毕业设计(论文)-基于proteus的数据采集系统设计[管理资料]

东北石油大学
毕业设计（论文）任务书
题目基于proteus的数据采集处理系统
专业学号姓名
主要内容:
1、针对基于单片机的温度的数据采集系统进行深入的研究，分析其硬件结构和优缺点；
2、选择温度传感器和单片机、应用PROTEUS软件设计系统电路图和Keil软件设计系统程序；
3、应用PROTEUS软件仿真实现数据采集系统。

基本要求：
1、设计完善的硬件电路图；
2、应用Proteus软件仿真实现
3、提交规范的论文。

主要参考资料：
[1] 张丹，[J].仪器仪表标准化与测量，2008（1）：42-44
[2] 周润景. 基于DS18B20的温度测量模块设计[M].机械工业出版社，．
[3] [M].高等教育出版社，2004：58-67
[4] 林祝亮，武林，，2006，
完成期限：
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年月日
摘要
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、湿度和压力的场合。

本设计以温室环境作为研究对象，主要研究了温度数据采集系统的设计过程与仿真的实现方法。

针对该系统设计了基于单片机的温度数据采集系统的各部分电路并利用汇编语言设计了针对该系统的各个环节的子程序。

同时在Proteus环境下结合Keil uVision 2成功实现了基于单片机的温度数据采集系统的仿真调试。

该系统实现了温度数据的采集、处理、实时显示、开关量的控制输出、超限报警及系统键盘设置等功能。

此外，该系统可手动调节报警上下限，控制方便，操作简单。

本设计的仿真方法提高了系统的开发效率、缩短周期和降低成本，为单片机系统的开发提供了手段。

关键词：AT89C51；温度；proteus
Abstract
With the rapid development and popularization of micro-computer technology，data acquisition monitoring has become an increasingly important detection techniques
are widely used in industry and agriculture need to monitor such as temperature, humidity and pressure of the occasion. The design and simulation implementation methods of temperature data acquisition system are introduced in this paper, which takes a green house as the research object. Each part of the circuit based on the MCU temperature data acquisition system is designed for the system and the use of assembly language to design subroutine of each link for the system. At the same time, in the Proteus environment combined with Keil uVision 2 realized the virtual simulation debugging process based on MCU temperature data acquisition system. The system verify that it is possible to realize many functions, such as temperature data acquisition, data processing , displaying on real time，the output of switching value , alarm, and the keyboard operation and so on . In addition, the system can manually adjust the alarm range, convenient control and simple operation. This design of the simulation method is proved to be an effective means which raised the development efficiency, reduced the cycle time and saved costs .
Key words : AT89C51 ; temperature ; Proteus
目录
第1章绪论 (1)
研究背景及其目的意义 (1)
国内外研究现状 (2)
该课题研究的主要内容 (2)
本章小结 (3)
第2章数据采集系统方案论证 (4)
数据采集系统 (4)
方案论证 (4)
系统的元件介绍 (7)
本章小结 (18)
第3章数据采集系统原理及分析 (19)
系统总体流程图 (19)
系统各部分电路设计 (20)
本章小结 (29)
第4章软件部分 (30)
仿真软件 (30)
主程序设计 (34)
仿真结果 (39)
功能模块的调试 (41)
本章小结 (42)
结论 (43)
参考文献 (44)
致谢 (44)
附录1：程序 (45)
附录2：系统原理图 (56)
第1章绪论
研究背景及其目的意义
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。

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。

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，使系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。

[1] 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。

[1]
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统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。

相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。

这就使得以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。

国内外研究现状
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。

[1]
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。

该系统采用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。

该课题研究的主要内容
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。

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。

[2]
本系统采用下位机负责模拟数据的采集，从单片机负责采集八路数据，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，主机和从机之间用RS-232进行通信。

这样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，有利于工业过程的长期正常运行和检查。

该系统采用的是AT89才C51单片机，此芯片功能比较强大，能够满足设计要求。

本章小结
本章主要介绍了采集系统的发展历史，从20世纪50年代开始至今，并详细介绍了每个阶段的采集系统的组成。

此外，更详细阐述了采集系统现今国内外的发展情况及其在信息处理过程中的重要意义。

第2章数据采集系统方案论证
数据采集系统
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。

数据采集技术广泛引用在各个领域。

70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。

原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。

由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。

本数据采集系统以单片机AT89C51作为控制核心，以数字式温度传感器DS18B20作为测量元件，构成智能温度测量系统；同时可把采集到的数据通过RS-232总线上传给工业控制计算机进行进一步处理，系统设计方案如图2-1所示。

AT89C51
图2-1 系统框图
方案论证
单片机的选择
单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。

此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路（I/O
口），还有可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路（LCD驱动电路）等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机任务。

单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，在用KeiluVision2把程序下载到单片机内。

而本设计选用的是AT89C51。

[9]
温度采集模块[15]
方案一：低电压10位数字温度传感器AD7314。

ADI公司新近推出的AD7314是一种采用8引脚μSOIC封装的完整温度监测系统。

它包含一个带隙式温度传感器和10位模数转换器（ADC），具有温度监测的能力，℃。

AD7314带有一个与SPI，QSPI和MICRO-WIRETM协议兼容的灵活串行接口，允许它与数字信号处理器（DSP）和大多数微控制器方便地连接。

它具有低的电源电流特性，这使其适合各种应用，包括个人计算机、办公设备和消费类电子。

它的另一个特点是包含一个内部温度传感器，在－35℃～＋85℃温度范围内测量精度为±2℃，～，并且采用小外形8引脚μSOIC封装。

另外，它还具有待机工作方式的特点，可将功耗电流进一步降低到最大值为1μA。

AD7314非常适合那些低功耗、低电压是主要考虑因素的便携式和电池供电的应用场合。

这些应用包括移动电话、消费类电子、个人计算机和过程控制设备。

缺点是价格比较昂贵。

方案二：热电偶传感器。

热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常从-50～+1600 ℃)及反应快速的优点。

热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏) ，因此在进行A/D转换之前必须进行信号调理，由高放大倍数的电路将它放大到A/D转换器通常所要求的伏特级电平。

一般采用热电偶调理模板或调理模块来完成这项工作最为便捷，而自行设计、制作仪表放大器则较为繁琐且较难保证精度。

方案三：可编程分辨率一线数字温度传感器DS18B20。

DS18B20是由美国DALLAS公司提供的一种单总线系统的数字温度传感器，它可提供二进制9位温度信息，分辨率为0. 5℃，可在-55～+125℃的范围内测量温度。

从中央处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线,其指令信息和数据信息都经过单总线接口与DS18B20进行数据交换。

DS18B20完成读、写和温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，也可以由外部供给。

并且，每个DS18B20有唯一的系列号，因此同一条单总线上可以挂接多个DS18B20，构成主从结构的多点测温传感器网络。

此特性可普遍应用在包括环境监测、建筑物和设备内的温度场测量，以及过程监视和控制中的温度检测中。

由比较可知，选用方案三相对比较便宜的DS18B20更好，能提高A/ D转换精度的同时确保信号完整性，较少开发难度。

显示模块[15]
方案一：采用液晶显示。

液晶显示的优点是显示的内容多，可以提供中文显示，背景光亮度可调，硬件接线少。

缺点是容易烧毁，必须加限流电阻。

方案二：采用动态数码管显示。

优点是显示时间较为清晰，远距离也能看清。

而且价钱便宜，一个四位动态数码管才四块钱，大大节省了成本。

缺点是电路接线较多，显示内容少，只能显示数字，不能显示中文。

考虑到显示内容与方便，采用方案一较为合适
智能报警模块
方案一：采用语音芯片实现语音提示。

语音芯片优点是能输出各种录制好的声音，输出容易丰富。

缺点是电路复杂，价钱贵，而且要先录制才能播放。

方案二：采用蜂鸣器输出提示。

优点是电路简单，价钱便宜。

考虑成本与本设计只需要一种工作完成的提示，用简单的蜂鸣器电路已经足够，故选择方案二。

按键模块
键盘是一种常见的输入设备，用户可以向计算机输入数据或命令。

根据案件的识别方法分类，有编码键盘和非编码键盘两种。

通过硬件识别的键盘称编码键盘；通过软件识别的键盘成为非编码键盘。

非编码键盘有两种接口方法：一种是独立按键接口；另一种是矩阵式按键接口。

方案一：独立按键接口。

在单片机中，如果所需的按键较少，可采用独立式键盘。

每只按键接单片机的一条I/O线，通过对线的查询，即可识别各按键的状态。

如图2-2所示。

~。

无按键按下时，~。

当某按键按下时，与其相连的I/O线将得到低电平输入。

图2-2 独立按键接口图
方案二：矩阵式按键接口。

在单片机中需要的按键较多时，通常把键排成矩阵形式，这样可以节省硬件资源。

如对于20只按键接口，如采用按键独立方式，需要20个I/O口。

如采用矩阵式按键方式，则只需要9个I/O口。

如图2-3所示。

单片机系统中的非编码式键盘程序主要由判别是否有键按下子程序、键的识别子程序、找到闭合键后，读入相应的键值，再转到相应的键处理程序几个部分组成。

图2-3 矩阵式按键接口图
在该系统中所用到的按键有4个，所以采取独立按键接口方式。

串行口的选择
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。

[4]
系统的元件介绍
该系统的元器件清单如表2-1所示。

表2-1 系统的元器件清单
器件名称型号原理图中标号器件名称型号原理图中标号
AT89C51单片机
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，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

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。

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，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C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。

·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·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
·一个5向量两级中断结构
·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
引脚图如图2-4所示。

图2-4 AT89C51的引脚图
VCC：供电电压。

GND：接地。

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，如下表2-2所示。

表2-2 P3口的特殊功能
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。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

[9]
温度传感器DS18B20
系统中温度测试点的数据采集由Dallas公司的单总线数字温度传感器DS18B20完成。

DS18B20具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

图2-5 DS18B20引脚图
（1）独特的单线接口方式，只需一个接口引脚即可通信；
（2）每一个DS18B20都有一个唯一的64位ROM序列码；
（3）在使用中不需要任何外围元件；
（4）可用数据线供电，电压范围：+～+ V；
（5）测温范围：-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内精度为±℃，℃。

等效的华氏温度范围是-67°F～+257°F；
（6）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。

温度转换成12位数字信号所需时间最长为750ms，；
（7）用户可自设定非易失性的报警上下限值；
（8）告警搜索命令可识别和定位那些超过报警限值的DS18B20；
（9）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温；
（10）电源极性接反时，DS18B20不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20 的内部结构
DS18B20采用3引脚TO－92 小体积封装，其内部结构如图2-6所示，主要由4 部分组成：64位ROM序列码、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。