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1、摘要由于数据采集系统的应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多、对测量的要求也越来越高，国内现在已有不少数据测量和采集的系统，但很多系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。在分析了不同类型的单片机的特点及单片机与PC机通信技术的基础上，设计了单片机控制的采集系统，并通过串口通信实现单片机与PC机之间的通信，实现数据的传送并将数据在PC机上显示，完成单机的多通道数据采集系统的设计及实现。研究了PC机与单片机通信的分布式结构的通信方式及总线特点，设计了基于RS-232总线的多通道的数据采集系
2、统，并给出了该系统硬件、软件实现的方法及该系统的性能测试及分析。基于单片机的多通道数据采集系统是信号输入AD转换为数字信号后由单片机采集，然后利用单片机与PC机的通信将数据送到PC机进行数据的存储、后期处理与显示，实现了数据处理功能强大、显示直观、界面友好、性价比高、应用广泛的特点。关键词：多通道；数据采集；单片机；通信设计：基于单片机分布式数据采集系统设计作者：birdgu联系方式邮箱：lihuaijin1989需要源文件、上位机文件、仿真图可发消息至QQ注：说明来意，祝君圆满完成设计日期：2013年6月AbstractSince the wide range of data acquisi
3、tion system, which involves the measurement signal and the type of signal source more and more, surveyors are inceresingly high requirements of the domestic now have a lot of data acquisition and measurement system, but there are many single function systems, collecting less access, low collection r
4、ate, complicated operations, and the demands of the test environment and other issues. It requires a broad scope of application, high reliability and low-cost data acquisition system. Based on the analysis of the characteristics of different types of SCM and PC communication technology infrastructur
5、e, SCM control of the collection system designed and adopted MCU serial Communication between PC and communications, Data transmission and display of data stored on the PC. Single completed the multi-channel data acquisition system design and implementation. Of the PC and communications distributed
6、MCU bus structure and communication features design based on the RS-232 aircraft multi-channel data acquisition system, and gives the system hardware. Software methods and the performance of the system was tested and analyzed. Based on SCM multi-channel data acquisition system is adopted will come f
7、rom the sensor signal amplification, linear filtering. After processing maintain synchronous sampling, which converted to digital signal input A/D conversion by SCM acquisition , then, SCM and PC communications data to the data storage, post-processing and display, a powerful data processing, visual
8、 shows, friendly interface and high performance-price ratio, a wide rang of features.Key words: Multi-Channel；Data Acquisition；Microcontroller；Communication目录摘要 Abstract1 绪论11.1 研究背景及目的意义11.2 国内外研究现状21.3 该课题研究的主要内容32 数据采集42.1 数据采集系统42.2 器件选择52.2.1 A/D模数转换的选择52.2.2单片机的选择62.2.3 串行通信方式和接口选择82.2.4 显示部分1
9、12.2.5 电压表112.3小结113 硬件部分133.1 硬件电路概况133.2 单片机133.3单片机的最小系统143.4 LCD显示电路173.5串行口通信183.6 A/D转换电路213.7小结244 软件部分254.1 单片机程序设计254.2 上位机程序设计264.2.1登陆系统和主界面274.3.2实时曲线305 调试与结果33总结与体会34致 谢35参考文献36附录137附录238IV1 绪论1.1 研究背景及目的意义近年来，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
10、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、仪表同计算机溶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
11、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、
12、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
13、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采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2 国内外研究现状数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。我国
14、的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传
15、感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件：中文及英文的应用软件。受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。1.3 该课题研究的主要内容本论文研究的是具有构造简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域的基于单片机的多通道信号采集系统。在硬件结构上，
16、它主要由单片机(MCU)、A/D转换器、与PC机联接的通信电路、PC机等。在软件结构上，它主要由多路信号采集，PC机与单片机通讯，数据实时动态显示，数据处理及保存等程序。本论文主要对基于单片机的多通道信号采集系统的结构及功能进行分析，并分别设计与实现基于单个单片机的多通道信号采集系统及基于多个单片机的多通道信号采集系统，完成并进行性能分析。本文的工作主要分为两个部分内容：(1)研究基于单机的多通道数据采集系统的设计及实现。该工作是在分析了不同类型的单片机的特点及单片机与PC机通信技术的基础上，设计了单片机控制的采集系统，并通过串口通信实现单片机与P(规之间的通信，实现数据的传送并将数据在PC机
17、上显示及存储。(2)研究基于多机的多通道数据采集系统的设计与实现。该项工作是研究了PC杌与多单片机通信的分布式结构的通信方式及总线特点，设计了基于RS-232总线的多机多通道的数据采集系统，并给出了该系统硬件、软件实现的方法及该系统的性能测试及分析。2 数据采集2.1 数据采集系统数据采集，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。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
18、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。在该系统中采用的是MCS-51系列的单片机。与上位机通信可以由芯片MAX232实现通信。而数据的显示则采用的是LCD液晶显示器，该器件比较简单，在生活中接触也较多。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
19、组成。完成毕业设计所需要的系统框图如图2.1所示。A/D转换器单片机上位机MAX232采集信号图2.1 系统框图2.2 器件选择2.2.1 A/D模数转换的选择1、AD转换器种类A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。(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。(
20、3)并行式A/D转换器：它又被称为flash（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。2、AD转换器主要指标（1）分辨率（Resolution）。指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。（2）转换速率（Conversion Rate）。是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样
21、时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率（Sample Rate）必须小于或等于转换速率。因此习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是Ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（Kilo/Million Samples Per Second）。（3）量化误差（Quantizing Error）。由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。（4）偏移误差（Offset Error
22、）。输人信号为雷时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。（5）满刻度误差（Full Scale Error）。满刻度输出时对应的输人信号与理想输人信号值之差。（6）线性度（Lineafity）。实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上3种误差。AD的其他指标还有绝对精度（Absolute Accuracy）、相对精度（Relative Accuracy）、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真（THD，Total Harmonic Distotortion）和积分非线性等。结合以上原则，同时参考价格和实用性比较，ADC0808总的不可调误差为2LSB，转换时间取决于时钟频率，单
23、一电源，具有可控三态输出缓存器，使用时不需要进行零点和满刻度调节。虽然ADC0808性能参数并不是最佳，但由于价格便宜，同时能够完全满足设计的基本需要，加之，ADC0808能够在Protues中仿真使用，故，本设计选用ADC0808。2.2.2单片机的选择单片机自70年代问世以来得到了蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善先后经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。针对所做设计中所要使用的单片机进行了如下简短的比较。1、51系列优点：51单片机属于基本型它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器。51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复
24、位时，各I/O口均置高电平）。缺点： 51系列的在进行乘法和除法运算时精度不高。因为它内部寄存器在进行八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。I/O口输出时无驱动能力。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十A甚至更小，基本上没有驱动能力。因为其在高电平时该脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得用外电路来实现。 运行速度慢，当晶振频率为12MHz时
25、，机器周期达1us，适应不了现代高速运行的需要。此外它还具有体积大、ROM少等缺点。2、PIC系列优点： CPU采用RISC结构，而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。总线采用Harvard双总线结构，运行速度快(指令周期约160200ns)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令。因此提高了运行速度。PIC系列单片机的I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电
26、平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有一定的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示。具有在线调试及编程（ISP）功能。精度较51也有明显的改善。 具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。缺点：该系列单片机的专用寄存器（SFR）并不像51系列那样都集中在一个固定的地址区间内(80FFH)，而是分散在四个地址区间内，即存储体0（Bank0：007FH）、存储体1(Bank1 ：80FFH)、存储体2(Bank2 ：10017FH)、存储体3(Bank3 ：18
27、01FFH)。只有5个专用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、 INTCON在4个存储体内同时出现。在编程过程中，得反复地选择对应的存储体这多少给编程带来了一些麻烦。PIC单片机的瓶颈现象严重。数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器W（相当于51系列的累加器A）来进行，而51系列的还可以通过寄存器相互之间直接传送(如：MOV 30H，20H；将寄存器20H的内容直接传送至寄存器30H中)，因而PIC单片机的瓶颈现象比51系列还要严重。3、AVR系列优点：高性能、高速度、低功耗。与PIC系列相当。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR的专用寄存器集中在00
28、3F地址区间，无需像PIC那样得先进行选存储体的过程，使用起来比PIC方便。AVR的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。虽不如PIC，但比51系列强。逻辑运算速度快。在51系列中，所有的逻辑运算都必须在A中进行；而AVR却可以在任两个寄存器之间进行，省去了在A中的来回折腾，这些都比51系列强。缺点：通用寄存器少通用寄存器R0R31就显得不够用；而51系列的通用寄存器多达128个（为AVR的4倍），编程时就不会有这种感觉。系统稳定性不强。4、ARM系列 随着电子设备智能化和网络化程度的不断提高，ARM单片
29、机以其低功耗和高性价比逐渐占领了市场成为市场的主流产品。优点：片内集成了答容量的RAM和FLASH存储器，无需扩展即可实现大型程序的应用。片内装载程序实现ISP和IAP，大大提高了编程效率。片内集成了多个32位的定时器和计数器，可满足对精度的要求。体积小，功耗低，集成度高。使用了流水线技术，是的处理器和存储系统连续工作，有效地地提高了处理器的利用率。 结合设计的需求，我选择了51单片机。设计中单片机不需要处理大量的数据，要求的精度不是很高，并不需要更高性能的单片机。同时，根据价格，资料，知识方面，选择51单片机比较合适。2.2.3 串行通信方式和接口选择1、串口通信方式选择串行数据传输时，数据
30、是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并一串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行传输类型主要有以下几种：（1)RS-232串行通信接口目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V电平。当无
31、数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2v至3v左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点(即只用对收、发设备)通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。计算机上的串行通信端口RS-232是标配，虽然与现在的一些新出的标准相比，RS-232通信数据低，传输距离短，但由于其控制相对简单，设计成本低，在许多工控设备、电子测量仪器上都备有R
32、S-232通信端121P明。一般的计算机将COMI以9Pin的接头接出。(2)RS-422串行通信接口如果在工业环境杂讯干扰较强，用RS-232作为传输就会容易收到干扰，使信号发生错误。为此常改用RS-422传输方式。RS-422的信号将被传送出去时会先分成正负的两条线路，当到达接收端后，再将信号相减还原回原来的信号。这样可有效防止杂讯的干扰，传输距离和速度也得到提高。RS-422与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另线定义为B 通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6v，是一个逻辑状态，负电平在-2-6v，是另一个逻
33、辑状态。另有一个信号地c，在RS-485中还有一使能端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控籁发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作第三态，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可按lO个节点。即一个主设备(Master)，其余为从设备(Salve)，从设备之间
34、不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是lO4k+100Q(终接电阻)。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/x0FF握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)实现。RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在lOOkb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输嘲。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为lMB/s。在此串行通信方式选择中，由于本设计对采集的模
35、拟速率低，且对周围环境要求不严格，从设计的简单实用，利于维护，并考虑成本方面的因素，对以上串行传输方式选择，优选RS-232通信方式。同时，电平与TTL电平转换驱动电路。常用的芯片是MAX232，MAX232的优点是：（1）一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。（2）单一电源+5V供电。（3）它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。（4）MAX232实用性很强。2、串行通信接口选择PC机串口分为9针串口(DB9)和25针串口(DB25)两种，目前比较常见的是9针串口。特别需要注意的是DB9串口的2脚为数据接收脚，3脚为数据发送脚，而DB25串口的2脚，3脚功能恰好相反。9针串口在实际生
36、活中渐渐取代了25针串口，由于9针串口比较方便，使用简单等特点，9针串口和25针串口的引脚信号对照说明如表2.1。而真正用到的串口针数更少，使用基本的两个接受、发送数据针就能够满足最基本的要求，加之25针串口在实际生活中端口越来越少，大多数电脑只有9针串口。表2.1 DB9和DB25的常用信号脚说明9针串口（DB9）25针串口（DB25）针号功能说明缩写针号功能说明缩写1数据载波检测DCD8数据载波检测DCD2接收数据RXD3接收数据RXD3发送数据TXD2发送数据TXD4数据终端准备DTR20数据终端准备DTR5信号地GND7信号地GND6数据设备准备好DSR6数据设备准备好DSR7请求发送
37、RTS4请求发送RTS8清除发送CTS5清除发送CTS9振铃指示DELL22振铃指示DELL串口通信接口，由于生活中常用9针接口，9针接口比较简单，由于二者没有明显的区别，所以本设计选择9针接口。2.2.4 显示部分能够满足显示的元器件很多，LED数码管、LCD液晶显示均能够实现。为了能够更直观的显示，决定采用LCD液晶显示中的LM016L。LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能。2.2.5 电压表电压表有交流和直流电压表两种可供选择，由于电路中接的是VCC，即在电路中为电源，5v直流电源。故，本设计中采用直流电压表
38、测量。2.3小结本章首先整体分析了单片机数据采集系统，采集系统首先将采集到的信号传输给A/D转换器，通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。单片机通过对通道的控制，选择性的将具体某路数字信号传输到单片机，单片机将得到的数字信号在LCD液晶显示屏上面显示。同时，将数据通过串口RS232方式上传给上位机。然后，分别对系统硬件所需要要的元器件进行分析，多种型号进行对比，选择出适合本设计的元器件。通过对逐渐逼近式A/D转换器、双积分A/D转换器、并行式A/D转换器和A/D转换器的主要指标分辨率、转换速率、量化误差、便宜误差、满刻度误差、线性度等进行分析，最终选择ADC0808。通过对51系列单片机、
39、PIC系列单片机、AVR系列单片机、ARM系列进行各种性能、价格、使用性比较，最终选择89C51单片机。通过对RS-422、RS-232进行分析比较，最后选择便宜、方便的RS232通信方式。通过对LED数码管和LCD液晶屏对比，选择了显示信息比较直观的LCD液晶屏。由于电路中采用的是直流电流，故，本设计选用的是直流电压表测量电压。 3 硬件部分3.1 硬件电路概况 该系统是一个多路数据采集系统， 3路电压表测量3个不同滑动变阻器间的电压，通过滑动变阻器可以实时改变电压值。将测到的模拟电压通过ADC0808转换器转换成数字电压，转换中通过ADD A 、ADD B 控制选择转换那路电压。转换后的数
40、字电压由89C51单片机控制将数据电压的值传到LCD上面滚动显示。通过MAX232电平转换连接串口将数据传输到上位机上面显示。其电路图如图3.1所示。图3.1硬件总电路图3.2 单片机AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位
41、可编程定时计数器,1个全双工串行通信口。主要特性：与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命1000写/擦循环；数据保留时间10年；全静态工作0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。89C51单片机引脚具体情况如图3.2所示。图3.2 AT89C51引脚结构89C51单片机在本次设计中充当“大脑”的角色，通过单片机控制ADC0808转换器选择转换具体某路模拟电压值，并将转换成的数字电压值通过P0口在LCD液晶显示屏上面显示，同时将转换的数字电压值
42、，通过控制串口上传到上位机上面。3.3单片机的最小系统1、复位电路复位电路完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始工作。将单片机的复位引脚RST保持两个机器周期的高电平能使单片机复位，即复位时间必须大于等于1/3us时，单片机才能够顺利复位，否则单片机不能自动复位，由此将影响单片机的正常工作（单片机内部没有复位功能）影响复位后片内各寄存器的状态见表3.1。表3.1 复位后单片机寄存器状态特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态PC0000HTMOD00HA00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP00HTH100HDPTR07HTL100HP0P3
43、0000HSBUF不定IPxxx00000BSCON00HIE0xx00000BPCON0xxxxxxxB此外，在复位有效期间（即高电平），MCS-51的ALE引脚为高电平，且内部RAM不受复位的影响。复位操作通常有两种基本形式：上电复位和按钮复位。单片机要复位，本质上是在其RESET脚上保持一定时间的高电平，单片机检测到这个电平保持时间（两个时钟周期以上的高电平）大于它要求的时间就会自动复位。最简单的上电复位电路是用一个电容与一个电阻串联组成，电容接VCC，电阻接地，RESET脚接在它们中间，当上电时，电容相当于短路，此时电阻上的电压等于VCC，经过一段时间后电阻电压逐渐变小直至为0，只要R
44、C时间选择合适，就可以用来上电复位。但是这个电路要想起到重新复位的作用，只能先下电，再上电才行。如果在电容两端并联一个按键，就成了按键复位电路，只要按下这个按键，单片机就能复位而无需下电。所以本设计采用按钮复位。按钮复位电路如图3.3所示。图3.3 按钮复位电路由于单片机检测大于两个时钟周期即us才能正常复位，本设计选用10千欧电阻、1uF电容，通过估算，时间为电阻和电容的乘积。得出电路中的设计时间为0.01s，远大于两个时钟周期，故，电容、电阻值选择正确。2、时钟电路AT89C51内部有一个用于构成振荡器的反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个振荡电路和单
45、片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟电路。根据硬件电路的不同，连接方式可以分为内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式是在引脚XTAL1和XTAL2上跨接一个石英晶体和电容构成一个自激振荡器。晶体可以在1.2MHz12MHz之间选择，典型值为6MHz和12MHz。电容C1和C2可以在560pF之间选择，这两个电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调的作用。MCS-51单片机也可采用外部时钟方式，XLAT2引脚接外部振荡器，由它产生的外部时钟脉冲信号直接送至内部时钟电路，XTAL1端接地。在这种方式下一般要求外部时钟信号为频率低于12MHz的方波信号。采用串口时常使11.0592MHz
46、。内部振荡方式所得到的时钟信号比较稳定，应用较多。内部振荡方式如图3.5所示。图中C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。 图3.5 内部振荡电路电容C1、C2的大小均为50pf，由于在5-60pf之间可起到对频率微调的作用，故，选择了50pf。晶振常选用6MHz、12MHz或24MHz，由于本设计采用串口通信方式，串口通信方式常采用11.0592MHz。所以本设计采用了12MHz，方便计算，偏差不大。3.4 LCD显示电路LM016L液晶模块采用 HD44780控制器。 HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。LM016L与单片机 MCU（Microcont
47、roller Unit）通讯可采用 8位或者 4位并行传输两种方式。 HD44780控制器由两个 8位寄存器、指令寄存器（ IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据 RAM（DDRAM）、字符发生器ROM（CGROM）、字符发生器 RAM（CGRAM）、地址计数器（ AC）。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出；DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入 DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和 CGRAM读出的数据。BF为 1时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据。 DDRAM用来存储显示的字符，能存储 80个字符码。 CGROM由 8位字符码生成 5*7点阵字符 160种和 5*10点阵字符 32种，8位字符编码和字符的对应关系。CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅 64字节。可以自定义 8个 5*7点阵字符或者 4个 5*10点阵字符。 AC可以存储 DDRAM和 CGRAM的地址，如果地址码随指令写入