单片机数据采集课程设计.docx
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单片机数据采集课程设计.docx
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单片机数据采集课程设计
单片机数据采集控制系统
0.前言
单片机的应用简介
单片机是一种集成在电路芯片,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计算机系统。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
(1).在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
(2).在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
(3).在家用电器中的应用
可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
(4).在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。
(5).单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
(6).在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。
如:
音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。
在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。
(7).单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器,GPS导航系统,abs防抱死系统,制动系统等等。
此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.课程设计的目的和要求
1.1.课程设计的目的
运用单片机原理及其应用等课程知识,根据题目要求进行软硬件系统的设计和调试,从而加深对本课程知识的理解,把学过的比较零碎的知识系统化,比较系统的学习开发单片机应用系统的基本步骤和基本方法,使学生应用知识能力、设计能力、调试能力以及报告撰写能力等有一定的提高。
1.2.课程设计要求
用8051单片机设计数据采集控制系统,基本要求如下:
1、可实现8路数据的采集,假设8路信号均为0-5V的电压信号;
2、采集数据可通过数码管显示,显示格式为:
[通道号]电压值,如[01]4.5
3、可通过键盘设置采集方式;(单点采集、多路巡测、采集时间间隔*)
4、具有异常数据声音报警功能:
对第一路数据可设置正常数据的上限值和下限值,当采集的数据出现异常,发出报警信号。
5、可输出8路顺序控制信号,设每路顺序控制信号为一位,顺序控制的流程为:
6、可输出频率为1kHZ的方波,三角波,正弦波*。
选做功能:
1、异常数据音乐报警
2、输出方波,三角波,正弦波频率可调
2.总体设计
2.1.系统框图
2.2.设计原理
数据采集系统,从严格的意义上来说,应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测,并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息,供显示、记录、打印或描绘的系统。
数据采集形同一般有数据输入通道,数据存储与管理,数据处理,数据输出及显示这五个部分组成。
输入通道要实现对被测对象的检测,采样和信号转换工作。
数据存储与管理要用数据存储器把采集到的数据存储起来,建立相应的数据库,并进行管理和调用。
数据处理就是从采集到原始数据中,删除有关干扰噪声,无关信息和必要的信息,提取出反应被测对象特征的重要信息。
另外,就是对数据进行统计分析,以便于检索;或者吧数据恢复成原来物理量的形式,以可输出的形态在输出设备上输出,例如打印,显示,绘图等。
数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。
本课程设计以单片机AT89C51芯片为控制核心和数据采集电路、LED数码管显示电路以及供电系统四大部分构成数据采集和功能显示。
当有模拟信号输入时,单片机控制A/D转换器,把要输入的模拟信号转换成相应的数字信号存入到单片机的内存中,再控制LCD显示驱动器把内存中的数字信号显示出来。
通过键盘来改变LCD中显示的数据,把改变的数据通过控制D/A转换器输出成相应的模拟信号。
3.硬件设计
3.1.芯片介绍
(1)ADC0809芯片介绍
ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
主要特性:
1)8路8位A/D转换器,即分辨率8位。
2)具有转换起停控制端。
3)转换时间为100μs
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW。
内部结构:
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构如图13.22所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换、
外部特性(引脚功能):
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如图13.23所示。
下面说明各引脚功能。
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDAADDBADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入的一路
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START:
A/D转换启动信号,输入,高电平有效。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
地。
ADC0809的工作过程是:
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平是,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上
(2)MCS-51
MCS-51系列单片机是美国Intel公司开发的8位单片机,又可以分为多个子系列。
MCS-51系列单片机共有40条引脚,包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。
引脚说明:
P0.0~P0.7:
P0口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为存储器扩展时的地址/数据复用口。
P1.0~P1.7:
P1口8位口线,通用I/O接口无第二功能。
P2.0~P2.7:
P2口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为存储器扩展时传送高8位地址。
P3.0~P3.7:
P3口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为为单片机的控制信号。
ALE/PROG:
地址锁存允许/编程脉冲输入信号线(输出信号)
PSEN:
片外程序存储器开发信号引脚(输出信号)
EA/Vpp:
片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚
RST/VPD:
复位/备用电源引脚
(3)DAC0832
芯片介绍:
DAC0832是美国数据公司的8位D/A转化器,片内带数据锁存器,电流输出,输出电流稳定时间为1μm,功耗为20mW,其引脚说明如下:
D0~D7:
数据输入线,TTL电平
ILE:
数据锁存允许控制信号线
CS:
片选信号线,低电平有效
WR1:
数据锁存器写选通输入线,负脉冲有效
XFER:
数据传输控制信号输入线,低电平有效
WR2:
DAC寄存器写选通输入线,低电平有效
IOUT1:
电流输出线,当DAC寄存器为全1时电流最大
IOUT2:
电流输出线,其值与IOUT1之和为一常数
Rfb:
反馈信号输入线,调整Rfb端外接电阻值可以调整转换满量程精度
Vcc:
电源电压线,为+5V~+15范围
VREF:
基准电压输入线,范围为:
-10V~+10V
AGND:
模拟地
DGND:
数字地
(4)74LS138
74LS138是一个3-8译码器,共16个引脚,其引脚说明如下:
A、B、C:
选择端即信号输入端
E1、E2、E3:
使能端,其中E1、E2低电平有效,E3高电平有效
Y0~Y7:
译码输出信号,始终只有一个为低电平
Vcc:
电源端,+5V
GND:
线路地
(5)74LS273管脚功能:
74LS73中文资料:
是带有清除端的8D触发器,只有在清除端保持高电平时,才具有锁存功能,锁存控制端为11脚CLK,采用上升沿锁存。
CPU的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK端相连。
1).1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位;
(2).当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上.
第一脚WR:
主清除端,低电平触发,即当为低电平时,芯片被清除,输出全为0(低电平);
CP(CLK):
触发端,上升沿触发,即当CP从低到高电平时,D0~D7的数据通过芯片,为0时将数据锁存,D0~D7的数据不变
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