基于单片机的数据采集系统ad转换通道设计 精品.docx
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基于单片机的数据采集系统ad转换通道设计精品
毕业设计
基于单片机的数据采集系统
—A/D转换通道设计
学号:
姓名:
专业:
电气工程及其自动化
系别:
二○一三年六月
毕业设计
基于单片机的数据采集系统
—A/D转换通道设计
学号:
姓名:
专业:
电气工程及其自动化
系别:
二○一三年六月
北京交通大学毕业设计成绩评议
题目:
基于单片机的数据采集系统—A/D转换通道设计
系别:
专业:
电气工程及其自动化
姓名:
学号:
指导教师建议成绩:
评阅教师建议成绩:
84分
答辩小组建议成绩:
86分
总成绩:
84分
答辩委员会主席签字:
年月日
北京交通大学毕业设计任务书
姓名
学号
专业
电气工程及其自动化
设计题目
基于单片机的数据采集系统—A/D转换通道设计
题目
性质
设计;□论文
题目
来源
教学;□科研;□生产;□其他
指导教师
职称
工作单位
备注
毕业设计的内容和要求:
单片机与嵌入式系统的应用越来越广泛,单片机和嵌入式系统的设计是计算机专业学习的一个重要内容。
本课题是设计一个实用的数据采集和超限报警系统。
该系统以单片机89C51为核心,进行16路模拟量信号的数据采集和超限报警处理。
要求完成同步串行总线的A/D转换通道设计,包括硬件电路和软件程序,进而掌握单片机应用系统设计和调试的方法。
设计要求:
1.完成该数据采集系统中的数据采集子系统的设计;
2.该数据采集子系统的主要功能;
3.采用89C51为CPU;
4.最多可以采集16路模拟量信号;
5.采用12位精度的A/D转换器MAX187;
6.采用标准的同步串行总线的通信方式;
7.完成硬件电路和软件程序的设计。
毕业设计主要参考资料:
[1]代启化.基于Proteus的电路设计与仿真[J].天津:
现代电子技术.2006,第19期.
[2]张晓乡.89C51单片机实用教程[Z].天津:
电子工业出版社2010
[3]李朝青.单片机原理及串行外设接口技术[Z].北京:
北京航空航天大学出版社2008
[4]李刚.新概念单片机教程[Z].天津:
天津大学出版社2004
[5]康一梅.嵌入式软件设计[Z].天津:
机械工业出版社2007
[6]刘文秀.单片机应用系统仿真的研究[J].北京:
现代电子技术.2005,第286期
[7]张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:
复旦大学出版社,2003.225~256.
[8]李光飞.单片机设计实例指导[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2004.5,96~100.
[9]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:
清华大学出版社,1996.89~110.
[10]杨立民.单片机技术及应用[M].西:
安西安电子科技大学出版社.1997.90~120.
毕业设计应完成的工作:
1.完成该数据采集和超限报警系统中的数据采集子系统的设计;
2.完成同步串行总线的A/D转换通道硬件电路;
3.完成同步串行总线的A/D转换通道软件程序设计;
4.学习并掌握标准的同步串行总线的通信方式;
5.采用89C51汇编语言进行编程;实现程序的调试、下载、固化工作;
6.撰写设计报告。
进度安排:
2012年12月—2013年1月项目审批、任务书下达、查阅资料、撰写开题报告;
2013年2月—2013年3月系统总体设计、硬件设计、软件设计;
2013年4月—2013年5月模块功能测试、系统集成、整机联调;
2013年5月中旬论文写作、论文定稿、答辩准备。
指导教师签字:
同意
日期:
年月日
系意见:
签字:
系(盖章)
日期:
年月日
北京交通大学毕业设计开题报告
姓名
赵佳
学号
09142202
专业
电气工程及其自动化
设计题目
基于单片机的数据采集系统—A/D转换通道设计
1.毕业设计的目的及意义:
数据采集技术是信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。
它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。
数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,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。
因此,数据采集系统作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
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、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点,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。
在单片机系统中,目前大量采用了具有同步串行接口的器件。
这些外部接口器件包括串行E2PROM、移位寄存器、显示器件、A/D转换器、D/A转换器、单片机监控电路、通信接口等。
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、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)。
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。
2.基本内容和技术方案:
(一)设计内容:
本课题是设计一个实用的数据采集和超限报警系统。
该系统以单片机89C51为核心,进行16路模拟量信号的数据采集和超限报警处理。
要求完成同步串行总线的A/D转换通道设计,包括硬件电路和软件程序,进而掌握单片机应用系统设计和调试的方法。
(二)设计要求:
1.完成该数据采集系统中的数据采集子系统的设计;
2.该数据采集子系统的主要功能;
3.采用89C51为CPU;
4.最多可以采集16路模拟量信号;
5.采用12位精度的A/D转换器MAX187;
6.采用标准的同步串行总线的通信方式;
7.完成硬件电路和软件程序的设计。
(三)MAX187的工作原理
MAX187中CS为有效时,在时钟SCLK的每一个上升沿把一个最高位为"1"的控制字节的各位送入输入移位寄存器,控制器收到控制字节后,选择控制字中给定的模拟通道并在SCLK的下降沿启动转换。
在启动转换后MAX187可使用外部串行时钟或内部时钟来完成逐次逼近转换。
在两种时钟方式中,数据的移入/输出都由外部时钟来完成。
在外部时钟方式时,外部时钟不仅移入和输出数据,而且也驱动每一步模数转换。
在控制字节的最后一位之后,SSTRB有一个时钟周期的脉冲高电平,在其后的12个SCLK的每一个下降沿决定逐次逼近的各位并出现在DOUT端。
变换必须在较短时间内完成,否则采样/保持电容器上电压的降低可能导致变换结果精度的降低,如果时钟周期超过10s,或者由于串行时钟的中断使得变换时间超过120s,则要使用内部时钟方式。
在内部时钟方式时,MAX186在内部产生它们自己的转换时钟,并允许微处理器以10MHZ以下的任何时钟频率读回转换结果。
SSTRB在转换开始时变为低电平,在变换完成时变为高电平。
SSTRB保持最长为10s的低电平,为了得到最佳的噪声性能,在此期间SCLK应保持低电平。
在SSTRB变为高电平之后的下一个时钟下降沿转换结果的最高有效位将出现在DOUT端。
(四)毕业设计应完成的工作:
1.完成数据采集和超限报警系统中的数据采集子系统的设计;
2.完成同步串行总线的A/D转换通道硬件电路;
3.完成同步串行总线的A/D转换通道软件程序设计;
4.学习并掌握标准的同步串行总线的通信方式;
5.采用89C51汇编语言进行编程;实现程序的调试、下载、固化工作;
6.撰写设计报告。
3.毕业设计主要参考资料:
[1]代启化.基于Proteus的电路设计与仿真[J].天津:
现代电子技术.2006,第19期.
[2]张晓乡.89C51单片机实用教程[Z].天津:
电子工业出版社2010
[3]李朝青.单片机原理及串行外设接口技术[Z].北京:
北京航空航天大学出版社2008
[4]李刚.新概念单片机教程[Z].天津:
天津大学出版社2004
[5]康一梅.嵌入式软件设计[Z].天津:
机械工业出版社2007
[6]刘文秀.单片机应用系统仿真的研究[J].北京:
现代电子技术.2005,第286期
[7]张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:
复旦大学出版社,2003.225~256.
[8]李光飞.单片机设计实例指导[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2004.5,96~100.
[9]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:
清华大学出版社,1996.89~110.
[10]杨立民.单片机技术及应用[M].西安:
西安电子科技大学出版社.1997.90~120.
4.进度安排:
2012年12月—2013年1月项目审批、任务书下达、查阅资料、撰写开题报告;
2013年2月—2013年3月系统总体设计、硬件设计、软件设计;
2013年4月—2013年5月模块功能测试、系统集成、整机联调;
2013年5月中旬论文写作、论文定稿、答辩准备。
5.指导教师意见:
该课题符合本专业培养方向,有实用价值,同意开题。
指导教师签字:
日期:
年月日
6.系意见:
签字:
系(盖章)
日期:
年月日
北京交通大学毕业设计中期检查情况表
姓名
学号
专业
电气工程及其自动化
设计题目
基于单片机的数据采集系统—A/D转换通道设计
目前已完成的工作:
总体方案设计;硬件设计、制作;熟悉了模数转换器MAX187;其中包括前向通道、后向通道、人机对话通道各部分的硬件选择,以89C51为核心进行16路模拟量信号的数据采集和超限报警系统的数据采集子系统设计。
下一步的工作:
软件设计、编程;软硬件集成、仿真、调试、运行、维护。
存在的问题:
Keil编程软件不太熟悉;proteus仿真软件存在许多问题。
现在正在优化和进一步学习中。
指导教师建议与意见:
按时完成了进度计划中的要求。
建议进一步掌握A/D转换器MAX187的工作原理,掌握89C51实现同步串行总线通信的技术。
完成硬件、软件的设计。
撰写出高质量的论文。
签字:
年月日
系意见:
系(盖章)年月日
北京交通大学业设计评阅教师评阅意见
姓名
指导教师
指导教师
职称
单位
毕业设计题目
基于单片机的数据采集系统—A/D转换通道设计
对论文的评语:
是否同意安排论文答辩:
同意
论文成绩:
84分
评阅教师(签名):
年月日
北京交通大学毕业设计答辩小组评议意见
毕业设计题目
基于单片机的数据采集系统—A/D转换通道设计
答辩小组成员:
姓名
职称
工作单位
备注
答辩小组评语:
该同学能对基于单片机的数据采集系统—A/D转换通道进行设计。
在论文答辩过程中,
叙述正确充分,对答辩小组提出的问题能够正确回答,答辩情况良好。
答辩组长(签名):
年月日
答辩成绩
86分
毕业设计诚信声明
本人声明所呈交的毕业设计,是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,毕业设计中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通大学海滨学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。
本人签名:
日期:
毕业设计使用授权书
本人完全了解北京交通大学海滨学院有关保管、使用论文的规定,其中包括:
①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文;③学校可允许论文被查阅或借阅;④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容。
本人签名:
日期:
摘要
单片机应用系统的设计过程包括总体方案的设计、硬件系统设计、软件系统设计、系统仿真调试和系统运行维护等部分。
本课题是设计一个实用的数据采集和超限报警系统中的数据采集子系统的设计,系统以单片机89C51为核心,主要应用12位精度的A/D转换器MAX187和多路选择器4067完成同步串行总线的A/D转换通道设计,可以采集最多16路模拟量输入信号,并设置了8个开关量输出通道,对外部设备进行数据采集和超限报警处理。
硬件系统设计包括原理图设计、PCB(印制电路板)设计、制版和组装、硬件调试等工作。
软件系统设计是根据总体方案和硬件电路,设计出实现系统功能的控制程序。
系统的测试包括功能测评、技术指标的测量、系统的优化等工作。
程序固化后,系统运行,投入正常的工作中,开发工作完成。
关键词:
数据采集系统;89C51;多路模拟开关4067;A/D转换器MAX187
ABSTRACT
ThedesignprocessofSCMapplicationsystemincludesthedesignofoverallscheme,thehardwaresystemdesign,softwaresystemdesign,systemsimulationanddebuggingsystemoperationandmaintenanceetc...Thistopicisthedesignofalarmsystemofapracticaldataacquisitionandoverrun,thesystembasedontheMCU89C51asthecore,themainapplicationof12bitsA/DconverterMAX187andmultiplexer4067tocompletesynchronousserialbusA/Dconversionchanneldesign,cancollectupto16channelsofanaloginputsignal,andthe8outputswitchchannelofexternalequipment,dataacquisitionandalarmprocessing.Date,timeinformationinrealtimeusingtheDS1307realtimeclockcircuitwithlowpowerconsumption.IndependentofthekeydesignandLEDdigitaltubemonitorastheman-machinedialoguechannel.ThroughthestandardRS-485asynchronousserialcommunicationinterfaceandPCcommunication,formulti-computersystemandtheremotecommunication.Hardwaresystemdesignincludesschematicdesign,PCB(printedcircuitboard)design,platemakingandassembling,hardwaredebugging.Thesoftwaresystemdesignisbasedontheoverallschemeandhardwarecircuit,designacontrolprogramtorealizesystemfunction.Systemtestingincludesfunctiontesting,themeasurement,systemoptimizationetc..Operatingsystemprogram,aftercuring,normalwork,developmentworkcompleted.
Keywords:
dataacquisitionsystem;89C51;multi-channelselector4067;A/DconverterMAX187
1绪论
1.1研究背景及其目的意义
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、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、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。
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
数据采集技术是信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。
它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。
数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。
数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机(如IBMPC系列)使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到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,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于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。
传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。
本系统是一个实用的数据采集和超限报警系统,该系统以单片机89C51为核心,选用了同步串行通信的接口芯片,可以采集最多16路模拟量输入信
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