数据采集专业系统设计.doc
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1、目录摘要11 引言21.1 数据采集系统介绍.21.2 课程设计内容和要求31.3 设计工作任务及工作量要求32 内容提要33 系统总体方案33.1 系统设计思绪33.2 系统总体框图44 硬件电路设计及描述44.1 8253芯片及工作原理44.1.1 基础组成及工作原理44.1.2 8253和系统连接54.2 ADC0809内部功效和引脚介绍54.2.1 引脚排列及各引脚功效64.2.2 ADC0809工作方法74.2.3 ADC0809和系统连接84.3 单片机89C51引脚和功效介绍84.4 8255并行口芯片基础组成及工作原理104.4.1 8255内部结构114.4.2 8255工作
2、方法124.2.3 8255和系统连接124.5 LED显示部分接线及工作原理134.5.1 LED显示工作原理134.5.2 LED显示部分接线144.6 总体电路图145 软件设计步骤及描述155.1 主程序设计思绪155.2 部分程序设计步骤图165.2.1 8253程序步骤图165.2.2 8255程序步骤图175.2.3 数据处理步骤图175.2.4 LED显示步骤图175.3 汇编语言程序清单185.4 仿真结果216 课程设计体会21参考文件23摘要数据采集是从一个或多个信号获取对象信息过程。伴随微型计算机技术飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益关键检测技术,广泛应用于工农业等
3、需要同时监控温度、湿度和压力等场所。数据采集是工业控制等系统中关键步骤,通常采取部分功效相对独立单片机系统来实现,作为测控系统不可缺乏部分,数据采集性能特点直接影响到整个系统。本课程设计采取89C51系列单片机,89C51系列单片机基于简化嵌入式控制系统结构, 含有体积小、重量轻,含有很强灵活性。设计系统由硬件和软件两部分组成,硬件部分关键完成数据采集,软件部分完成数据处理和显示。数据采集采取AD0809模数转换芯片,含有很高稳定性,采样周期由可编程定时/计数器8253控制。完成采样数据后输入单片机内部进行处理,并送到LED显示。软件部分用Keil软件编程,操作简单,含有良好人机交互界面。程序
4、部分负责对整个系统控制和管理,采取了汇编语言进行了判别通道、数据采集处理、数据显示、数据通信等程序设计,含有很好可读性。伴随计算机在工业控制领域不停推广应用,将模拟信号转换成数字信号已经成为计算机控制系统中不可缺乏关键步骤,所以数据采集系统有着关键意义。1 引言1.1 数据采集系统介绍数据采集系统通常包含模拟信号输入输出通道和数字信号输入输出通道。数据采集系统输入又称为数据搜集;数据采集系统输出又称为数据分配。数据采集系统结构形式多个多样,用途和功效也各不相同,常见分类方法有以下多个,依据数据采集系统功效分类:数据搜集和数据分配;依据数据采集系统适应环境分类:隔离型和非隔离型,集中式和分布式,
5、高速、中速和低速型;依据数据采集系统控制功效分类:智能化数据采集系统,非智能化数据采集系统;依据模拟信号性质分类:电压信号和电流信号,高电平信号和低电平信号,单端输入(SE)和差动输入(DE),单极性和双极性;依据信号通道结构方法分类:单通道方法,多通道方法。数据采集系统任务,具体地说,就是采集传感器输出模拟信号并转换成计算机能识别数字信号,然后送入计算机,依据不一样需要由计算机进行对应计算和处理,得出所需数据。和此同时,将计算得到数根进行显示或打印,方便实现对一些物理量监视从硬件力一直看,白前数据采集系统结构形式关键有两种:一个是微型计算机数据采集系统;另一个是集散型数据采集系统。微型计算机
6、数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、AD转换器、计算机及外设等部分组成。集散型数据采集系统是计算机网络技术产物,它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。数据采集站通常是由单片机数据采集装置组成。在生产设备周围,可独立完成数据采集和预处理任务,还可将数据以数字信号形式传送给上位机。微电子技术一系列成就和微型计算机广泛应用,不仅为数据采集系统应用开拓了宽广前景,也对数据采集技术发展产生了深刻影响。数据采集系统发展趋势关键表现在以下多个方面。(1)新型快速、高分辨率数据转换部件不停涌现,大大提升了数据采集系统性能。(2)高性能单片机问世和多种数字信号处理器涌现
7、,深入推进了数据采集系统广泛应用。(3)智能化传感器(Smarts nor)发展,必将对以后数据采集系统发展产生深远影响。(4)和微型机配套数据采集部件大量问世,大大方便了数据采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技术深入发展。(5)分布式数据采集是数据采集系统发展一个关键趋势。1.2 课程设计内容和要求经过一个A/D转换器采样一个模拟电压,每隔一定时间去采样一次,每次相隔时间由定时器/计数器芯片8253控制,采样结果送入A/D转换器芯片0809,转换完成后,把转换好数字信号送入并行接口芯片8255,然后由中止控制器向CPU发出中止请求,在CPU控制下把8225中数字送入外设即CRT
8、/LED显示。1.3 设计工作任务及工作量要求(1)据题目要求指标,经过查阅相关资料,确定系统设计方案,并设计其硬件电路图。(2)画出电路原理图,分析关键模块功效及她们之间数据传输和控制关系。(3)用protel或proteus软件绘制电路原理图。(4)软件设计,给出步骤图及源代码并加注释。2 设计内容提要经过一个A/D转换器采样一个模拟电压,每隔一定时间去采样一次,每次相隔时间由定时器/计数器芯片8253控制,采样结果送入A/D转换器芯片0809,转换完成后,把转换好数字信号送入并行接口芯片8255,然后由中止控制器向CPU发出中止请求,在CPU控制下把8225中数字送入外设即CRT/LED
9、显示。3 系统总体方案3.1 系统设计思绪本设计基础思绪是:依据设计指标,首先从整体上计划好整个系统功效和性能,然后再对系统进行划分,将比较复杂系统分解为多个相对独立子系统,尤其注意对各个子系统和系统、子系统和子系统之间接口关系进行精心设计和技术指标合理分解。然后再由子系统到部件、部件到具体元器件选择和调试。各部件或子系统各自完成后再进行系统联调,直到完成总体目标。3.2 系统总体框图图3-1 系统总体框图4 硬件电路设计及描述4.1 8253芯片及工作原理4.1.1 基础组成及工作原理8253内部有三个计数器,分别成为计数器0、计数器1和计数器2,她们机构完全相同。每个计数器输入和输出全部决
10、定于设置在控制寄存器中控制字,相互之间工作完全独立。每个计数器经过三个引脚和外部联络,一个为时钟输入端CLK,一个为门控信号输入端GATE,另一个为输出端OUT。每个计数器内部有一个8位控制寄存器,还有一个16位计数初值寄存器CR、一个计数实施部件CE和一个输出锁存器OL。实施部件实际上是一个16位减法计数器,它起始值就是初值寄存器值,而初始值寄存器值是经过程序设置。输出锁存器值是经过程序设置。输出锁存器OL用来锁存计数实施部件CE内容,从而使CPU能够对此进行读操作。CR、CE和OL全部是16位寄存器,不过也能够作8位寄存器来用。8253含有3个独立计数通道,采取减1计数方法。在门控信号有效
11、时,每输入1个计数脉冲,通道作1次计数操作。当计数脉冲是已知周期时钟信号时,计数就成为定时。此次课程设计关键使用8253循环计时功效,采取8253方法2,进入这种工作方法 OUT输出高电平,装入计数值n后假如GATE为高电平,则立即开始计数,OUT保持为高电平不变; 待计数值减到“1”和“0”之间, OUT将输出宽度为一个CLK周期负脉冲,计数值为“0”时,自动重新装入计数初值n,实现循环计数,OUT将输出一定频率负脉冲序列, 其脉冲宽度固定为一个CLK周期, 反复周期为CLK周期n倍。假如在减“1”计数过程中,GATE变为无效(输入0电平),则暂停减“1”计数,待GATE恢复有效后,从初值n
12、开始重新计数。这么会改变输出脉冲速率。假如在操作过程中要求改变输出脉冲速率,CPU可在任何时候,重新写人新计数值, 它不会影响正在进行减“1”计数过程,而是从下一个计数操作用期开始按新计数值改变输出脉冲速率。4.1.2 8253和系统连接8253数据线和单片机89C51P0口连接,片选端CS经过反相器后和单片机P2.1管脚连接,输出端口ADC0809START及ALE管脚连接,控制着ADC0809采样速度,和系统连接图图4-3图4-3 8253和单片机连接图4.2 ADC0809内部功效和引脚介绍ADC0809八位逐次迫近式AD转换器是一个单片CMOS器件,包含8位模拟转换器、8通道转换开关和
13、和微处理器兼容控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中任何一个。其内部结构图4-4所表示图4-4 ADC0809内部结构4.2.1 引脚排列及各引脚功效图4-5 ADC0809芯片管脚图各引脚功效以下:(1) IN0IN7:8个通道模拟量输入端。可输入05V待转换模拟电压。(2) D0D7:8位转换结果输出端。三态输出,D7是最高位,D0是最低位。(3) A、B、C:通道选择端。当CBA=000时,IN0输入;当CBA=111时,IN7输入。(4) ALE:地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C状态锁存到内部多路开关地址锁存器中,从而选通8路模拟信号中某一路。(5) STA
14、RT:开启转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲,其下降沿开启ADC0809开始转换。脉冲宽度应大于100200ns。(6) EOC:转换结束信号输出端。开启A/D转换时它自动变为低电平。(7) OE:输出许可端。高电平许可输出(8) CLK:时钟输入端。ADC0809经典时钟频率为640kHz,转换时间约为100s。(9) REF(-)、REF(+):参考电压输入端。ADC0809参考电压为5V。(10)VCC:供电电源端。ADC0809使用5V单一电源供电。当ALE为高电平时,通道地址输入到地址锁存器中,下降沿将地址锁存,并译码。在START上升沿时,全部内部寄存器清零,在下降沿时,
15、开始进行A/D转换,此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右,转换结束信号变为低电平,EOC为低电平时,表示正在转换,为高电平时,表示转换结束。OE为低电平时,D0D7为高阻状态,OE为高电平时,许可转换结果输出。4.2.2 ADC0809工作方法 (1)定时传送方法:对于一个A/D转换器来说,转换时间作为一项技术指标是已知和固定。比如ADC0809转换时间为128s,相当于6MHzMCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序,A/D转换开启后即调用此子程序,延迟时间一到,转换肯定已经完成了,接着就可进行数据传送。 (2)查询方法:A/D转换芯片由表明转换
16、完成状态信号,比如ADC0809EOC端。所以能够用查询方法,测试EOC状态,即可确定转换是否完成,并接着进行数据传送。 (3)中止方法:把表明转换完成状态信号(EOC)作为中止请求信号,以中止方法进行数据传送。 不管使用上述哪种方法,只要一旦确定转换完成,即可经过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时,OE信号即有效,把转换数据送上数据总线,供单片机接收。4.2.3 ADC0809和系统连接模拟量输入通道选择通道0,即ADD-A、ADD-B、ADD-C引脚直接接地。参考电平和供电电源选择5V。ALE和START引脚连接在一起,接到8253OUT0引脚,在8253工作方法2下,控制这0
17、809采样间隔时间。EOC和OE及单片机外部中止0P3.2引脚相连,模数转换完成后,EOC引脚变成高电平,OE端许可输出,把转换结果经过D0-D7数据输出端和8255PA口相连,和系统连接图4-6图4-6 0809和系统连接图4.3 单片机89C51引脚图和功效介绍图4-7 单片机89C51引脚图引脚说明: VCC:电源电压 GND:地 P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,作为输出口用时,每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时,能够作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存放器或数据存放器时,它还可设定成地址数据总线复用形式。在这种模式下,P0口含有内部上拉电阻。
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