两种产生方式：

一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。

外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。

本设计所采用的是内部时钟方式。

在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。

C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振。

本电路选用晶振12MHz，C1=C2=30pF。

2.复位电路

复位是使单片机处于某种确定的初始状态。

单片机工作从复位开始。

在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。

复位操作有两种基本方式：

一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。

本设计采用了后一种复位电路。

当RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。

若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。

选择C3=10µ

F，R1=10KΩ[7]。

图6.AT89C51单片机管脚及基本工作电路图

3.5键盘显示模块

本设计键盘显示模块采用4个操作按钮，6位数码管作为显示。

其中4位数码管用于显示数据，2位数码管显示功能号或通道号；

3.5.1键盘控制电路设计

键盘控制电路由按键及其接口构成，键盘是单片机最简单的输入设备。

常用键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘[8]。

本系统的输入控制简单，采用独立式键盘及接口电路。

输入电路由4个按钮开关、4个10欧的限流电阻组成；

键扫描识别采用软件查询的方法。

图7.键盘输入控制电路

表2.四个独立键盘对应功能表

按键

键名

功能

S2模式切换键自动循环显示与固定显示切换

S3参数设定键传感器参数设定

S4参数设定键工程参数设定

S5通道切换键切换固定显示通道

3.5.2LED显示器的简介

LED显示器是由发光二极管组成，其中7个发光二极管按“8”行排列，用于显示数字，字母等符号，一个发光二级管圆点形状，右下角用于显示小数点，LED显示器共阴极和共阳极两种类型。

当发光二极管导通时，相应的一段笔画成小数点亮，对共阴极显示器，将共阴极COM接地，在a_q段加驱动信号，当驱动信号是高电平时，相应段发光；

对共阳极显示器，将共阳极COM极接高电平，在a_q段几加驱动信号，当驱动信号是低电平时，相应段发光，从而显示相应字符。

不同的显示字符其驱动代码是不一样的，发光二极管每段流过5mA的平均电流就可以有较满意的亮度，最大电流不得超过30A，由于发光二极管是电流驱动设备，一般的I/O接口驱动能力是都是有限的，在发光二极管与接口芯片间要接驱动电路，常用的CMOS或TTL驱动器有：

74LS164,CD4094等。

3.5.3LED显示电路原理

采用LED数码管显示。

在单片机应用系统中LED显示器有动态和静态两种显示方式，所谓的静态显示方式就是需要在显示的字符各段通过连续的电流，动态显示方式就是需要显示的字符断续通过电流，对于动态显示，当需要显示多个字符时轮流给每个字符通以电流，由于轮流的速度很快，发光二极管的余辉以及人的视觉暂留等因素，虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但人们看起来都是所有的显示器都稳定的显示。

动态显示的特点是：

单片机既要控制数码管的公共端又要控制各段发光二极管。

各数码管的相应显示发光二极管的段选信号都并联起来，接单片机的同一个I/0口，单片机控制数码管公共端的信号，称为位选信号，控制数码管各显示字段的信号称为段选信号，需要在哪些数码管上显示，先输出位选信号，选中该数码管，再输出段选信号，显示一位字符，需要显示每个字符时，用扫描的方法，依次向各个数码管输出位选信号和段选信号，显然每一瞬间只有一个数码管点亮，但由于扫描频率高，所以看上去，就好象所有的数码管都同时点亮（20ms扫描一次）[9]。

3.5.4LED显示电路的设计

在本系统中，需要显示6位数字，显示数字位数较多，而且需要循环显示。

综合比较静态显示方式和动态显示方式，同时结合本设计的实际情况，选择动态显示方式。

显示模块中，单片机AT89C51的P0.0-P0.7端作为数据输出，连接到两个锁存器74HC573对应的输入端D0-D7。

6位数码管段选线并联在一起与其中一个锁存器U1的Q0-Q7端相连，6为数码管位选与另一个锁存器U2的Q0-Q5端相连。

锁存器U1的锁存端与单片机P2.6端相连，锁存器U2的锁存端与单片机P2.7端相连。

图8.LED显示电路

3.6报警控制模块

在实际应用中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。

其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示。

3.6.1报警控制电路结构

报警控制电路由单片机AT89C51的P3.3端作输出，通过一个限流电阻与三极管C945的基极相连接。

三极管C945集电极连接压电蜂鸣器（BUZZER）的一端。

压电蜂鸣器的另一端连接电源。

报警控制电路如下图所示。

图9.报警工作电路

3.6.2报警控制电路工作过程

（1）压电蜂鸣器工作原理

压电蜂鸣器以压电陶瓷制作而成。

压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。

当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，电流的变化与压力的变化密切相关。

反之，当在压电陶瓷上加上一定频率的电压，就会在内部产生一定频率的电流，从而就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动。

如果频率适当，就产生蜂鸣声，可以被人耳所听见[10]。

（2）报警控制电路工作过程

报警控制信号由单片机AT89C51的P3.3端输出，通过一个限流电阻加到三极管C945的基极。

当P3.3端的输出信号发生变化时，则三极管C945将交替的工作于截止、饱和状态，形成高低电平的波，从而使压电蜂鸣器发出声音。

4系统软件设计

4.1系统总体软件设计

在本程序的设计中，A/D转换是通过每次转换完成后单片机延时接收转换结果，并将转换结果送入处理器的存储器中保存；

因为在硬件结构时，就采用了独立键盘的结构，所以键盘子程序采用查询方式，以保证处理器始终都在监视键盘的动作；

显示子程序采用单独的子程序，作为主程序的调用子程序，以保证LED管的连续显示。

主程序流程图如图10。

将键盘查询子程序和显示调用子程序作为它的程序运行的循环环节；

A/D转换中断处理子程序，采用中断处理程序，保持了检测信号的不断及时更新；

显示子程序直接通过单片机的端口，不停的送出字位显示和字数的显示；

键盘处理子程序，键盘采用独立键盘，在有键按下时，首先判断那个键按下，然后根据相应的键作出相应的处理，在此程序中，键盘采用的是脉冲式按键方式，按键按下一下，处理器作出一次相应的回应,当采集信号超过报警值时，蜂鸣器发出报警。

图10.主程序流程图

4.2信号采集分析模块软件设计

4.2.1信号采集控制逻辑

将传感器输出经调整后的模拟电压输入转换器进行A/D转换，采用ADC0804其操作时序图如下

图11.ADC0804控制信号时序图

由ADC0804的时序可以知道，转换过程由一个写信号启动，转换完成后，输出INTR信号，此时可以读取数据。

之后可以进入下一个转换周期。

由ADC0804的转换时间可知，其最大采集频率为10KHZ，只要用户设置的采样频率不超过这个数值，ADC0804就可以正常的工作。

综合以上考虑，设计时要注意两点：

（1）写信号的频率要低于ADC0804的最大转换频率。

（2）在写信号之后至少要有100us的时延，才能输出读信号。

在此，提出两种方法来实现ADC0804的控制信号时序：

（1）主动模式，在这种模式下，控制电路启动A/D转换后，在INTR信号的作用下，输出读信号，同时从ADC0804的数据总线上读入数据，之后输出一个写信号，开始下一次转换。

由于这种方式是异步进行的，读写信号彼此之间交互的产生，因此，能够满足上面提出的两点要求。

采用这种方式，其难易程度与ADC0804外部电路的接法密切相关。

（2）被动模式，在这种模式下，ADC0804的读写信号完全由控制电路按照固定的时序产生，与其自身输出无关。

采用这种方式，可以不考虑ADC0804的输出，读写信号的产生只是用到了一个计数器，实现起来比较简单，而且，只要采集频率不是很高，那么，就可以很容易满足ADC0804控制信号的时序要求。

4.2.2ADC0804转换及数据的读取

ADC0804用脉冲启动信号。

AT89C51发出指令使CS和WR同为低电平时，A/D转换被启动，ADC0804开始工作。

A/D转换被启动而在WR上升沿后100μs完成数模转换，同时INTR自动变为低电平，表示本次转换已经结束。

图12.A/D转换流程图

89C51要接收ADC0804转换后的数字信号。

A/D转换结束时，A/D转换芯片输出转换结束信号。

89C51A/D转换结束后即可读取转换后数据。

89C51一般可以采用3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。

本设计采用延时方式进行89C51和ADC0804间的数据读取。

采集数据时，首先89C51执行一条传送指令，在该指令执行过程中，89C51在控制总线的同时产生CS、WR低电平信号，启动A/D转换器工作，ADC0804经100μs后将输入的模拟信号转换为数字信号存在输出锁存器中，并在INTR端产生低电平表示转换结束。

当89C51设定接收延时时间到时，立即执行输入指令，以产生CS、RD低电平信号到ADC0804相应引脚，将数据取出。

A/D转换子程序

;

ADC0804端口定义

*********************************************

cs 

equ 

p3.6 

;

定义AD的片选信号线

wr 

p2.0 

定义AD的写入数据线

rd 

p3.7 

定义AD的读入数据线

out 

p1 

定义AD转换后的数字信号送P1口

=============================================

org 

0000h

ajmp 

main

org 

004h

main:

主程序

lcall 

Start 

调启动转换子程序

delay1ms 

延时1ms

read 

调读取转换结果子程序

clr 

wr

mov 

p0,a 

送P0口显示当前AD转换结果

A/D转换开始

Start:

选中ADC0804

nop

setb 

cs

ret

读A/D转换结果

Read:

movout,#0ffh

clrcs

clrrd

mova,out;

setbrd

setbcs

延时1ms子程序

delay1ms:

movr1,#2

tt1:

movr0,#250

djnzr0,$

djnzr1,tt1

图13.信号采集子程序流程图

4.3键盘与显示模块软件设计

4.3.1键盘扫描子程序

键盘扫描子程序对按下的键进行判断，并转到按下的相应键对应的程序段，执行相应的功能。

4.3.2按键产生抖动原因及解决方案

实际中，在按下某个键时，被按按键的弹簧总会有轻微的抖动。

t1，t3分别是闭和和释放的抖动时间，抖动时间的长短与按键的机械特性有关，一般为5ms-20ms。

为确保CPU对键的一次闭和仅做一次处理，必须去抖动，这可以分别通过软件和硬件两种方法实现。

如果用硬件来实现去抖动，那就需要增加必要的元器件这样就使得电路变的复杂，而且也不经济，所以本设计选用了软件去抖动的方法

具体实现的方法就是，当CPU检测到有按键按下后通过软件延时（5ms-20ms）一段时间后再进行扫描，如果延时后检测到仍然有键按下，这时才读取键值并存入寄存器，从而达到了去抖动的效果。

4.3.3窜键的处理

用户在操作时常常因不小心同时按下了一个以上