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1、学院:专业:姓名:年级:课程名称:GUIZHOU UNIVERSITY课程设计明德学院电气工程及，H自动化091刘昱溢.学号：092003110161基于单片机的8通道数据采集系统设计09151任课教师：杨靖2012年07月03日2摘要第一章单片机概述第二章总体方案设计2.1 课题的意义2.2 系统整体硬件电路2.2.1 芯片简介2.2.2 硬件电路设计及描述2.2.3 元器件清单第三章 系统软件算法设计3.1 主程序3.2 读数据子程序3.3 显示数据子程序3.4 程序流程图课程设计体会参考文献16第一章 单片机概述单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。 尽管他的大部分功能集成在一
2、块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU 、内存、 内部和外部总线系统， 目前大部分还会具有外存。 同时集成诸如通讯接口、定时器， 实时时钟等外围设备。 而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、 图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroller） ， 由芯片内仅有CPU 的专用处理器发展而来。 最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小， 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 单片机是 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片， 是 CPU、RAM、 ROM、
3、I/O 接口和中断系统集成于同一硅片的器件。单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化， 简化一些专用接口电路， 如编程计数器、 锁相环 （ PLL ） 、模拟开关、 A/D 和 D/A 变换器、 电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。单片机是所有微处理机中性价比最高的一种， 随着种类的不断全面， 功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。当前， 8 位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的16 位单片机（如 MCS-96 、 MK-68200 ）可用在
4、更复杂的计算机网络。可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门， 微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1 低功耗 CMOS 化MCS-51 系列的 80C51 推出时的功耗达120mW ，而现在的单片机普遍都在100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。 所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展
5、的主要途径。2 微型单片化常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只 读程序存储器（ROM） 、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制 电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片 上， 这样单片机包含的单元电路就更多， 功能就越强大。 甚至单片机厂商还可以 根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。3 主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 MCS-51 为核心的单片机占主流， 兼容其结构和指令系统的有PHI
6、LIPS 公司的产品， ATMEL 公司的产品和中国台湾的 WinBond 系列单片机。 以 8031 为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时期内， 这种情形将得以延续， 将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。第二章 总体方案设计2.1 课题的意义数据采集系统用于将模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号，该系统目的是便于对一些物理量进行监视、 控制。 本文介绍一种经济、 实用的多道数据采集系统： 它以 8051CPU 为核心， 配以0809A D 转换器件， 使用四个七段LED数码管来进行显示。 LED 采用的是动态扫描显示。系统实现八道数据 自动巡
7、回采集与显示，适用于非快速变化信号的多路检测。数据采集系统，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测， 并且能够对数据实行存储、 处理、 分析计算以及从检测的数 据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。数据采集系统一般由数据输入通道， 数据存储与管理， 数据处理， 数据输出及显示这五个部分组成。 输入通道要实现对被测对象的检测， 采样和信号转换等工作。 数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来， 建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息， 提取出反映被测对象特征的重要信息。 另外，
8、就是对数据进行统计分析， 以便于检索； 或者把数据恢复成原来物理量的形式， 以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印，显示，绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。通过一个 A/D 转换器循环采样模拟电压， 每隔一定时间去采样一次， 一次按顺序采样信号。A/D转换器芯片AD0809将采样到的模拟信号转换为数字信号， 转换完成后，CPU实取数据转换结果，并将结果送入外设即LED显示，显示电压路数和数据值。2.2 系统整体硬件电路B RID GE 1V OL TR EG+5V183112 13W|R|1INTNT1P1P1 P1P1P1P1 P1P17 6 5 4 3 2 1
9、0X8051EA T0T1 /VPESET“APSTXenledp xdP2P2P2 P2P2P2P2 P2 7 6 5 4 3 2 1 0P0P0P0P0P0P0 P0 P07 6 5 4 3 2 1 0293011102827262524232221、3233343536373；39VCC741741U2AU1A74LS731118171413LS0 2LS0 2DD DDDD DDQQ QQQQ QQ1916151277777777106 92223 24 25717 14 15 8 18 192021ADC 08 09CJ enLOctAcSTARckTBLEALEAAA DDDDDD
10、 -C -B -ACO2-72-62-52-42-32-21sb2-8msbLED351dpe fdp-b aDP、LED4ref(+)ref(-) IN-7 IN-6 IN-5 IN-4 IN-3 IN-2 IN-1 IN-012165432128 127 262.2.1芯片简介(1) 89C51的结构与性能特点其内部具有的硬件资源AT89C51是MCS-51系列单片机的典型产品之一如图所示:外播中面图2-1 AT89C51单片要内部结构图4KB可编程的E2PROM面向控制的8位CPU。128 B内部RAM数据存贮器。32位双向输入/输出线。1个全双工的串行口。2个16 b定时器/计数器。5
11、个中断源，2个中断优先级。时钟发生器。可以寻址64 KB的程序存贮器和64 KB的外部数据存贮器。该键盘利用了 89C51的片内E2PROM作为程序存贮器，避免外扩存贮器占 用单片机的输入/输出口资源；利用P3 口的第二功能完成异步串行通讯功能；用 一片ICL232CPE作为接口电平转换芯片，便实现了键盘的全部硬件逻辑。硬件 少，可靠性高。整个键盘采用+ 5 V直流电源；电路与键位阵列分离设计。本键 盘还克服了以往键盘设计中键位少、不通用等缺点。(2) ADC0809转换器介绍ADC0809是COMS工艺、采用逐次逼近法的8路模拟输入8位数字输出的A/D转换芯片。由单一+5V电源供电，片内有一
12、个带有锁存功能的8通道多路模拟开关，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，三个地址信号 A、 B和C决定是哪一路模拟信号被选中并送到内部 A/D转换器中进行转换，完成一 次转换约需100微秒；片内具有多路开关、地址译码器和锁存电路以及逐次逼近 寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总路线上。ADC0809是28脚双列直插式封装，如图2-3所示：INr INr 叫 IN7 STARTEOC 2*0E CLOCKVcc - REF(十).GND-I2*2273264355旗6237DAC080922821920I。19UIB12 1713 61+15岫 1N( gADU
13、 A ADDR ADDC-ALE-2d232 T2 sREF(-J产图2-3 ADC0809引脚图各引脚功能如下： INoIN7： 8路模拟量输入引脚。 START: A/D转换启动信号输入端。当START为高电平时，A/D开始转换 ALE:通道地址锁存允许信号输入端，上升沿有效。 EOC:转换结束信号输出弓I脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为 高电平。 OE:输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK :时钟信号输入端。 A、B、C:地址输入线，经译码后可选通INoIN7八通道中的一个通道进 行转换。A为最低，C最高。 D7D。： 8位数字量输出引脚。 Vr（+）：参考电压正端
14、。一般接+5V高精度参考电源 Vr（-）:参考电压负端。一般接模拟地。 Vcc, GND:电源电压Vcc接+5V, GND为数字地。(3) LED显示器介绍单片机应用系统中使用的显示器有发光二极管显示器(LED)和液晶显示器(LCD) o因为LED配置灵活，与单片机接口方便，所以选之做设计。7段LED显示器由7个发光二极管组成显示字段，并按“ 8”字形排列。这7 段发光管分别为ag,还带一个小数点dp, 7段LED由此得名。将7段发光二极 管都连在一起，称为共阴极接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就 点亮。共阳极接法是将LED显示器的所有阳极并接后连到+5V电源上，当某一字 段的阴极
15、为0时，对应的字段就点亮。如图2-4所示：c d G N D c dp 符号和引脚RK83 O0Hb o1=1C 0CZI - Od CZIC Of 0口 3g 0dp O=1一日共阴极a c1=1h o=c Od Oae OUf Oag oCZ1_-dp oD一4d(A)管脚(B)共阴极(C)共阳极共阳极图2-4 7段LED显示器件由图可知，通过7段的不同组合控制，可以显示09和AF共16个数字、字母，实现十六制显示。共阳极接法的段选码与共阴极接法的段选码是逻辑“非” 关系，LED段选码和显示字符之间的关系如表2-2所示：表2-2 LED段选码和显示字符之间的关系显示字符共阴极段选码共阳极选
16、段码03FHC0H106HF9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH82H707HF8H(4)锁存器74LS373介绍在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号锁存起来，在设计中所选用的74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，地址锁存信号为ALE,W如图2-6所示:2D2Q 3Q3074Q 9GM)1019四ix sn14 一 6D13 5D7 6 5*12 5Q11G图2-6 74LS373弓I脚图引脚图中Dn-输入端;Qn-输出端；OE、LE为控制端，该片如何工作由功能表定，表中L为低电平、H为高电平、Z为高阻抗(相当开路)X为任意电平,股将OE接
17、低电平，LE接ALE就能正常工作表2-4 74LS373功能表OEG功能01直通00保持1X输出高电阻2.2.2硬件电路设计及描述(1)硬件电路图系统硬件电路系统硬件电路如图1: ADCO8O9将05V模拟信号转换为00FF数字信号 并传送给51单片机，然后由51单片机进行数据存储及数据处理，最终由 LED 显示器显示，完成对模拟信号的采集。(2) ADC0809与8051单片机的接口设计ADC0809与单片机8051的硬件接 口方式一般有：查询方式、中断方式和 等待延时方式。本设计采用查询方式。由于 ADC0809芯片内部没有时钟脉冲 源.我选择利用单片机8051提供的地址锁存控制输入信号
18、ALK经D触发器二 分频后.作为ADC0809的时钟输入。当CPU访问外存储器时，ALK的输出作 为外部锁存地址的低字节的控制信号；当不访问外部存储器时，ALK端以16/的时钟振荡频率固定地输出正脉冲。又因ADC0809的时钟频率有一定的范围101280kHz.故我取单片机的时钟频率为 6MHz。则ALK端输出的频率为1MHz, 再经二分频后为500kHz。符合ADC0809对时钟的要求。分频电路图如图2所示。单片机CLOCKA1!P图2： ADC0809时钟接口电路（二分频电路）R-P10 PllP12 PIS Pl-1P15 P很Prm；TlTOXiX2RESET四PWP01PO2P34P
19、灯W 肺PMP21P22P2JP2JP” ?2RXDTXD ALE? ?SEN 力 J s- c E - - - &DDDDDO-D o H二三 iF22bb：.SEOCinn 就；AD颂国 皿。ALEENABLESTARTJ CLOCKIN-1K-2DI-4 取IMINJ向，u?-1516412EQIIADC0809tt 80C51 的接 口电路由于ADC0809内部设有地址锁存器.所以通道地址由P2 口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。通道基本地址为0000H.-O007H。模拟量直接ADC0809 的IN0 IN7输入。数字量由ADC0809的DO D7输出并直接接到单片机
20、8051的I/O 口的PO 口（P0E1作为输人E1）, ADC0809其 他 弓I脚 如：START、OE、ALK、A、B、C等直接接到单片机 的P2 口 （P2 口作为输出口）。最后ADC0809 的结束信号端口直接接到单片机P3. 7 口。(3)数码管显示电路本设计选用3个数码管显示数据.连通道号共用 4个位数码管.每次数据 传输完调用延时程序.使数据持续显示1秒。经过比较分析.在设计中采用了共 阳极动态显示模式并将数码管的段码端直接接到单片机输出端P2口。而数码管的公共端我则接到了单片机输出端 P1 .因为只有4个数码管.我只用到了 P1.4 P1.7。这时只要P0 口送出数字的显示代
21、码.数码管就能正常显示数字。 如图所示：图LED显示电路(4)振荡源、复位电路、按键电路及电源驱动电路复位即回到初始状态，是单片机经常进入的工作状态。单片机振荡电路的振 荡周期和时钟电路的时钟周期决定了 CPU的时序。复位电路单片机的复位是靠外部电路来实现的。无论是 HMO宽是CHMOS,在振荡 器正常运行的情况下，RSTI脚保持二个机器周期以上时间的高电平， 系统复位。 在RSTS出现高电平的第二个周期，执行内部复位,以后每个周期复位一次，直 至RSTS变低。本文采用按键上电复位电路，如图所示 ：也nrlrHe RI1-E主壬主:-|:*M图上电按键复位电路振荡源C1、C2构成并联谐内部方式
22、时钟电路也是如下图所示。外接晶体以及电容振电路，接在放大器的反馈回路中，内部振荡器产生自激振荡，一股晶振可在212MH之间任选。对外接电容值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影 响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。 外接晶体 时，C1和C2通常选30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1和C2的典型值为47pF。图振荡电路按键电路在单片机中，如所需要的按键较少，可采用独立式键盘开关。每只按键接单片 机的一条I/O 口线，通过对线的查询，即可识别各按键的状态，如下图所示。本设计只需用到两个按键，所以这两个按键接到单片机的P1.0和P1.1I/O线上。无按键按下时，P1.0
23、和P1.1这两条线上均输入高电平，当某按键按下时，与其 相连的I/O线得到低电平输入。 +5V89C51P3.1P3. 2P3. 3图独立式按键开关电源驱动电路电源驱动电路为整个采集系统提供电源。它由TRANS1、BRIDGE1 和VOLTREG以及两个电容器组成，如下图所示。2.2.3元器件清单元器件名称数量备注CCV5805116C-R74LS3731片16 17918193114 151213R80 W R R X2 X1T0T1ADC08091片D/X2，X1RuwINT1NIT1ESETEA/VP74LS022件PSR74LS741件PNALE/XXDP2P2P2P2P2P2P2P2
24、29 30 11 1028 27 26 25 24 23 22 21LED灯4个TRANS11 个地2111驱动电路的一部分这是protel99中的名称374 leoeBRIDGE11个D4SDVCCLS3 -O驱动电路的一部分这是3 pi2otel993卡的名称LK C D1VOLTREG1个Q74 5U2AU1A驱动也路的一部分这袋 proteg9中的名称 6 U?A人 1人1电阻R4s7 54个6步0 1步0 1开关K3个10 6 92223 24 257电容C8-6个dp7 6 5 4 3 2 1,.Cge d c b aADCa|eEOCef08 , cSTAR ALE aEOC.c
25、o LOCKi-ki-rM lADDDD-B)-A 导线右 丁LED1d g a09 j、ENABLEga dpydp cb8 7 6 5 4 3 2 1d c b a fK1 K28 7 6 5 4 3 2 1pl pl pl pl pl pl pl pl U1P0P0P0P0P0P0P0P032 33 34 35 36 37 38 3918 1714 138 7 4 3D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q019 1615 129 6 5 217 14158 18 1920 212-72-62-52-42-32-2lsb2-8U3msb2-1dpg f e dref
26、(+) ref(-)IN-7 IN-6 IN-5 IN-4 15N-3 IN-2 IN-1 IN-0LED2dp cg a DPYbV5543211216282726第三章 系统软件算法设计233.1 主程序0RG 0000HSTART: AJMP MAINORG 0013HAJMP SAMPORG 1000HMAIN: MOV R0,#30HMOV R6,#00H址的低 8 位SETB IT1SETB EX1SETB EAMOV DPH,#0BFHMOV DPL,R6MOVX DPTR,ADL1S：MOV R3 ， #250DL1：MOV R4 ， #250DL2：NOPINT1 中断入口地
27、址置数据区首地址指针指向模拟量输入通道0, 通道地INT1 边沿触发允许 INT1 中断;开放CPU中断P2.6=0, 通道地址的高8 位模拟通道 0启动 A/D 转换NOPNOPNOPNOPNOPDJNZ R4DL2DJNZ R3 ， DL1RET3.2 读数据子程序SAMP: PUSH PSWPUSH ACCPUSH DPLPUSH DPHMOV DPH,#ODFHMOV DPL,R6MOVX A,DPTRMOV R0,AINC R0INC R6CJNE R6,#08,EXITMOV R6,#00H输入通道 IN0MOV R0,#30HEXIT: MOV DPL,R6通道MOVX DPTR
28、,APOP DPHPOP DPLPOP ACCPOP PSWRETI3.3 显示数据子程序DSPLY1: MOV R0,#80H保护现场P2.6=0组装 16 位通道地址读 A/D 转换结果存转换结果修改数据区指针模拟通道地址加18 个通道全采样完了吗?8 路巡检结束, 重新采样模拟量重设数据区首地址指针指向下一个指定的模拟量输入启动 A/D 转换恢复现场;显示缓冲区地址MOV R2,#11111110B；显示起始位置REDO: ACALL DISP；显示1 位MOV A,R2；计算下一个显示位置RL AMOV R2,A；INC R0；修改显示缓冲区地址指针XRL A,#10111111B；
29、4 位是否显示完否JNZ REDO；未完，继续显示RET； 显示 1 位子程序；返回DISP：MOV DPTR ， #LED-SEG；字型码表首地址MOV A， R0；取显示数据MOVC A,A+DPTR；求显示数据的字型码MOV DPTR,#SEG-OUT；字型码输出口地址MOVX DPTR,A；输出字型码MOV A,R2；取显示位置MOV DPTR,#BIT-OUT；显示位置输出口地址MOVA DPTR,A；显示ACALL DL1SRET；稳定显示1s； 字型码表LED-SEG： DB3FH ， 06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH ；0， 1， 2， 3
30、， 4， 5， 6， 7， 8,9 3.5程序流程图课程设计体会随着科技发展的日新月异，计算机技术得到了飞速的发展和普及， 数据采集 系统在各个领域都发挥着很重要的作用。数据采集系统对于工农业发展有着很重 要的作用，在医药、食品、化工等领域也发挥着很重要的作用，在生产过程中， 往往要对湿度、温度、压力等数据进行采集记录参数。同时还要对所收集的数据 的某一检测数据进行随机查询，把这些数据调出来，进行调查分析，可以提高产 品合格率，提高企业效益。计算机的发展对通信技术产生了巨大的作用，计算机与通信相结合，构成了灵活多样的通信控制系统，也可以构成强而有力信息处理 系统，这对社会发展产生了深远的影响。
31、随着工，农业的发展，多路数据采集系统势必将得到更多的应用， 做相关方 面的研究是很有必要的。这次课程设计可谓是一次挑战，从无从下手到通过研究 终于将设计完成，我对单片机的理论有了更深入的了解，同时通过这次课程设计， 我也知道了，从理论联系实际的重要性，在以后的学习的生活中会更加注重理论 与实际相结合。参考文献1 http:/ 2005 3温希东路勇编著计算机控制技术，西安：西安电子科技大学出版社 20054先锋工作室编著单片机程序设计实例，北京：清华大学出版社20035胡汉才著单片机原理及其接口技术，北京：清华大学出版社6 朱宇光主编单片机应用新技术教程电子工业出版社200067张友德主编单片微机原理、应用与实验复旦大学出版社8 夏路电路原理图与电路板设计教程PROTEL 99SE 北京希望电子出版社9徐爱卿，孙涵芳，盛焕鸣编著单片微型计算机应用和开发系统北京航空航天大学出版社1992 年10 张毅刚，彭喜元，孟升卫，刘兆庆编著 MCS-51 单片机实用子程序设计（第二版）哈尔滨工业大学出版社2003年