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1、吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书基于RS-232的数据采集系统设计学生学号：学生姓名：专业班级：指导教师：职 称：起止日期：吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology专业综合设计任务书一、设计题目：基于RS-232的数据采集系统设计二、设计目的1、掌握MAX232芯片的性能指标、特点及使用方法；2、掌握ADC0832和CD4051芯片的性能指标、特点及使用方法；3、掌握SST89E516RD单片机性能指标、特点及使用方法，了解SST89E516RD单片机控制ADC0832和CD4051的软件编程
2、方法；4、了解7805构成直流稳压电源的电路组成及工作原理。三、设计任务及要求设计数据采集与RS-232通信硬件电路并完成以下任务：1、单片机为核心的数据采集器对八路模拟量和八路开关量进行实时采集，采集的数据由单片机处理后经RS-232串口线送PC机；2、PC机接收到采集数据后，由图形界面动态显示，当参数超限时进行声光报警。四、设计时间及进度安排设计时间共三周（ 2015.9.7 2015.9.25）,具体安排如下表：周安排设 计 内 容设计时间第一周硬件电路设计2015.9.7 - 2015.9.11第二周硬件电路焊接与调试 2015.9.14 - 2015.9.18第三周编写课程设计说明书
3、，课程设计答辩。 2015.9.21 - 2015.9.25五、指导教师评语及学生成绩指导教师评语:年 月 日成绩指导教师(签字):目 录专业综合设计任务书I第1章 绪 论1第2章 硬件系统设计22.1 SST89E516RD2单片机及其最小系统电路22.1.1 SST89E516RD2芯片简介22.1.2 51系列最小系统电路组成32.2 X5045看门狗电路32.2.1 25045芯片简介32.2.2 基本工作原理42.3 MAX232电平转换电路42.3.1 MAX232芯片简介42.3.2 电平转换原理52.4 AD0832模拟量采集电路52.4.1 AD0832芯片简介52.4.2
4、CD4051芯片简介62.4.3 模拟量产生-采集电路62.5 开关量采集电路72.6 +5V直流电源设计电路82.6.1 7805简介82.6.2 直流电源设计基本原理8第3章 软件系统设计93.1 系统程序流图93.2 关键程序示例93.2.1 AD0832采集程序93.2.2 串行发送程序113.3 DXP软件介绍及使用113.4 Visual Basic软件介绍及使用123.5 上位机与单片机通信的实现123.5.1 程序下载到单片机123.5.2 数据采集到上位机13结 论14参考文献15附 录（电路原理图）16- 15 -第1章 绪 论近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的
5、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。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，而双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。本系统采
6、用下位机负责模拟数据的采集，从单片机负责采集数据，并应答主机发送的命令，上位机即主机是负责处理接受过来的数字量的处理及显示，主机和从机之间用RS-232进行通信。这样用户可以在上位机上编写各种程序对文件中的数据进行有效查询和分析,有利于工业过程的长期正常运行和检查。该系统采用的是SST89E516RD2单片机，此芯片功能比较强大，能够满足设计要求。第2章 硬件系统设计2.1 SST89E516RD2单片机及其最小系统电路2.1.1 SST89E516RD2芯片简介SST系列单片机是一款高性能的8051内核的单片机，属于8位FLASHFLEX51系列单片机。FLASHFLEX51是在高级FLAS
7、HCMOS半导体工艺下设计和生产出的单片机产品之一。器件都有相同的功能强大的指令系统，并且和8xC5x器件兼容。单片机有72K片内FLASHEEPROM程序存储器，它利用了SST的超级FLASH专利技术，这些都是SST的领先技术。超级FLASH存储器被分成两个独立的程序存储块，基本FLASHBlock0占用64/32K字节片内程序存储空间，二级FLASHBlock1占用8K字节的片内程序存储空间；8K字节的二级FLASH块能被映射到64/32K字节低地址空间它也能从程序计数器中被隐藏掉而用做一个独立的类似EEPROM的数据存储器。图2-1为51系列单片机引脚说明。图2-1 51系列单片机引脚说
8、明基本特性如下：1. 增强型 8051 单片机6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任 意选择，指令代码完全兼容传统 8051； 2. 工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）； 3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051的080MHz，实际工作频率可达 48MHz； 4. 用户应用程序空间为 8K 字节 ；5. 片上集成 512 字节 RAM ；6. 通用 I/O 口（32 个）复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻； 7. ISP（在
9、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（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片；8. 具有 EEPROM 功能 ；9. 具有看门狗功能 ；10. 共3个16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2；11. 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 ；12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个 UART ；13. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）；2.1.2 51系列最小系统电路组成单片机的最小系统电路就是单片
10、机能正常工作，能利用内部集成资源完成简单的逻辑功能的最简电路。包括复位电路、晶振电路、电源和地电源，三者缺一不可。图2-1中9引脚为复位引脚，与9引脚相连的为复位电路；18，19引脚为时钟引脚，与18引脚和19引脚所接为晶振电路；40引脚接电源，20引脚为地。复位电路：复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，单片机就能实现复位，只要保证电容的充放电时间大于2US，便能复位，所以电路中的电容值是可以改变的。晶振电路：单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，SST89C516RD使用11.0592MHz
11、的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。2.2 X5045看门狗电路2.2.1 25045芯片简介X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。图2-2为25045的引脚图。图2-2 25045芯片引脚图引脚说明：CS：片选择输入；SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出；SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位
12、写入X25045；SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；Vss：地；Vcc：电源电压；RESET：复位输出。2.2.2 基本工作原理X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动（没喂看门狗），则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数
13、不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。2.3 MAX232电平转换电路2.3.1 MAX232芯片简介该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0 +5v，MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。图2-3为MAX232引脚图。图2-3 MAX232引脚图引脚说明：电荷泵电路：由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平
14、的需要。 数据转换通道：由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道；其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道；8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。供电电路：15脚GND、16脚VCC（+5v）。2.3.2 电平转换原理工作原理是：TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。从TTL转为RS
15、2323电平，由于MAX232内部二极管与电容的作用使得在二极管与电容交接处的电压保持在-3V-15V。当TXD为“1”(TTL)时，内部三极管截止，PCRXD上的电压与PCTXD电压相等，也是-3-15V为“1”(RS232)当TXD为“0”(TTL)时，内部三极管导通,则PCRXD电压约为+5V，这个电压在+3+15V之间，根据RS232电平，它是“0”也就是说TTL的“1”经过这个电平转换电路后，RS2323可以识别出它是“1”，是“0”也能识别为“0”。这就实现了从TTL到RS232的电平转换。2.4 AD0832模拟量采集电路2.4.1 AD0832芯片简介ADC0832 是美国国家
16、半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。图2-4为ADC0832的引脚图。图2-4 ADC0832引脚图引脚说明：CS_片选使能，低电平芯片使能；CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；GND 芯片参考0
17、电位（地）；DI 数据信号输入，选择通道控制；DO 数据信号输出，转换数据输出；CLK 芯片时钟输入；Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。2.4.2 CD4051芯片简介CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无
18、关。当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。图2-5为CD4051的引脚图。图2-5 CD4051引脚图引脚说明：07为IN/OUT输入/输出端；A B C为地址端；COM为公共输出/输入端；INH为禁止端；VEE负电压端；GND数字信号接地端；VDD电源+。2.4.3 模拟量产生-采集电路模拟量由八个电位器的可动端产生，为0 5V电源，经八选一模拟通道开关将其中一路模拟量送入AD芯片进行采集，采集结果在上位机准备就
19、绪时由串口发送给上位机显示。图2-6为模拟量产生-采集电路。图2-6 模拟量产生-采集电路2.5 开关量采集电路开关量采集电路如图2-7所示，发光二极管作指示作用，电阻限流保护，接P1端口。图2-7 开关量采集电路2.6 +5V直流电源设计电路2.6.1 7805简介7805三端稳压集成电路，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，
20、这使它的性能很稳定。能够实现1A以上的输出电流。器件具有良好的温度系数，因此产品的应用范围很广泛。可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为3%和5%。2.6.2 直流电源设计基本原理直流电源的输入为220V的电网电压，单片机所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压。再通过整流电路将降压后的正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下是可以将交流分量全部滤掉，但是因为受负载影响，加之滤波电路并不能达到理想效果。还需要加入稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压
21、波动和负载电阻变化的影响。图2-8为+5V直流电源设计电路。图2-8 +5V直流电源设计电路单片机的工作电压为DC_+5V，所以需将AC_220V转化为DC_+5V。AC_220V经变压器降至DC_9V左右，经过桥式二极管电路（全波）整流，再经过电容滤波及LM7805稳压，最终得到DC_+5V。第3章 软件系统设计3.1 系统程序流图程序设计中将程序模块化尤为重要，可将整个程序划分为数据采集模块、串行发送模块、上位机显示模块。图3-1为系统程序流图。八路模拟量A/D采集数据采集上位机显示程序初始化八路开关量采集上位机是否准备好结束开始循环或看门狗复位 是 否 串行发送数据图3-1 系统程序流图
22、3.2 关键程序示例3.2.1 AD0832采集程序ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示起始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2
23、 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标
24、志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。示例程序如下：unsigned char AD_0832_OUT() unsigned char i,dat1=0,dat2=0;/ 起始控制位 DI=1; _nop_(); _nop_();CS=0; _nop_(); _nop_();CLK=1; _nop_(); _nop_();/ 第一个下降沿之前，设置DI=1； 选择单端/差分（SGL/DIF）模式中的单端输入模式CLK=0; DI=1;_nop_(); _nop_(); CLK=1; _ nop_(); _nop_();/ 第二个下降沿之前，设
25、置DI=1,0；选择CH0CLK=0; DI=0; _nop_(); _nop_(); CLK=1; _nop_(); _nop_();/第三个下降沿之前，设置DI=1,0；选择CH0CLK=0;DI=1;_nop_(); _nop_(); / 第三个下降沿/第4-11个脉冲期间读数据（MSB-LSB）for(i=0;i8;i+) CLK=1; _nop_(); _nop_(); CLK=0; _nop_(); _nop_();dat1=(dat1MSB）for(i=0;i8;i+) dat2=dat2|(unsigned char)(DO)i);CLK=1; _nop_(); _nop_()
26、; CLK=0; _nop_(); _nop_(); CS=1; DI=1; return (dat1=dat2)?dat1:0; 3.2.2 串行发送程序采用定时器T1作为波特率发生器，定时器T1工作在方式2（8位初值自动重装），计数初值=28 (11.0592*106)(32*12*波特率)，要使波特率为9600bit/s，由上式计算初值得0xFD，串口初始化及串行发送程序示例如下： TMOD = 0x20; /定时器T1工作方式2 TL1 = 0xFD; /计数初值 TH1 = 0xFD; PCON = 0x00; /SMOD = 0 SCON = 0xD8; /串行口工作方式3（11位
27、异步收发），允许接收数据 TR1 = 1; /允许计数void FSCX()int i;for(i = 0; i“创建”-“原理图”。第二步 从元件库中查找所需的元器件并放置到图纸界面。在原理图设计界面右下角“System”-“元件库”，弹出元件库对话框。第三步 用导线连接各器件。在“工具栏”可快速找到“放置导线”。第四步 点击“工具”-”注解”，对各器件统一编号。常用快捷方式：Ctrl+滚轮实现视图缩放，Shift+滚轮实现界面左/右移动, 滚轮实现上/下移动,选中+ Shift实现复制，选中+ Ctrl实现延长拖拽。3.4 Visual Basic软件介绍及使用Visual Basic是一
28、种由 Microsoft 公司开发的结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言。从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言。它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。简单使用：一、事件驱动应用程序。简单地说就是当事件发生时程序才工作，否则程序将等待事件的发生。在事件驱动程序中，用户的操作或系统事件执行一个事件过程，这样，程序执行的顺序就由哪一个事件的发生决定，由
29、用户的操作决定。就是用户管理，代码响应。二、事件过程。用户界面对事件响应的三个部分是：1，窗体2，控件3，菜单。编写程序代码的通常过程是：1，确定哪一个对象（窗体，控件或菜单）做出反应单击此对象选中它；2，打开代码窗口简单的方法是按False7键或者双击对象；3，找到响应的事件；4，编写程序代码。三、变量。程序总是要做三件事：1，得到数据；2，处理数据；3，输出数据。在程序运行时，这些数据被储存在变量里，变量可理解为计算机内存条上的一个微观的东西。一旦关机，变量就消失了。变量在VisualBasic里有两种类型：1，程序员建立的变量；2，对象的属性往往也看成变量。 变量必须满足：1，字母开头；
30、2，不超过40个字；3，只包括字母，数字，下划线；4，不是保留字。创建变量的方法：1，用Dim语句说明它；2，可以省略声明语句而用变量声明字符生成确定类型的变量。在程序执行时若要生成变量并指定数据类型，可加入下表所示的变量声明字符后缀。3.5 上位机与单片机通信的实现3.5.1 程序下载到单片机使用SSTEasyIAP11F烧写软件对单片机下载程序。1.打开软件后在菜单栏“DetectChip/RS232”选中目标单片机和COM端口；2.给单片机上电，查看是否跟计算机已连通；3.在右侧找到“Download”，选取目标“. Hex文件”，就可将程序下载至单片机。图3-2为程序烧写软件的下载界面
31、。图3-2 程序烧写软件的下载界面3.5.2 数据采集到上位机单片机里采集到的结果在上位机准备就绪时，经串口发送给上位机，使用VB设计的上位机串口数据接收界面中，使用棒图显示模拟量的变化，用布尔灯显示开关量的状态。在单片机与上位机连通之后，给单片机上电，打开“串口数据接收程序”，选定COM端口，点击左下角“连接”，便可接收到来自下位机的数据。图3-3为串口数据接收程序显示界面。图3-3 串口数据接收程序界面结 论通过本次专业综合设计不仅使我巩固了以前学过的理论知识，还熟练了实践动手能力，比如焊接电路，阅读芯片资料，看懂时序从而编程，使用万用表检测电路故障，使用AD6绘制电路原理图。实习的三周以
32、来，我们一组的同学，非常积极地做完每一项工作，用万用表测线并焊接制作了九针串口线，查阅芯片资料，研究程序，绘制布线草图焊制电路等。第一周我们就基本完成了系统功能的模块化分析和理论设计部分；第二周我们开始焊接电路和对各模块的调试工作，中途遇到串口下载线焊制线方向的问题、焊板如何减少跳线的问题和程序下载失败的问题，后来通过与老师和同学交流这些问题均得到解决。第二周初调试基本完成，它非常稳定，各部分功能都正常运行。剩下的几天要求我们独立完成专业综合设计报告和原理图的绘制，我使用AD6绘制了本次专业综合设计的电路原理图（见附录）。在此，我想感谢学校以及我属教学院给予我们这样一个锻炼的机会，理论用于实践
33、。感谢我的指导老师和我的同学，让我感受到了团队协作精神和创新求知精神。在此仅一个建议，那就是希望学校更加重视这方面的教学，多开设与专业相关的课题研究，循序渐进，这样本科毕业生才会更专业，不再是只会做题的学生了。这样将有助于学生更好地掌握专业知识，更有助于学生就业。参考文献1 艾学忠，刘伟，陈北辰. 单片机原理及接口技术. 北京：机械工业出版社，2012.72 古天祥，王厚军，詹慧琴.电子测量原理. 北京：机械工业出版社，2013.73 康光华，电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2006.14 张毅刚，单片机原理及应用. 北京：高等教育出版社，20085 阎石，数字电子技术. 北京：高等教育出版社，2006.56 翟玉文，电子设计与实践. 北京：中国电力出版社，20057 童诗白，模拟电子技术. 北京：高等教育出版社，2006.5附 录（电路原理图）