多路数据采集和系统控制设计

计算机控制技术 课程设计说明书
多路数据采集和控制系统设计
学生姓名： 学 院： 专 业：
学号： 中北大学信息商务学院
电气工程及其自动化
指导教师：
2013 年 01 月
中北大学
计算机控制课程 设计任务书
2012/2013 学年第 一 学期
学
院：
专
业：
学 生 姓 名：
课程设计题目：
起 迄 日 期: 课程设计地点: 指 导 教 师: 系主任：
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，该系统的 目的是便于对一些物理量进行监视、控制。即将现场采集到的数据进行处理、传 输、显示、存储等操作。换言之，其主要功能就是把模拟信号变成数字信号，并 进行分析、处理、存储和显示。
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。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。
签字：
年月日
内容摘要：
随着计算机技术的发展，数据采集系统的应用也日益广泛。数据采集是工业 控制系统中至关重要的一个环节，在生产过程中，往往需要随时检测各个环节的 温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某个检测点的任意参数进行随机 查询，将所得到的检测结果提取出来以便进行比较做出决策，调整控制方案。此 外，在科研过程中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数 据的重要手段之一。
ADC0809 是 CMOS 工艺，采用逐次逼近法的 8 位 A/D 转换芯片，28 引脚双列
直插封装，片内除 8 位 A/D 转换部分外，还有 8 路模拟开关、三态输出锁存器以 及地址锁存译码器等。它可以分别对 8 路 0~5V 模拟量输入信号进行转换，输出 量由三态锁存缓冲，可直接连到单片机的数据总线上。其内部逻辑结构图如下图 所示：
1 概述
1.1 设计数据采集器的意义
数据采集器是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备。具备实 时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。为现场数 据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证。
数据采集器在各个领域中都有广泛的运用，以后和有可能接触到这些设备， 有必要深入的分析其工作原理，电路原理。同时设计一个简单，实用的数据采集 器。完成这个课程设计也是让我们在学习了模拟电路、数字电路、微机原理、单 片机等相关课程理论知识有一个融会贯通的过程。加深对理论知识的理解，以及 学会理论知识实际应用的处理方法。为设计一个电子系统吸取经验，为今后的电 气工程综合设计和毕业设计打下坚固的基础。 同时也是为了培养我们的动手能力，我们在即将毕业的前期积累宝贵的实践经 验。为以后工作培养良好的工作态度。以分组的形式，更是让的我们深入理解了 团队合作的重要性。
如图所示：
图 2-2 系统电路图
2.3 系统框图
如图所示：
IN 0
.
A /D
.
.
A D C 0809
IN 7
单片机 A T89S51 图 2-3 系统框图
数码管 显示
3 硬件电路设计及描述
3.1 硬件系统设计原理 A/D 转换器 ADC0809 将 0~5V 模拟信号转换为数字信号，并传给 AT89S51 单片
2 系统总体方案
2.1 设计任务要求
设计一由微机控制的 A/D 数据采集和控制系统，该卡具有对 8 个通道上 0~5V 的模拟电压进行采集的能力，且可用键盘选择转换通道，选择 ADC0809 作为 A/D 转换器芯片。并在显示器上动态显示采集的数据。
2.2wk.baidu.com系统方案设计
ADC0809 将 0—5V 模拟信号转换为 00—FF 数字信号并传送 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。
图 3-2-2-2 AT89S51 引脚配置
3、复位电路设计 RES 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续
24 个振荡周期（即两个机器周期）以上。若使用频率为 6MHz 的晶振，则复位信 号持续时间应超过 4us，才能完成复位。复位操作有上电自动复位和按键手动复 位两种方式。本设计采用上电复位，如图所示：
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
设计一由微机控制的 A/D 数据采集和控制系统，该卡具有对 8 个通道上 0~5V 的模 拟电压进行采集的能力，且可用键盘选择转换通道，选择 ADC0809 作为 A/D 转换器芯 片。并在显示器上动态显示采集的数据。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等〕：
2012 2013
12 月 24 日~ 12 月 25 日 查找资料，确定方案 12 月 26 日~ 12 月 29 日 设计硬件电路，绘制电路原理图 12 月 27 日~ 12 月 31 日 软件设计，并调试通过 01 月 01 日~ 01 月 04 日 编写课程设计报告，答辩或成绩考核
系主任审查意见：
本次设计课题为多路数据采集器系统，是利用 ATMEL 公司的 AT89S51 单片机 和 ADC0809 芯片设计采集模拟电压信号，转换为数字信号，经处理后由 4 位数码 管动态扫描显示。
关键字：ADC0809 芯片 数据采集 AT89S51
目录
1 概述 ………………………………………………………………………… 1 1.1 设计数据采集器的意义 ………………………………………………… 1 1.2 担任工作 ………………………………………………………………… 1 1.3 数据采集器的主要功能 ………………………………………………… 1 2 系统总体方案 ……………………………………………………………… 2 2.1 设计任务要求 …………………………………………………………… 2 2.2 系统方案设计 ……………………………………………………………… 2 2.3 系统框图 …………………………………………………………………… 2 3 硬件电路设计及描述 ………………………………………………………… 2 3.1 硬件系统设计原理 ………………………………………………………… 2 3.2 硬件系统各个电路的设计 ………………………………………………… 3 4 软件设计流程及描述 ………………………………………………………… 8 4.1 主程序流程图 ……………………………………………………………… 8 4.2 A/D 转换流程图 …………………………………………………………… 9 5 源程序代码 …………………………………………………………………… 9 6 体会 ………………………………………………………………………… 14 参考文献 ……………………………………………………………………… 15
3.2 硬件系统各个电路的设计
3.2.1 A/D 转换电路设计
1、A/D 转换器的选取 选择 A/D 转换器件主要是从速度、精度和价格上考虑。逐次逼近型 A/D 转换
器在精度、速度和价格上都适中，是最常用的 A/D 转换器件。ADC0809 是 TI 公 司生产的 8 位逐次逼近型模数转换器，包括一个 8 位的逼近型的 ADC 部分，并带 有 8 通道的模拟多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件，可以和单 片机直接接口，为模拟通道的设计提供了很大的方便。所以本设计中选用该芯片 作为 A/D 转换电路的核心。 2、ADC0809 主要性能 a) 逐次比较型； b) CMOS 工艺制造； c) 单一电源供电； d) 无需零点和满刻度调整； e) 具有三态锁存输出缓冲器，输出与 TTL 兼容； f) 易与各种微控制器接口； g) 具有锁存控制的 8 路模拟开关； h) 分辨率：8 位； i) 功耗：15mW； j) 最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）； k) 转换时间（ fCLK 500KHz ）128us; 3、ADC0809 的内部结构及其特性
1.3 数据采集器的主要功能
我们的数据采集器采用的主要元件是 AT89S51 和 ADC0809 模数转换芯片。其 主要功能是模拟采集信号，并对信号进行处理，最终显示出来采集结果。首先我 们的模拟信号采用电位器产生，供给 ADC0809，ADC0809 有 8 路数据输入，也就 是 8 路模拟电压信号。在 AT89S51 的控制下，实现按键转换要求通道的电压值。 通过 AT89S51 的计算输出结果，显示在 4 为共阳极数码管上。
1．根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，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，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系。 3．软件设计，给出流程图及源代码并加注释。 4．用 proteus 软件绘制硬件电路原理图及调试软件进行仿真分析。
课程设计任务书
4．主要参考文献：
图 3-2-1-3 ADC0809 内部逻辑结构图
4、ADC0809 的引脚功能 ADC0809 的引脚图如下图所示：
图 3-2-1-4 ADC0809 的引脚图
3.2.2 51 单片机模块
1、AT89S51 单片机的简介 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes
1.2 担任的工作
在题目分配下来以后，我们小组的人都非常积极，把课余时间都用在查阅资 料上，常常是穿梭在图书馆和寝室之间，努力为该课题查找有用的资料。
课程设计正式开始以后我负责基本硬件部分的设计以及仿真电路图的设计， 同时参与了部分程序的编写。在仿真结果出来以后。参与了电路硬件的焊接。在 整个小组一直积极的参与这次设计。
ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令 系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单 元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统供给高性价 比的解决方案。 2、AT89S51 引脚及功能介绍 AT89S51 引脚图如下图所示：
机，然后由 51 单片机进行数据存储及数据处理，最终由数码管显示，从而完成 对模拟信号的采集。其硬件系统原理框图如下图所示：
8
路
模拟信号
ADC0809 A/D 转换
单片机 AT89S51
数码管 显示
图 3-1 硬件系统原理框图
本系统中，以 AT89S51 单片机为运算和控制的核心，它具有 4 个 8 位并行 的 I/O 端 P0~P3，其中由 P0 口控制数码管显示，P1 口控制信号输入。8 路模拟 量采集由 A/D 转换器 ADC0809 完成。
信息商务学院 电气工程及其自动化
学 号： 多路数据采集和控制系统设计
12 月 24 日 ~ 01 月 04 日 电气工程系软件实验室
下达任务书日期: 2012 年 12 月 24 日
课程设计任务书
1．设计目的：
本设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、软件程序的设计等， 使学生进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，巩固与综 合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能。
1.顾德英. 计算机控制技术（第二版）.北京邮电大学出版社,2005 2.李顺增，吴国东.微机原理及接口技术. 机械工业出版社，2004 3.李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社.2005
5．设计成果形式及要求：
1. 电路原理图 2. 软件流程图和程序清单 3. 编写课程设计报告。
6．工作计划及进度：
4、晶振电路设计
图 3-2-2-3 复位电路
AT89S51 芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器
的输入端为 XTAL1,输出端为 XTAL2,两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳