多通道电压信号采集器.doc

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1、本科生课程设计（论文）辽 宁 工 业 大 学 单片机与接口技术 课程设计（论文）题目：多通道电压信号采集器 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 测控技术与仪器 学 号： 100301016 学生姓名： 张轶楠 指导教师： （签字）起止时间：2013.6.17-2013.6.28课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号100301016学生姓名张轶楠专业班级测控101设计题目多通道电压信号采集器课程设计（论文）任务工业现场中有很多检测环节输出为模拟电压信号，设计一个能够针对16路模拟电压信号进行巡回检测和现实的装置。设计任务1以单片机为控制核心，对16路电

2、压信号进行采集；2设计相应信号采集电路和切换电路；3设计4位按键，用于实现手动与自动的切换和设定；4采用6位数码管进行显示；设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适单片机、数码管显示方式、按键电路和信号采集电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。技术参数116路电压信号中，每一路的巡检周期为1s；2电压变化范围010V，检测精度为1%；3数码管前1位显示通道号，后3位显示当前通道电压值。工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。

3、（2天，分散完成）2、选择液位传感器、单片机等元器件型号。（1天，实验室完成）3、绘制硬件电路图。（1天，实验室完成）4、按系统的控制要求，编写软件程序。（3天，分散2天，实验室1天）5、上机调试、修改程序、答辩。（2天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要随着电子科技的不断发展与进步，电压测量成为广大电子领域中必须掌握的过程，并且对测量的精度和采集功能的要求也越来越高，而电压的测量与显示系统甚为重要。本文介绍的重点是电压数据的采

4、集与显示系统，数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了MCS-51系列单片机来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括模数转换模块，显示模块，和串行接口部分，还有一些简单的外围电路。本设计的目的是对16路输入的电压信号进行采集。并将采集到的数据进行处理、传输、显示。本设计是将输入的电压通过A/D转换，将模拟电压信号转换成数字信号，然后将数字信号传给单片机。经单片机分析处理后，将处理数据传输给显示系统，即由6位数码管显示。关键词：单片机；模数转换；6位数码管16目录第1章 绪论11.1 简介及应用11.2 设计概述1第2章 课程设计方案22.1 系统概述22.2 系统构成2第

5、3章 硬件设计43.1 A/D转换43.2 单片机系统53.3 输出显示7第4章 软件设计84.1 程序设计流程图84.2 流程图介绍8第5章 课程设计总结10参考文献11附录 12附录 12第1章 绪论1.1简介及应用 在工业控制现场，常常需要采集大量的现场数据，如电压、电流、温度、气压等，并将这些数据采集模块采集的数据传输到主机上进行处理，由主机根据这些处理的结果，将控制信号传输给现场执行模块进行各种操作。在数据采集及处理行业快速发展的今天，数据采集已经广泛应用于各个领域。国外各种数据采集器的先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，这使得多功能

6、数据采集系统的发展尤为重要。数据采集是智能仪表，自动控制系统中不可缺少的部分。如果单片机本身带A/D,D/A功能，则不必进行系统扩展。如果芯片本身不带这种功能，则必须扩展A/D,D/A接口，则必须扩展存储系统程序EPROM，以构成一个完整的数据采集系统。芯片的选取应根据应用需要或实验条件进行，一般在教学实验中制作的采样系统由于条件有限，其精度要求不能提高，如选ADC0809,DAC590及EPROMZ764等进行系统扩展。1.2设计概述本设计是以单片机为核心通过AD转换器对16路电压信号进行采集并转换成数字信号，然后送入单片机，经过单片机处理后由数码管进行显示。另外在系统中加入4个按键用以实现

7、人机交互完成手动和自动的切换。 第2章 课程设计方案2.1 系统概述 本设计是通过对16路电压信号的采集，全面巩固A/D转换器、单片机、键盘和显示的应用。系统功能：通过对多路电压的采集实现实时监测和显示以了解系统的运行状态，进而对系统进行相应的调整。应用场合：需要对多路电压信号采集分析的场合。2.2 系统构成 本设计主要由四部分构成：A/D转换、单片机、键盘和显示。设计构成图如下A/D转换单片机数码管显示键盘图 2.1 系统组成AD转换器的16个接口分别和外部16路电压相连接，当任何一个接口的电压信号进入转换器后则开始转换，输入电压信号经过A/D转换后成为数字信号。方案一是将16路电压经过一个

8、多路模拟开关后，然后由输出端传给一个AD转换器，再由转换器将数字信号传给单片机。方案二是直接将16路电压信号和一个16路AD转换器相连接，然后输出给单片机。 方案一考虑了经济方面的因素，但电路连接比方案二复杂，而且增加了器件，使得整个系统的不稳定因素增加，另外造成了AD转换器的接口的浪费。方案二虽然采用的转换器价格比一要昂贵，但整体利用率高，同时选用的器件的数量少，系统的可靠性较高。所以综合考虑选用方案二。在转换器转换完成后，单片机的控制端给出信号使转换器输出通道打开，然后将数字信号送入单片机。再由单片机处理后并把数据转化成BCD码输出给锁存器，当锁存器锁存信号允许打开时由锁存器驱动数码管显示

9、。显示部分由四位数码管组成并采用动态显示，第一位用来显示通道，其余三位则用来显示数值。系统共设置四个按键则用来实现手动和自动功能的切换，四个按键和单片机端口连接，通过给入按键信号分别实现不同的功能包括：跳转至上一个显示、跳转至下一个显示、一直显示当前位、跳转至起始显示，当单片机扫描到按键按下时则程序跳转至相应的程序，由单片机分析处理后给输出部分，然后由显示部分显示用户所需要的数据。第3章 硬件设计3.1 A/D转换转换部分是16路电压信号通过一个ADC0816进行模数转换后，将输出的八位数字量通过输出端传输给AT89S51。因为A/D转换器的工作频率大约为500KHz，而由单片机ALE口输出信

10、号的频率为2MHz，所以要将ALE的输出通过一个四分频电路。分频电路的组成如图3.1。其中U6的CP端接单片机的ALE。电路是采用两个74LS74进行四分频，输出端的频率信号给ADC0816的CLOCK端，用以提供ADC0816的工作频率。图 3.1 分频器电路图图3.2是ADC0816和单片机的接线图。IN0-IN15为16路电压输入端，23-31引脚是8位数据输出端和单片机的P0口连接，转换后的数据由AD输出后从P0口进入单片机。转换器的地址控制端即ADD A-ADD D和单片机的P1.4-P1.7连接，单片机的四个输出口输出的数据改变时相应的AD转换器的不同的通道会打开使外部信号进入转换

11、器，然后把输入的数据进行AD转换。转换器的START用来控制转换的开启，转换开启是手单片机的P3.5控制的，当P3.5输出一个高电平时会使转换器启动。当数据转换完成后要输出，但输出允许控制位要受单片机控制的P3.6控制，只有当OE允许时AD转换器才会把数据输出给单片机。图 3.2 RETZ R7,$01于本人初涉单片机也无法确保 AD转换器和单片机连接图3.2 单片机系统图3.3为振荡器和复位电路的电路图。单片机工作时是需要时钟电路的，虽然单片机内部有时钟电路，但自己本身不会工作，必须要在外部给予振荡源。单片机的复位是靠外部复位电路来实现的，复位可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重

12、新启动。在复位电路中通过按下SW键10ms以上的时间便可以使单片机可靠的复位,当RET从高电平变为低电平后单片机会从0000H地址开始执行程序。图 3.3 晶振和复位电路图为单片机子系统的组成原理图。单片机子系统以MCS-51系列单片机8031为核心，外足存储控制程序和采集数据量的要求。从采集数据量来看，最大数据量发生在第一通道扩8K*8的RAM6264和8K*8的ROM。这两种芯片都具有较高的性能/价格比，同时也能满的衰减振荡持续时间为最长时的情形。为保证精度和波形的复现，当取样频率为5KHz时，对于持续时间为0.4S的衰减振荡，为采集其完整的信号则需要采集2000点。若每点用8位来量化，则

13、要求RAM至少应大于2K字节容量。其他三路信号是慢变化信号，而且有数码管实时显示，所以占用RAM的容量很少。因此选用6264完全能满足要求，并留有适当的余量以便今后进一步扩展功能。图 3.4 MCS-51系列单片机80313.3 输出显示图3.5是输出显示部分，是由锁存器和数码管两部分组成。单片机P2口输出的数据经锁存器所存并驱动后面的数码管，则相应的字符便会得到显示。锁存器74LS273为上升沿所存，当单片机的控制信号给CLK高电平时，锁存器锁存输出的数据，同时数据由Q端输出，驱动数码管。当需要显示下一个字符时则控制端再次给以一个上升沿。数码管的控制端用于控制位选，四位数码管的位选控制端是和

14、译码器74HC139的四个输出端连接的，当位选端给低电平时是数码管点亮，高电平时则熄灭。系统的显示采用的是动态显示，即每个时刻只有一个数码管亮，通过循环执行实现16路电压的显示。 图3.5 数码管显示第4章 软件设计4.1 程序设计流程图图4 主程序流程图4.2 流程图介绍整个流程图是从外部输入给AD的电压开始，电压经AD入口进入转换器，同时单片机控制地址输入信号使要选择的转换通路打开，然后控制信号启动AD转换。当转换结束后，单片机控制输出允许打开，则转换数据进入单片机。单片机处理后将得到的数转化成BCD码然后输出给锁存器，锁存器控制端控制锁存信号并通过输出端输出，然后由数码管显示。显示时间1

15、s后控制AD地址输入端输入下一个地址，然后下一路电压信号进入。当16路电压信号全部显示一遍后跳转至起始地址，从新开始进行16路电压的显示。16路电压的循环显示则由程序中的判断语句执行。每次执行完一次显示后进行一次判断，不满16是则顺序往下执行，到达16时程序跳转至开始，重新开始新一轮的转换和显示。第5章 课程设计总结本设计以MCS-51系列单片机8031为核心部件，单片机系统完成对电表信号的采集、处理、显示等功能，利用汇编语言编制相应的控制和显示程序以达到对16路电压信号采集的目的。通过这次课程设计让我了解了更多关于单片机的知识，为今后的学习打下了坚实的基础。本设计的主要特点是适用性强，用户只

16、需对界面参数进行观察来判断系统的运行情况；并且同时对多路电压监测，提高了效率；可以实现手动和自控的切换便于操作；采用动态显示的方法降低了功耗；系统成本低廉，操作非常简单。但是本设计只能对小范围的电压信号进行监测，在使用上受到了一定的限制；按键控制方面比较简单只能实现一些基本功能，上下循环显示、本位显示、起始显示，对于一些手动要求比较多并且较复杂的场合，本设计在功能实现上就会带来一定的困难。我很感谢学校和老师提供的课程设计的机会。在本次设计过程中，我始终认认真真，真正做到每个字，每个图都尽可能尽善尽美，尽可能以较高的标准来完成本次设计，为以后的课程设计和毕业设计都打下良好的基础，让自己学到的知识

17、日益完善。总之，这次课程设计使我受益非浅，为我今后的专业课学习打下了良好的基础，同时也为我自己树立了信心，对我所学的知识产生了浓厚的兴趣，相信自己可以学好今后的课程。 参考文献1 梅丽凤.单片机原理及接口技术.北京：清华大学出版社，2009。2 周立功.单片机实验与实践. 北京：北京航空航天大学出版社，2004。3 武庆生,仇梅.单片机原理与应用.电子科技大学出版，1998。4 王楚.电子线路.北京：北京大学出版社，2003。5 宋锦河.电工电子学.北京：科学出版社，2004。6 王秀珍编.微型计算机A/D、D/A转换接口技术及数据采集系统.北京：清华大学出版社，1999。7 Okazoe H

18、,Shimizu K,Watanabe Y.et al. Develop-ment of a Full-FlowBurner Regeneration Type Diesel Particu-late Filter Using SiC HoneycombC .Society of AutomotiveEngineers International Congress and Exposition.Michigan:SAE Paper 960130. 1996.8 Kugland P,Krieger E,Santiago E. Cleaner Diesels Full Flow Soot Filt

19、er Regeneration System .SAE Paper 910133.9 Samsung Electronics. S3C44BOX Risc microcontroller ARM instruction sheet .2002.10 Samsung Electronies. S3C44BOX Risc microprocessor data sheet .2002. 11 AMD Corp. AM29LV16OD Data Sheet .http:/www.amd.eoln/. 2005. 12 Hynix Corp. HY57V641620HG Data Sheet .htt

20、p:/ 2005. 13吴益飞.李胜.微计算机信息.2006年第22卷第7-2期。14蔡骅.单片机开发与应用（嵌入式与SOC）2009年第11-3期。15肖立中.邵志清.通用串行总线及其开发.2010年第5卷3-11期。附录 图（4）总体电路图附录 CLR P3.5 CLR P3.6CLR P1.4 CLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7SETB P3.5LCALL DEL AD转换需要大概10-50us设置一个延迟SETB P3.6CLR P3.5 CLR P3.6AD转换通道0的转换程序CLR P1.4 CLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7SETB P3.5 LCAL

21、L DEL SETB P3.6CLR P3.5CLR P3.6AD转换通道1的转换程序LOOP:CLR P3.3 MOV P2,#data1 第一位数码管给值 CLR P3.0CLR P3.1LCALL DELLSETB P3.3CLR P3.3MOV P2,#data2 第二位数码管给值CLR P3.0SETB P3.1LCALL DELLSETB P3.3CLR P3.3MOV P2,#data3SETB P3.0CLR P3.1LCALL DELLSETB P3.3CLR P3.3MOV P2,#data4SETB P3.0SETB P3.1LCALL DELLSETB P3.3LJMP

22、 LOOPDELL:MOV R7,#100 DJNZ R7,$ RET数码管动态显示程序LOOP1:CLR P3.3 MOV P2,#data1 CLR P3.0CLR P3.1 . .LOOP2:CLR P3.3 MOV P2,#data1 CLR P3.0CLR P3.1.JNB P1.0，LOOP1 LOOP1JNB P1.1，LOOP2 LOOP3JNB P1.2，LOOP3 LOOP2JNB P1.3，LOOP4 LOOP0 第一位显示的起始地址LOOP3:CLR P3.3 MOV P2,#data1 CLR P3.0CLR P3.1.键盘扫描及跳转程序MOV A，P0MOV DPTR, #dataMOVC A，A+DPTRMOV B,#100DIV ABMOV direct1,BMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV direct2,BDA AMOV direct3,AMOV A,direct1DA AMOV direct1,AMOV A,direct2DA AMOV direct2,A单片机处理数字信号及转换程序