基于单片机的模拟量数据采集系统设计本科毕业论文文档格式.doc
- 文档编号:435995
- 上传时间:2023-04-28
- 格式:DOC
- 页数:57
- 大小:516KB
基于单片机的模拟量数据采集系统设计本科毕业论文文档格式.doc
《基于单片机的模拟量数据采集系统设计本科毕业论文文档格式.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的模拟量数据采集系统设计本科毕业论文文档格式.doc(57页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
1.4课题内容及安排 5
2系统方案设计 7
2.1方案设计原则 7
2.2方案设计 7
3系统硬件设计与设备选型 9
3.1单片机模块 9
3.1.1AT89C52介绍 10
3.1.2单片机最小系统 16
3.2A/D转换模块 18
3.2.1A/D转换 18
3.2.2ADC0808介绍 18
3.3输入模块 21
3.4串口模块 22
3.5电源模块 25
3.6设备选型 26
4系统软件设计与实现 27
4.1软件编程介绍 27
4.2系统软件方案设计 29
4.2.1 上位机设计部分 29
4.2.2下位机设计部分 31
5系统集成与调试 34
5.1Keil软件开发平台介绍 34
5.2调试分析 35
5.3调试步骤 35
5.4故障调试及解决方式 35
5.5联调结果 36
结论 37
社会经济效益分析 38
参考文献 39
致谢 41
附录Ⅰ原理图 42
附录Ⅱ元器件清单 43
附录Ⅲ程序清单 44
V
沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计(论文)
1绪论
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,广泛使用的各种智能IC卡等等,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、医疗器械了。
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
随着计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统也迅速地得到应用。
在生产过程中,应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集,监视和记录,为提高产品质量,降低成本提供信息和手段。
在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量的动态信息,是研究瞬间物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要手段之一。
总之,不论在哪个应用领域中,数据采集与处理越及时,工作效率就越高,取得的经济效益
电子计算机的发展对通信起了巨大的推动作用.计算机和通信紧密结合可以构成灵活多样的通信控制系统也可以构成强有力的信息处理系统,这样对社会的发展产生深刻的影响.数据通信是电子计算机广泛应用的必然产物.计算机与它的终端之间需要数据通信,计算机与计算机之间更需要数据通信.此处在遥测,遥感,雷达,自动控制等系统中都要用到计算机,因而都需要数据通信.
在测量技术领域中,许多测量仪器的输入信号具有宽广的动态范围,在研制这类智能仪器时,首要任务是将模拟输入信号转换为相应的数字量.充分利用MCS-51的资源在软硬件协调控制下,对输入信号进行一系列的处理。
在单片机实时控制和智能仪器等各种应用系统中,被控制或被测量地对象,往往是一些连续变化的模拟量,如温度,压力,电流等。
对模拟量系统数字控制的第一步就是要对这些模拟量进行采集。
单片机系统是整个数据采集电路的控制核心。
在很多工业应用场合中,单片机广泛的用于数据和控制。
模拟信号采集系统可以应用到温度、电压、电流等模拟信号的采集中。
1.1课题背景
随着科学技术以及人们对新事物的认知程度的发展,模拟量数据采集已经迅速的发展到了广泛的领域。
电气化时代,带领着技术的革新,对于模拟量的采集也逐渐的发生着变化。
模拟量的采集应用在每一个电气化的领域,而对采集器的要求,也在逐渐的发生了巨大的变化,发展趋势也由繁到简。
有了模拟量采集系统,我们可以控制信号的输出,从而改变生活质量。
最开始的模拟量采集系统一般是指针式,人们根据指针的读数来确定信号的大小。
这样的系统本身就存在着误差,加上读数上的误差,可想而知结果会产生更大的误差。
而且指针接反很可能烧坏系统。
后来的是数字式,如数字式电压表,将指针的两端搭在电器的两端,就可以测量出电压的多少,直接的数字显示,这种电压表简洁易操作,便于携带,是我们的首选。
而且很难烧坏。
我们现在要研究的就是通过软件来实现模拟量的数据采集。
适合于各个领域的模拟量采集测量。
通过上位机(PC)机的显示,将数字显示在电脑上,便于直接的采集控制。
该课题的研究主要是为了更好的对数据进行采集、分析、处理以及反馈。
对自动控制领域的帮助很大。
1.2课题相关技术
基于单片机模拟信号采集系统采用上位机、下位机通信方式运行。
上位机的任务是发出采集信号以及完成对采集信号的显示,而下位机主要是执行上位机的指令,通过控制模数转换器,将模拟信号转化为数字信号送给上位机。
本课题主要应用到了信号采集技术,A/D转化技术等
1、数据采集技术
随着电子测量技术与计算机技术的发展,面对各种检测对象和大量的测试点,需要利用数据采集系统将多路被测量转换为数字量,再经过单片机或微型计算机进行数据处理,实现实时监控。
数据采集经常做成模块而且是典型的与PC机或控制器连接。
他们被用于自动化的测试中,为其它测试装备采集数据、控制和循环检测信号。
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,由非熟练人员进行操作,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。
大约在60年代后期,国外就有成套的数据采集设备产品进入市场,此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
20世纪70年代中后期,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,因此获得了惊人的发展。
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,另一类是工业现场数据采集系统。
就使用的总线而言,实验室数据采集系统多采用并行总线,工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。
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极大的发展,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,一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。
例如,国际标准ICE625(GPIB)接口总线系统就是一个典型的代表。
这类系统主要用于实验室,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,例如:
STD总线系统就是这一类的典型代表。
这种接口系统采用积木式结构。
把相应的接口卡装在专用的机箱内,然后由一台计算机控制。
第二类系统在工业现场应用较多。
这两种系统中,如果采集测试任务改变,只需将新的仪用电缆接入系统,或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建。
显然,这种系统比专用系统灵活得多。
20世纪80年代后期,数据采集系统发生了极大的变化,工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合,用软件管理,使系统的成本降低,体积减小,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,数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。
由于集成电路制造技术的不断提高,出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统(DAS)。
目前有的(DAS)产品精度已达16位,采集速度每秒达到几十万次以上。
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。
该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构,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,迅速地组成一个新的系统。
该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和
即插即用方向发展,典型系统有VXI总线系统,PCI、PXI总线系统等,数据位已达到32位总线宽度,采样频率可以达到100MSps[1]。
由于采用了高密度,屏蔽型,针孔式的连接器和卡式模块,可以充分保证其稳定性及可靠性,但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。
但是,并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。
串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展,可靠性不断提高。
数据采集系统物理层通信,由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤,所以其技术得到了不断发展和完善。
其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。
由于目前局域网技术的发展,一个工厂管理层局域网,车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起,可以有效地把多台数据采集设备联在一起,以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。
2、A/D转化技术
A/D转换亦称“模拟数字转换器”,简称“模数转换器”。
将模拟量或连续变化的量进行量化(离散化),转换为相应的数字量的电路。
A/D变换包含三个部分:
抽样、量化和编码。
一般情况下,量化和编码是同时完成的。
抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程,量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程,编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。
随着数字技术,特别是信息技术的飞速发展与普及,在现代控制。
通信及检测等领域,为了提高系统的性能指标,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。
由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度。
压力。
位移。
图像等),要使计算机或数字仪表能识别。
处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;
而经计算机分析。
处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。
这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。
将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称A/D转换器或adc,analogtodigitalconverter)。
为确保系统处理结果的精确度,A/D转换器必须具有足够的转换精度;
如果要实现快速变化信号的实时控制与检测,A/D转换器还要求具有较高的转换速度。
转换精度与转换速度是衡量A/D转换器的重要技术指标。
随着集成技术的发展,现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D转换器,它们具有愈来愈先进的技术指标。
A/D转换器的功能是把模拟量变换成数字量。
由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同,因此生产出种类繁多的A/D转换芯片。
A/D转换器按分辨率分为4位。
6位。
8位。
10位。
14位。
16位和bcd码的31/2位。
51/2位等。
按照转换速度可分为超高速(转换时间≤330ns),次超高速(330~3.3μs),高速(转换时间3.3~333μs),低速(转换时间>330μs)等。
A/D转换器按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。
所谓直接A/D转换器,是把模拟信号直接转换成数字信号,如逐次逼近型,并联比较型等。
其中逐次逼近型A/D转换器,易于用集成工艺实现,且能达到较高的分辨率和速度,故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多;
间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量,然后再转换成数字量,如电压/时间转换型(积分型),电压/频率转换型,电压/脉宽转换型等。
其中积分型A/D转换器电路简单,抗干扰能力强,且能做到高分辨率,但转换速度较慢。
有些转换器还将多路开关。
基准电压源。
时钟电路。
译码器和转换电路集成在一个芯片内,已超出了单纯A/D转换功能,使用十分方便
1.3课题任务及要求
单片机数据采集系统是计算机在工业控制中最为普遍的应用系统¸
它的任务是采集生产过程中的各种工况参数经过处理后送入内存储器,CPU再对这些参数数据进行分析,运算和处理。
本系统由上位机和下位机组成,上位机负责数据的显示和系统的管理,下位机由单片机控制板构成,负责数据的采集。
上位机可以采用VB编程,下位机采用AT89CS52系列单片机和ADC0808等芯片组成,采用C语言编程实现。
实现多路模拟量数据采集功能。
1.4课题内容及安排
本课题主要是完成模拟信号的数据采集硬件设计,其中下位机接受来自上位机发出的指令,通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号,传送给上位机,来实现数据采集的目的。
具体内容安排如下:
第1章为绪论,着重介绍了单片机控制的数据采集系统的发展趋势。
提出了本课题的研究意义,说明了本文所要研究的问题及目标;
第2章为系统整体方案设计,详细介绍制作初期对各个组成部分方案的论证和选择,不同方案的优缺点都做了一定的介绍,对所选择的方案做了比较详细的说明;
第3章是硬件设计,根据任务书的要求,主要介绍了控制电路的设计,电路原理,以及它在整个系统中的地位和作用;
第4章是软件设计部分,介绍了软件设计所用的C语言、系统的主流程图和子函数的流程图。
具体程序见附录;
第5章是系统调试部分,介绍了系统调试的过程以及调试过程中遇到的问题,解决的方法等;
第6章是结论,总结了本课题中所研究的问题,解决的问题。
本课题的不足之处和有待改进的部分。
2系统方案设计
数据采集系统一般由数据输入系统,数据存储与管理,数据处理,数据输出及显示这四个部分组成。
据输入系统将模拟信号发送到ADC0908,ADC0808将信号输入系统发送来的模拟信号转化为数字信号,以便于单片机的处理。
ADC0808将数字信号传送给单片机,单片机对信号进行采集,之后传送到上位机上,上位机对传送来的采集信号进行显示。
PC给单片机发送信号,完成通信,单片机开始接收信号。
逐次的发送给A/D转换器,将模拟信号转换为数字信号,传送给单片机进行处理,然后通过上位机进行显示。
2.1方案设计原则
本次设计方案应符合以下原则:
1、经济合理。
系统的硬件设计中,一定要注意在满足性能指标的前提下,尽可能的减少成本;
2、安全可靠。
选择元器件时要考虑到周围环境的影响,以保证在规定的工作环境下,系统性能稳定,工作可靠;
3、有足够的抗干扰能力。
有完善的抗干扰能力,是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件;
4、可扩展性;
5、操作性能好,方便用户使用。
2.2方案设计
根据课题的要求,本系统是通过PC机来控制模拟量的采集及其显示。
数据输入系统将模拟信号发送到ADC0808,ADC0808将信号输入系统发送来的模拟信号转化为数字信号,以便于单片机的处理。
上位机
下位机
PC机
单片机
A/D转换器
模拟信号输入
图2.1设计方案结构框图
PC给单片机发送信号,完成通信,单片机开始接收信号,信号的输入将模拟信,逐次的发送给A/D转换器,将模拟信号转换为数字信号,传送给单片机进行处理,然后通过上位机进行显示。
这个设计方案有较高的可行性,不受环境的影响,系统硬件体积小、精度高、性能稳定、操作方便、运行操作简单、设计成本较低。
由于采用的器件都是已经非常普遍的器件,大多数已经批量生产,并且价格也十分低廉,如AT89C52单片机和MAX232等。
这就意味着所选择使用的器件功能比较强大、稳定,尤其是本次设计的核心元件AT89C52单片机,软件配合度高,并具有种类齐全的支持芯片。
这类微处理器既可用作控制器又适合于做数据处理,而且成本也甚是低廉。
3系统硬件设计与设备选型
根据课题要求单片机采用AT89C52ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机.片内含8KbyTES的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256byTES。
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,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH由存储单元,功能强大AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。
AT89C52
串口
复位电路
时钟电路
A/D转换
输入
图3.1总体方案结构图
3.1单片机模块
模拟信号采集系统硬件设计中的单片机就是整个下位机系统的处理核心。
它在一块芯片上集成了中央处理部件(CPU)存储器(RAM、ROM)、定时器、计数器和各种输入输出接口(如并行I/O口,串行I/O,和A/D转换器)等,单片机本身就是为实时控制应用而设计制造的。
3.1.1AT89C52介绍
AT89C52ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机.片内含8KbyTES的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256byTES。
主要性能参数:
与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容。
8字节可重擦写FLASH闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作:
0HZ-24MHZ
三级加密程序存储器
256X8字节内部RAM
32个可编程I/0口线
3个16位定时/计数器
8个中断源
可编程串行UART通道。
图3.251单片机的内部功能模块
其中:
CPU单片机的核心部分
ROM内部数据存储器
RAM外部数据存储器
P0、P1、P2、P3并行I/O端口
TXD串行数据发送口
RXD串行数据接收口
功能特性:
AT89C52提供以下标准功能:
8字节FLASH闪速存储器,256字竹内部RAM,32个I/O口线,3个16位定时/计数器,一个6向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89c52可降至OHz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电上作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器.串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位.
功能引脚说明:
Vcc:
电源电压
GND:
地
P0:
P0口是一组8位漏极开路型双向1/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时.每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在FLASH由编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
PI是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,Pl的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL
与AT89C51不同之处是,Pl.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(Pl.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。
FLASH编程和程序校验期间,Pl接收低8位地址
P2口:
是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电路。
对端口P2写“l"
,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(llt)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOvx@DPTR指令)时,P2送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器、如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL).
P3口除了作为一般的I/0口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 模拟 数据 采集 系统 设计 本科毕业 论文