1、课程设计基于SOC单片机51f040的机械信号数据采集系统的设计 课 程 设 计题 目：基于SOC单片机51f040的机械信号数据采集系统的设计 班级： 学 号： 姓名： 指导教师： 完成日期： 一、设计题目（学生空出，由指导教师填写）二、设计参数三、设计要求（1）总装图 1张（2）零件图 2张（3）课程设计说明书（50008000字） 1份四、进度安排（参考）（1）熟悉相关资料和参考图 2天（2）确定基本参数和主要结构尺寸 2天（3）设计计算 3天（4）绘制总装配草图 4天（5）绘制总装配图 2天（6）绘制零件图 2天（7）编写说明书 3天（8）准备及答辩 3天五、指导教师评语成 绩： 指导
2、教师日期摘要随着机械信号数据采集手段的不断提高，如何把检测数据高效、快捷地反馈给用户，尽可能快地消除事故隐患、更好地指导相关维修、保障使用安全，以满足日益发展的用户要求变得日益重要。论文重点介绍了基于SOC单片机C8051F040的机械信号数据采集系统的设计，该设计方案提高了机械数据采集技术，保证了采集的准确性。系统以串口作为数据通讯接口，形成一个以数据采集、传输、存储、显示等多种功能为一体的数据采集系统。 系统给出了相关模块的工作原理、硬件和软件设计的方案，该系统具有体积小、功耗低、速度快等特点。该数据采集系统工作性能良好，可靠性高。采集数据的精度完全可以满足使用要求。关键词：SOC；C80
3、51F040；数据采集AbstractWith the improvement of the mechanical signal data acquisition method, how to feedback data to users fast and efficiently, eliminating hidden dangers of accidents as quickly as possible, guiding maintenance better, ensuring using in safety and meeting the growing needs of customer
4、s are becoming more and more important. The paper introduced the design of mechanical signal data acquisition system which is based on the SOC C8051F040 chip. This design scheme improved the technology of mechanical data collection and ensured the accuracy of acquisition. The system uses serial port
5、 as the communication interface. It is a system with data gathering，data transmitting and data storing. The data acquisition system demonstrates good performance and high reliabilityAnd the precision of collected data can meet the requirements of using.Key words： SOC；C8051F040；data acquisition 目录1.
6、引言 12. 硬件电路设计 12.1单片机的选择 12.2液晶显示模块的选择 12.3键盘的选择 12.4 适配器的选择 33系统软件设计 33.1系统软件模块化总体设计 33.2单片机固件程序开发 33.3显示模块程序设计 33.4 33.2 33.2 33.2 34. 课程设计总结 3参考文献 31引言压力、温度、速度等机械信号能够对设备的工作状态进行综合评价，为设备控制和故障诊断提供可靠的依据。这些信号的采集点多，传感器类型不同，数据量较大，实时性要求较高。机械信号的获取涉及两个方面，一个是信号的采集，另一个是数据的传输。目前，大多数测试系统是由不同的传感器配接二次仪表或智能仪器构建而成
7、，这些系统大都受到结构庞大、功能固定和价格昂贵、电源机动性不强等条件限制，达不到现场实时采集分析的要求。基于以上条件限制，本文采用基于SOC单片机C8051F040的机械信号数据采集系统。整个系统具有人机界面友好、可扩充性强、体积小、功能强、功率小、性能稳定等优点，特别是可自带电源工作，适用于解决现场实时测试问题。系统主要实现的功能有：机械信号实时采集；形成记录文件；进行频率、振幅分析；输出波形图像等。2硬件电路设计基于SOC单片机51f040的机械信号数据采集系统的硬件结构原理图如图一所示：图一、硬件结构原理图2.1 单片机的选择C8051F04x系列单片机指令运行速度高，I/O端口的功能采
8、用软件配置实现，时钟系统更加完善，可实现通过JTAG接口的在线调试，有多重复位方式，进一步降低了系统功耗。考虑本设计有功耗低、体积小、速度快、功能多的要求，所以选用C8051F040 MCU（以下简称MCU）C8051F040器件采用Silicon Lab 的专利CIP-51 微控制器内核。CIP-51 与MCS-51TM 指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x 的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51 内核具有标准8052的所有外设部件，包括5 个16 位的计数器/定时器、两个全双工UART、256 字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8个8 位宽的I/O
9、端口。2.2液晶显示模块的选择T6963C液晶显示控制器多用于中小规模的液晶显示器件，常被装配在图形液晶显示模块上，以内藏控制器型图形液晶显示模块的形式出现。内藏T6963C 的液晶显示模块上已经实现了T6963C 与行、列驱动器及显示缓冲区RAM的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的结构(单、双屏)，数据传输方式，显示窗口长度、宽度等等。我们常用的液晶显示模块一般都是单屏结构，因此我们这里只讨论单屏结构的液晶显示模块。内藏T6963C的单屏结构点阵图形液晶显示模块的方框图如图二所示：图二、内藏T6963C的单屏结构液晶显示模块的方框图 2.3 键盘的选择在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口
10、的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图三所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。图三、4x4矩阵键盘矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些。如图三中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出
11、端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。2.4 适配器的选择 C8051F单片机的低价位开发套件是为使用者提供快速开发应用系统的工具。U-EC5套件包含了开发所需的软件和硬件,性能优于传统的仿真器。U-EC5具有：完全的USB2.0接口、免安装驱动程序、硬件加强型保护功能（减少使用不当造成的硬件损坏率）。该工具可实现单步、连续单步、断点、停止/运行,支持寄存器/存储器的观察和修改, 可以装载HEX或BIN 文件，下载程序到Flash存储器等功能。另一特点为可使用专用软件（U-EC5中文编程软件）快速将程序
12、代码烧录到C8051F MCU中。硬件连接图如图四所示：图四、 硬件连接（PC机会自动识别，用户继续下一步操作）3 系统软件设计本系统中，程序包括单片机程序、键盘输入程序、显示应用程序等。该机械信号数据采集系统的工作过程是以8051F040单片机为中心，PC 机通过适配器向MCU 输入程序，MCU来控制AD转换的开始和结束，信号的运算处理，波形的显示等。3.1系统软件模块化总体设计模块化设计使程序结构清晰，面向对象化有利于软件的系统集成和功能扩展，便于维护。针对不同的测试对象，编写各功能子模块，每个子模块既可以单独使用，也可以提供给主程序调用，组成虚拟主控面板。在本机械信号数据采集系统中，主要
13、模块如图五所示： 图五、系统软件基本结构3.2 单片机固件程序设计固件编程的主要功能是控制AD转换的开始和结束，信号的运算处理，波形的显示等。单片机的固件程序可以划分为三部分：一是初始化设备部分，包括系统时钟、IO 口、AD、中断设置（开中断）软件复位。二是主循环部分，主要任务是判断标志位是否已经改变，如果已经发生改变则执行相应的程序，否则一直循环等待中断。三是中断服务程序主要是接受发送数据，设置相应的标志位。本系统的开发目标就是通过控制A/D，输出波形并显示采集数据的平均值。产生的波形和采集信号都要使用定时器来完成，其中使用定时器0进行频率计算，使用定时器2产生波形，使用定时器3控制ADC连
14、续转换。MCU 不停地查询TF2 标志位，每次计数溢出时TF2置位，然后D/A的数字输入量发生相应变化，便可以产生所要求的波形。信号处理、输出波形和数据的程序如下： Draw_Rectangle(0,0,160,127);Draw_Net(); /画示波网格qx=0; /ADC转换数据用到Inter_s=0; /计算频率处用到Inter_s记录秒数Voltage_Reference_Init(); ADC_Init(); /AD转换器退出时关闭Comparator_Init(); /用于计算频率退出时关闭Timer3_Init (50); /用于ADC连续转换退出时关闭Timer_Init()
15、; /频率计算记时器退出时关闭while(1) while(adc_cnt!=160) /周期时基放大 switch(use_channel) case 4: SFRPAGE = ADC2_PAGE; AMX2SL = 0x03; ADC2CN |= 0x80; Delay_167ns(1); while(ADC2CN&0x20)!=0x20);/等待转换完成 SFRPAGE = ADC2_PAGE;ADC2CN &=0xA0; voltage = 63+(128/use_channel)+ADC2/(2*use_channel); adc_data_3qx=voltage; Delay_16
16、7ns(1); / SFRPAGE = ADC2_PAGE; AMX2SL = 0x02; ADC2CN |= 0x80; Delay_167ns(1); while(ADC2CN&0x20)!=0x20);/等待转换完成 SFRPAGE = ADC2_PAGE;ADC2CN &=0xA0; voltage = 31+(128/use_channel)+ADC2/(2*use_channel); adc_data_2qx=voltage; Delay_167ns(1); / case 2: SFRPAGE = ADC2_PAGE; AMX2SL = 0x01; ADC2CN |= 0x80;
17、Delay_167ns(1); while(ADC2CN&0x20)!=0x20);/等待转换完成 SFRPAGE = ADC2_PAGE;ADC2CN &=0xA0; voltage = (128/use_channel)-1+ADC2/(2*use_channel); adc_data_1qx=voltage; Delay_167ns(1); / case 1: if(use_channel=1) SFRPAGE = ADC2_PAGE; ADC2CN |= 0x80; while(ADC2CN&0x20)!=0x20);/等待转换完成 SFRPAGE = ADC2_PAGE;ADC2CN
18、 &=0x20; voltage = ADC2/2; adc_data_0qx=voltage; else SFRPAGE = ADC2_PAGE; AMX2SL = 0x00; ADC2CN |= 0x80; Delay_167ns(1); while(ADC2CN&0x20)!=0x20);/等待转换完成 SFRPAGE = ADC2_PAGE;ADC2CN &=0xA0; voltage = ADC2/(2*use_channel); adc_data_0qx=voltage; Delay_167ns(1); default:break; qx+; adc_cnt+; /先实时采数； i
19、f(adc_cnt=160) qx=0; Draw_Wave_Real_time (use_channel); Judge_Amplitude();/计算并显示振幅 Write_Char(25,0,a1_hz+48); Write_Char(26,0,a2_hz+48); Write_Char(27,0,a3_hz+48); Write_Char(28,0,a4_hz+48); Write_Char(29,0,a5_hz+48); adc_cnt=0; Delay_us(500); Cls_Rect_W(1,1,161,128); 3.3信号采集软件设计 在这一过程中，由传感器输出的模拟电压信
20、号x（t）一般要经过离散采样、幅值量化、和编码以及时域有限截断3个步骤，才能转换为一串由N个数码组成的数组参与运算。图六所示为一个典型的信号数字处理过程框图。图六、信号数字流程框图模拟信号预处理：模拟电压信号x（t）经过抗频混滤波和幅值调节等预处理后，变为带宽有限、幅值适当的信号x（t），为模拟数字转换做好准备。该预处理虽然仍采用模拟手段实现，但由于是信号数字分析系统中特有的不可缺的部分，通常也把它归于信号数字分析系统。A/D转换：该部分完成模拟电压离散采样和幅值量化及编码，将模拟电压信号转换为数字码。首先，采样保持器吧x（t）按人为选定的采样间隔 采样为离散序列x（n ），这样的时间轴上离散
21、而幅值连续的信号通常称为采样信号；而后，量化编码装置将每一个采样信号的电压幅值转换为数字码；最终电压信号x（t）变为数字序列xn。通常，在不引起混淆的情况下，也将量化及编码过程叫做A/D转换。数字分析：该部分接受xn，将其分为点数固定的一系列数据块，实现信号的时域截断，进而完成各种分析运算，并显示和输出分析结果。3.4显示模块程序设计基于T6963C的LCD液晶显示软件编程部分由C语言来完成初始化、汉字显示和清显示区三个部分组成，对各口赋初始地址值,并设置RC1(C/D) ，RC2(RST)为输出口，CM2:CM0=111时关显示，对T6963C初始化时，在关闭显示后应该先确定采用哪种方式进行
22、显示(文本/图形)，再来设置显示缓冲区中图形区的首地址、宽度和文本区的首地址、宽度，此后可选择光标的形状，继而进行显示文本开关设置。这里文本区首址设置为0000，图形区首址设置为0200，宽度均为20列。设置中断等在主函数中将地址指针指向字库地址读取该汉字的显示码（显示码可使用相关的字模软件生成），把欲显示的字符代码送入和行列位置对应的文本显示缓冲区中。清显示区时将RAM区域所有的单元清零。这里需要用到T6963C的连续写的功能，必须首先设定好RAM区域的首地址。由于LCD指令的执行是个循环检测状态、写指令及读写数据的过程，因此可把它们编写成通用的函数，以便随时调用。液晶显示控制器T6963C
23、的状态位从低到高分别是STA0STA7。进行状态位检测时，先从T6963C的状态寄存器中读取状态字，然后提取对应的状态值，通过判断决定下一步的操作。其中写汉字的程序如下：void WR_chinese_32x29(uchar x,uchar y,uchar *Pos) uchar data1,data2,i,j; int addr0,addr1; addr0=(uchar)(x/8)+y*32+3840;/指向图形区 addr1=addr0; for(j=0;j8; PR_TWO(data1,data2,0x24);/设置现存首地址 PR_NO(0xb0);/自动写 for(i=0;i4;i+
24、) while(Get_St()&0x03)!=0x03); LCD_CD=0; Delay_for_Lcm(); LCD_DATA=*(Pos+i+j*4); Delay_for_Lcm(); LCD_WR=0; LCD_WR=1;/一定要回1，不然其他过程LCD_DATA值进入。 PR_NO(0xb2); addr1=addr0+32*j; 6.课程设计总结课程设计是机械设计当中的非常重要的一环，本次课程设计时间不到两周略显得仓促一些。但是通过本次每天都过得很充实的课程设计，从中得到的收获还是非常多的。 这次课程设计我得到的题目是设计一个基于SOC单片机51f040的机械信号数据采集系统的
25、设计，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。在老师的谆谆教导，和同学们的热情帮助下，使我找到了信心。现在想想其实课程设计当中的每一天都是很累的，有的同学更是选择了一整夜的学习画图找资料。其实正向老师说得那样，设计所需要的东西都在书上了，当时自己老是想找到什么捷径来完成这次任务。但是机械设计的课程设计没有那么简单，你想copy或者你想自己胡乱蒙两个数据上去来骗骗老师都不行，因为你的每一条指令都要从机械设计书上或者机械设计手册上找到出处，不然的话就麻烦了。虽然种种困难我都已经克服，但是还是难免我有些疏忽和遗漏的地方。完美总是可望而不可求的，不在同一
26、个地方跌倒两次才是最重要的。抱着这个心理我一步步走了过来，最终完成了我的任务。在设计过程中培养了我的综合运用机械设计课程及其他课程理论知识和利用生产实践知识来解决实际问题的能力，真正做到了学以致用。在此期间我和同学之间的互相帮助，共同面对机械设计课程设计当中遇到的困难，培养了我们的团队精神。在这些过程当中我充分的认识到自己在知识理解和接受应用方面的不足，特别是自己的自学能力的欠缺,对于细节方面还是模棱两可。也是能力有限，将来要进一步加强，今后的学习还要更加的努力。本次课程设计是对自己所学的知识的一次系统总结与应用。这次课程设计我学到了不少关于机械电子专业的知识。就我个人而言，我希望能通过这次课
27、程设计对自己的三年的大学生活做出总结,同时为将来工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，锻炼了自己有问题要有途径解决的能力，比如说可以上网查阅资料，去图书馆查阅书籍，到机械论坛请教高手等等。为今后自己的研究生生活打下一个良好的基础。总的说来,在这次设计中自己学到了很多的东西,取得一定的成绩。我想这都是这次设计的价值所在,以后的日子以后自己应该更加努力认真,以冷静沉着的心态去办好每一件事情!也希望今后能脚踏实地的走好每一步路，兢兢业业的学习，工作。这样才能不断提高自己。参考文献1 张迎新，雷文，姚静波.C8051F系列SOC单片机原理及应用M. 第一版. 北京:国防工业出版
28、社,2005.2鲍可进.C8051F 单片机原理及应用M.北京:中国电力出版社.2006年1月3C8051F040/1/2/3/4/5/6/7 数据手册R/OL,20044 陈新，孙宁，张旭.一种便携式工程机械振动信号采集系统的设计J. 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technology)，2006,25(1):5355. 5 张亚萍，马明星. 虚拟仪器在汽车数据采集系统中的应用J. 现代设计技术，2009,3(1):1720. 6 唐艳. 基于PIC单片机的轨检车数据采集系统的设计J. 农业装备与车辆工程（AGRICULTURAL EQUIPMENT&
29、VEHICLE ENGINEERING），2007,7(192):2729. 7 程寅，张为公，赵马泉，王东. 基于C8051F040的模型车无线控制系统的设计J. 现代电子技术，2009,17(304):98100. 摘要片上数采系统研究的主要内容是根据测量车间的发电机组或空压机等大型旋转机械的振动信号对设备进行分析。在该系统中,数据采集系统能将模拟振动信号以适当的频率进行采样,转换成数字量,并及时的送给计算机进行分析和处理。根据项目的要求,设计并制作了一套基于旋转机械故障诊断的数据采集系统。主要研究内容和工作如下: (1)设计了2种针对不同信号的调理电路,引入了电压/ICP信号复用的设计,
30、减少了元器件,节省了成本。 (2)采用SOC(System On Chip)单片机(C8051F020)作为数据采集系统的中央处理单元,提高了系统的可靠性和经济性。根据项目的要求扩展了外部存储器模块、液晶显示模块、串口通信模块、键盘模块、电源模块、AD采样模块、电池电量测量模块。 (3)在系统方面完成了相应扩展模块的底层驱动的设计,实现了两种不同的信号分析方式:数字方式和图形方式,成功实现了片上数采系统采集到的信号能通过UARTO串口及时地传送给上位机行较复杂的信号分析。 (4)探讨了片上数采系统所需要考虑的抗干扰问题。研究了在工业现场的电磁环境下,片上系统的主要干扰来源及其解决方法,并着重在系统的设计角度分析了电路板级
