基于单片机的数据采集系统设计毕业设计论文.doc

摘要
本论文的目的就是设计实现一个具有一定实用性的实时数据采集系统。本文介绍了基于单片机的数据采集的硬件设计和软件设计。数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有非常重要的作用。本文介绍的重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机。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单片机AT89C51来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括A/D模数转换模块，显示模块，和串行接口电路。本系统能够对8路模拟量，8路开关量和1路脉冲量进行数据采集。被测数据通过TLC0838进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过串行口MAX232传输到上位机，由上位机负责数据的接受、处理和显示，并用LCD显示器来显示所采集的结果。对脉冲量进行采集时，通过施密特触发器进行整形后再送入单片机。本文对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。

关键词 数据采集 AT89C51单片机 TLC0838 MAX232

- I -
Abstract
We should combine with the structure of concrete hardware and characteristics ofrelevant software to design the system.The purpose of this thesis is to design a practicalreal-time data collection system.This article describes the hardware design and software design of the data on which based on signal-chip microcomputer .The data collection system is the link between the digital domain and analog domain.The hardware of the system focuses on signal-chip microcomputer .Data collection and communication control use modular design. The data collected to control with correspondence to adopt a machine 8051 to carry out. It has an very important function. The introductive point of this text is a data to collect the system. The part of hardware’s core is AT89C51, is also includes A/D conversion module, display module and the serial interface.The system can eight analog, eight digital pulse volume and one for data acquisition8 roads were measured the electric voltage to pass the in general use mold-few conversion of TLC0838,the realization carries on the conversion that imitates to measure the numeral to measure towards the data that collect .Then send the data to the host machine through MAX232.the host machine is responsible for data and display, LCD display is responsible display the data. The software is partly programmed with VC++. The software can realize the function of monitoring and controlling the whole system. It designs much program like data-acquisition treatment,date-display and data-communication ect.

Keywords　 Data Acquisition AT89C51 TLC0838 MAX232
目 录
摘 要…… I
Abstract II

第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外文献综述 3
1.3 论文研究内容 3
第2章 数据采集系统设计思路 5
2.1 系统主要功能 5
2.2 方案比较 5
2.2.1主从式结构 5
2.2.2单片机与PC机相连结构 7
2.3系统主程序设计 7
2.4 本章小结 9
第3章 数据采集系统的硬件设计 10
3.1 主控制器部分 10
3.1.1 单片机的组成 10
3.1.2 单片机的特点 10
3.1.3 单片机的选择 11
3.2 输入部分的选择 13
3.2.1 A/D转换芯片的选择 13
3.2.2 开关量的采集 14
3.2.3 脉冲信号的采集 15
3.3通信部分的选择 15
3.4 显示接口部分 19
3.5 键盘接口部分 20
3.6 电源部分的设计 21
3.7 单片机抗干扰电路 21
3.8 本章小结 22
第4章 数据采集系统的软件设计 23
4.1 软件总体设计框架 23
4.2标准RS-232接口软件设计 24
4.3 LCD显示子程序设计 26
4.4键盘模块软件设计 27
4.5 本章小结 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录A 32
附录B 35
附录C 38
附录D 39

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第1章 绪论
1.1 课题背景
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛应用在各个领域。
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，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IBM PC 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。
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[1]。
20世纪70年代后期，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[1]。
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[11]。
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。
数据采集系统的应用领域十分广泛。随着科学技术的发展，对有用的信号进行数据采集，分析，计算，提取等有较好的应用。一般数据采集系统主要应用于：
1．生物医学信号处理
2．多媒体技术与人机交互
3．导航与现代通信技术
4．遥感，遥测的应用
5．人工智能与模式识别，计算机技术与可视化
6．雷达，声纳信号处理
7．微弱信号处理技术
随着数据采集系统被广泛应用，在特定的行业中要获得较精确的数据，都需要对该系统进行特殊的要求：如工业现场环境恶劣，很多设备都是对数据采集产生很大的干扰源，而且一般的采集器都有多路的信号输入，他们的地线相连会导致干扰通过地线进入正在采集的信号，使得数据采集不准确，因此数据采集的抗干扰设计十分重要。
所以，在数据采集系统的发展过程中，为满足特定的要求，数据采集系统的发展前景主要有：
1．系统抗干扰性。保证获得的数据更准确。
2．实时通信。保证数据处理单元能较快的得到需要处理的数据，提高主机的运行效率。
3．高速数据采集。一般数字信号的获取需要通过对模拟信号进行采集，这就需要高速，高性能的A/D转换器。
4．低功耗性。适合于电池供电和空间受限的工作环境以及便携式场合。
1.2 国内外文献综述
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[1]。
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 论文研究内容
本文设计的数据采集系统，以AT89C51为核心，对8路模拟信号，8路开关量和1路脉冲信号进行采集。它的主要功能是完成数据采集、处理、显示、控制以及与PC机之间的通信等。在该系统中需要将模拟量转换为数据量，而 A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。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。本系统对数据采集系统体系结构及功能进行分析，设计并实现采用单片机为核心，扩展电源电路、复位电路、LCD接口电路等，并配有标准RS-232串行通信接口。系统软件采用C语言编写，软件设计采用模块化结构数据采集系统。数据采集系统需采用硬件和软件方面的抗干扰措施。

第2章 数据采集系统设计思路
2.1 系统主要功能
本系统对8路模拟信号，8路开关信号和1路脉冲信号进行采集并处理，系统设计了2个按键，当按键1按下时，系统开始工作，采集数据，当按键2按下时，系统检查是否通过RS-232连接PC机，若连接成功，则执行传输命令，把所采集的数据送入PC机进行处理。

2.2 方案比较
2.2.1主从式结构
采用下位机负责模拟数据的采集，从单片机负责采集8路数据，并应答主机发送的命令，上位机即主机是负责处理接受过来的数字量的处理及显示，从机负责A/D模数转换，并应答主机的命令，主机和从机之间用RS-232进行通信。用户可以在上位机上编写各种程序对文件中的数据进行有效查询和分析。由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D转换器，单片机等组成。具体的设计框图如图2-1所示。

模数转换器

单片机
LCD显示器

键盘
MAX232
采集信号

单片机

图2-1 主从式结构

但是由于单片机对数据的处理不够方便，所以不采用这种结构。

2.2.2单片机与PC机相连结构
系统选择一个串行的A/D转换芯片，可采集8路的模拟量。开关量采集可以直接用单片机的I/O，单片机还有两个外部中断接口，即可用来测量脉冲量的输入，采集其输入频率。单片机可以通过串口与上位PC机进行通讯，把采集到的数据发送到上位机上。具体的系统框图如图2-2所示。PC机有非常强大的运算能力，由PC机处理采集到的数据，PC机处理数据速度快，界面友好直接，所以选择单片机通过MAX232与PC机相连，便于方便地处理数据。

图 2-2 单片机与PC机相连结构

2.3系统主程序设计
采集系统软件设计采用模块化结构，总体设计流程图如图2-3所示。
系统上电后首先进行自检，检查各功能模块电子器件是否正常工作，检查完毕后进行各功能模块初始化，扫描键盘，当有“按键1”按下时，系统可读到P1口为低电平，此时系统开始执行测量数据的工作，将采集到的数据储存到特定寄存器并将储存在寄存器中的数据组送LCD显示，当有“按键2”按下时，系统检查是否与上位机已经建立连接，若连接成功则通过RS-232接口进行数据传送。
上电
系统初始化
数据采集
送LCD显示示
数据存储
传送电压标志开？
传送电流标志开？
传送脉冲标志开？
传送电压到串口
传送电流到串口
传送脉冲到串口
Y
N
Y
N
Y
N

图2-3 系统主程序流程图
2.4 本章小结
本章将两种不同的数据采集系统设计方案进行了比较，选用了单片机与PC机相连进行通信的结构。介绍了系统的主要功能，分成硬件总体设计和软件总体设计两部分介绍了整个系统，在硬件总体设计方面给出了系统各模块框图，软件设计则给出主程序流程图。通过本章可以对系统的硬件和软件有一个整体的认识。

第3章 数据采集系统的硬件设计
3.1 主控制器部分
主控制器是本系统的核心部分，它负责数据的采集及处理。在本系统中主控制器我选择了单片机，单片机控制功能强，性价比优异，体积小巧，适用于本数据采集系统。
3.1.1单片机的组成
单片机就是单片微型计算机，单片机微型计算机的核心是微处理器MPU，与一般微型计算机所不同的是是它将微处理器，内存，I/O接口，中断逻辑，定时器/计数器集成在一个集成电路芯片上。
3.1.2单片机的特点
1．高集成度，体积小，高可靠性
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
2． 控制功能强
为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。
3．低电压，低功耗，便于生产便携式产品
为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。
4．易扩展
片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
5．优异的性能价格比
单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高[2]。
3.1.3单片机的选择
在本数据采集系统中，采用了MCS-51系列：AT89C51芯片。如图3-1所示。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

图3-1 AT89C51引脚
 由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1．主要特性：
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·全静态工作：0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2．管脚说明：
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
     P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
     P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
     P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
口管脚 备选功能
P3.0 RXD 串行输入口
P3.1 TXD 串行输出口
P3.2 /INT0 外部中断0
P3.3 /INT1 外部中断1
P3.4 T0 记时器0外部输入
P3.5 T1 记时器1外部输入
P3.6 /WR 外部数据存储器写选通
P3.7 /RD 外部数据存储器读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

3.2 输入部分的选择
3.2.1A/D转换芯片的选择
在本数据采集系统需要采集8路模拟信号，选用A/D转换器TLC0838，TLC0838是美国德州仪器公司生产的8位逐次逼近模数转换器。存全8位分辨率下，它允许任意小的模拟电压编码间隔。由于TLC0838采用的是串行输入结构，因此封装体积小，可节省51系列单片机I/O资源，价格也较适中。其种类有商业级别，工作环境为0℃～+70℃，工业级别，工作环境为－40℃～+85℃。更高的可达－40℃～+125℃。在实际运用中我们选用的是TL0838I型号，满足了实际需要。TLC0838与单片机接口如图3-2所示。

图3-2 TLC0838与单片机接口
TLC0838主要特点如下：
1．8位分辨率；
2．易于和微处理器接口或独立使用；
3．可满量程工作；
4．可用地址逻辑多路器选通8输入通道；
5．单5V供电，范围为0～5V；
6．输入和输出与TTL、CMOS电平兼容；
7．时钟频率为250kHz时，其转换时间为32μs；
8．总调整误差为±1LSB。
在本数据采集系统中，需要采集4路电压模拟量和4路电流模拟量。所以还需要一个I/V转换电路将电流转换为电压。有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成 如图3-3所示：
利用同相放大电路，把电阻R1上产生的输入电压变成标准的输出电压。该同相放大电路的放大倍数为：
A=1+R4/R3 (3-1)
取R3=100KΩ，R4=150KΩ，R1=200Ω，则0~100mA输入对应于0~5V的电压输出。

图3-3 I/V变换电路

3.2.2开关量的采集
对开关量的采集电路相对比较简单，因为开关量的状态只有0和1两种，所以只要用单片机的并口就可以了，本数据采集系统用的是P2口，各开关通过扩展输入口74LS244与单片机相连。开关合上时将P2口的相应引脚送低电平，反之，开关打开时送高电平。
由于工作现场常有电磁，震动，温度等干扰信号，以及各类执行器所要求的开关电压量级与功率不同，所以在接口电路中除根据需要选用不同元器件外，还需要各种缓冲，隔离与驱动措施。
74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。74LS244没有锁存的功能。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。
它主要用于三态输出，作为地址驱动器，时钟驱动器和总线驱动器，定向发送器等。当微处理器与存储器交换信号时，首先由CPU发出存储器地址，同时发出允许锁存信号ALE给锁存器，当锁存器接到该信号后将地址/数据总线上的地址锁存在总线上，随后才能传输数据。
锁存器是一个很普通的时序电路。一般的，它在时钟上升沿或者下降沿来的时候锁存输入，然后产生输出，在其他的时候输出都不跟随输入变化，这就是所谓边缘触发的D触发器。
单片机与74LS244接口的电路图如图3-4所示。

图3-4 74LS244与单片机接口图
3.2.3脉冲信号的采集
脉冲信号是周期变化的信号，AT89C51单片机有两个外部中断INT0和INT1接口，利用这两个外部中断输入接口，可以对脉冲量信号进行测量。脉冲量可以直接送到单片机的外部中断接口，本数据采集系统用施密特触发器进行整形后送入单片机。
　　利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。 当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的［6］。
施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。
对脉冲量采集的过程如下：将T0设置为方式1的定时方式，且GATE=1，计数器初值为0，将TR0置1。当INT0引脚上出现高电平时，加1计数器开始对机器周期计数，当INT0引脚上信号变为低电平时，停止计数，然后读出TH0、TL0的值，即为脉冲宽度[8]。
3.3通信部分的选择
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯两种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。该串行口我选用了标准RS-232C接口，它是电平与TTL电平转换驱动电路。常用的芯片是MAX232，MAX232的优点是。
1．一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。
2．单一电源+5V供电
3．它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。
在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C接口(又称 EIA RS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。
MAX232分为三部分。第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚、12脚、11脚、14脚为第一数据通道。 8脚、9脚、10脚、7脚为第二数据通道。TL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC。
1．传输电缆长度：由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺[7]。
2．接口的电气特性：在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑1，-5~ -15V；逻辑0， +5~+15V 。噪声容量为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑0，高于-3V的信号作为逻辑1。
3．接口的物理结构：RS-232C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端。一些设备与PC机连接的RS-232-C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。
4．接口的信号内容：实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容。见表3-2所示。

表3-2 常用引线的信号内容
引脚序号
信号名称
符号
流向
功能
2
发送数据
TXD
DTE->DCE
DTE发送串行数据
3
接收数据
RXD
DTE<-DCE
DTE接收串行数据
4
请求发送
RTS
DTE->DCE
DTE请求DCE将线路切换到发送方式
5
允许发送
CTS
DTE<-DCE
DCE告诉DTE线路已接通可以发送数据
6
数据设备准备好
DSR
DTE<-DCE
DCE准备好
7
信号地

信号公共地
8
载波检测
DCD
DTE<-DCE
表示DCE接收到远程载波
20
数据终端准备好
DTR
DTE->DCE
DTE准备好
22
振铃指示
RI
DTE<-DCE
表示DCE与线路接通，出现振铃
当PC发送数据1即逻辑高电平时，该信号从PC的RS232的串行口连接器CN1的第3脚输出到MAX232的第8脚，RS232的逻辑1电压为—12V，MAX232将其转换成单片机的逻辑1电压+5V；当PC机发送数据0即逻辑低电平时，该信号从PC的RS232串行口连接器CN1的第3脚输出到MAX232的第7脚，RS232的逻辑0电压为+12V，MAX232将其转变为单片机的逻辑1电压0V；当单片机需要向PC发送数据1时，该信号的电压为+5V，从TxD输入到MAX232的第11脚，该电压经过MAX232转换为RS232电平后信号电压为—12V，PC接收到来自单片机的数字1；当单片机需要向PC发送数据0时，该信号的电压为0V，从TxD输入到MAX232的第11脚，该电压经过MAX232转换为RS232电平后信号电压为+12V，PC机接收到来自单片机的数字0。
MAX232芯片是美信公司专门用+5V单电源供电，是为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路， MAX232的引脚图如图3-5所示。

图3-5 MAX232引脚图
其中引脚1-6(C1+、V+、C1_、C2+、C2-、V-)用于电源电压转换，只要在外部接入相应电解电容即可；引脚7-10和引脚11-14构成两组TTL信号电平与RS-232C信号电平的转换电路，对应引脚可直接与单片机串行口的TTL电平引脚和PC的RS-232C电平引脚相连。
单片机与MAX232的连接如图3-7所示。

图3-6 MAX232与单片机接口图
3.4 显示接口部分
本数据采集系统需要对电压信号，电流信号及脉冲信号进行显示。显示部分选用的是LCD液晶显示。选用的芯片是LCM1602。与LED相比，LCD芯片功耗低且价格低廉。
1602是典型的字符点阵LCD，可以显示16位×2行共32个字符。驱动电压为+5.0V/3.3V。背光灯有黄绿色、白色等。1602与单片机连接图如图3-7所示。

图3-7 LCM1602引脚图
1602采用标准的16脚接口。接口定义及功能如表3-3所示。
表3-3 1602接口定义及功能表
引脚编号

符 号

含 义

功 能
1
VSS
接地
电源地
2
VDD
接电源
电源正极
3
Vo
液晶驱动电压
对比度调整端
4
RS
寄存器选择
高电平：选择数据寄存器
低电平：选择指令寄存器
5
R/W
读/写信号
高电平：读
低电平：写
6
EN
片选使能
EN端电平下降沿触发模块工作
7~14
D0~D7
双向数据线
传输数据
15
BLK
背光灯引脚
接阴极
16
BLA
背光灯引脚
接阳极
1602的显示原理是：在其内部存储器中保存字符图形，通过控制器向1602写入指定的显示存储地址，相应地址对应的字符即被显示到液晶屏幕上。
在1602内部的字符发生存储器(CGROM)中已经储存了160个不同的点阵字符图形。这些字符包括：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等。每个字符都有一个固定的代码。
1602与单片机连接如图所示。图中利用P2.7和WR，RD逻辑组合后作为LCM1602的使能控制；P1.0和P1.1分别作为LCM的RS和R/W的控制信号。当单片机对外部地址7FFFH单元进行读和写操作时，LCM1602的工作使能端有效，驱动程序通过设置P1.0和P1.1的电平状态以选择LCM1602的命令或数据寄存器及LCM1602的读或写操作。1602与单片机接口示意图如图3-8所示。

图3-8 显示部分接口

3.5 键盘接口部分
键盘是本系统中进行人机对话的接口，是单片机系统数据输入的重要方式。键盘的接法灵活多样，最简单的方式为独立式接法，即利用单片机读取I/O口的电平高低来判断是否有键按下。
这里所说的按键采用金属接触方式，开关的原理是触电导通或断开。
在本数据采集系统中设置了两个按键——开启/关闭键和数据传送键。分别与单片机的P3.4和P3.5口相连。如图3-9所示。

图3-9键盘接口
3.6 电源部分的设计
本系统使用5V电源供电，故需要一个电源转换电路。电路输入220v交流电，经过全桥整流，稳压后输出稳定的5V直流电。变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个330uF/25V的电解电容。
变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。
三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。
因为要输出5V的电压，所以选用7805。三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。最后在C两端接一个输出电源的插针。电源的设计图如图3-10所示。

图3-10电源设计电路