單片機課程設(shè)計—葉真良[共19頁]

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1、嘉 應(yīng) 學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院<單片機原理課程設(shè)計報告> 8通道精密模擬量數(shù)據(jù)采集器指導(dǎo)老師 吳華波 專 業(yè)自 動 化班 級0 8 2 班姓 名 葉 真 良 同組人賴 柳 明同組人溫 偉 江座 號 1 7 號學(xué)號2081022117摘 要數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。數(shù)據(jù)采 集技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域。它是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。本數(shù)據(jù)采集設(shè)計是一種基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用MAX308多路選擇開關(guān)，可以采集八通道的模擬量，A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109的數(shù)據(jù)輸出形式為12為二進制碼，

2、且與微處理器有良好的兼容特性，所以可以與89C51單片機直接相連。ICL7109所需的基準電壓由ICL7660供給，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機的簡單處理，通過與計算機的連接在串口調(diào)試助手中直接顯示。本設(shè)計稱為8通道精密模擬量數(shù)據(jù)采集器，可以采集8路模擬量，并且采用杜邦線接線模式，方便加在其他設(shè)備中使用，8路模擬信號輸入也留有接線端子，可以任意選擇一路或多路進行采集、監(jiān)控。本設(shè)計制作簡單，體積小，攜帶方便，并可以直接附加在其他設(shè)備上，用途廣泛。目 錄摘要.21 設(shè)計目的.42 設(shè)計任務(wù).43.設(shè)計方案.44數(shù)據(jù)采集器的電路設(shè)計.541 電源電路的設(shè)計.54.2數(shù)據(jù)輸入電路設(shè)計.543 ICL7109與

3、89C51單片機的硬件接口設(shè)計.64.3.1 ICL7109的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與芯片引腳功能.744單片機轉(zhuǎn)串口與計算機通信設(shè)計.1046整體電路.1146.1 整體電路原理圖.1246整體電路PCB圖.135. 軟件調(diào)試.165.1 程序流程圖.165.2 程序清單.166. 電路的裝配與調(diào)試過程.176.1電路焊接.176.2調(diào)試過程.177收獲、體會和建議.18致謝.18參考文獻.18附錄 元件清單.191設(shè)計目的1使學(xué)生在學(xué)完了單片機原理與接口技術(shù)課程的基本理論，基本知識后，能夠綜合運用所學(xué)理論知識、拓寬知識面，系統(tǒng)地進行電子電路的工程實踐訓(xùn)練，鍛煉動手能力，培養(yǎng)工程師的基本技能，提高分析問題

4、和解決問題的能力。2熟悉集成電路的引腳安排， 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法，了解數(shù)據(jù)采集器的組成及工作原理。學(xué)會檢查電路的故障與排除故障的一般方法3學(xué)會檢查電路的故障與排除故障的一般方法，掌握虛擬設(shè)計，熟悉proteus仿真軟件的使用，熟悉protel設(shè)計軟件的使用，掌握在計算機上進行電路設(shè)計與分析的方法。2.設(shè)計任務(wù)設(shè)計一能采集8個通道的模擬量的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要技術(shù)指標：（1）模擬量通道數(shù)：8；（2）AD轉(zhuǎn)換分辨率：14位（數(shù)據(jù)實質(zhì)是12位，加符號位和過量程指示位，總共14位）；（3）模擬量輸入范圍：0-4.8V；（3）數(shù)據(jù)通信與顯示方式：采集到的數(shù)據(jù)通過串

5、口發(fā)送到上位計算機，由計算機顯示數(shù)據(jù)；（4）上位計算機與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（下位機）通信方式：串口通信，主從通信方式，上位機為主機，下位機為從機。由上位機發(fā)起通信，下位機響應(yīng)，將采集到的8路數(shù)據(jù)一并發(fā)送到計算機中。3.設(shè)計方案按要求，設(shè)計數(shù)據(jù)采集器方案如下所示：數(shù)據(jù)采集器采用STC51系列單片機作為微控制器，模擬開關(guān)MAX308的地址A0、A1、A2分別與P1.0P1.2連接，通過控制P1口輸出來選擇輸入信號，將信號依次輸入送入雙積分AD轉(zhuǎn)換器ICL7109的模擬信號輸入端，在使用模擬開關(guān)時，將模擬開關(guān)的輸出端連接到ICL7109的輸入通道即可。ICL7109的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過P0口傳給單片機，單片機將

6、采集結(jié)果通過串行通信RS232接口上傳給上位PC機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。圖1 數(shù)據(jù)采集器方案示意圖4.數(shù)據(jù)采集器的電路設(shè)計下面將介紹設(shè)計電路具體方案。其中包括電源電路的設(shè)計、數(shù)據(jù)輸入設(shè)計、ICL7109與單片機連接設(shè)計、模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計、單片機轉(zhuǎn)串口與計算機通信設(shè)計。41 電源電路的設(shè)計利用ICL7660將+5V電源變換成-5V電源的電路如下圖所示。C1、C2 采用漏電小、介質(zhì)損耗低的10uF旦電容，以提高電源轉(zhuǎn)換效率。當UDD+6.5V時，5腳可直接作為輸出（將5腳沿虛線接輸出端Uo）;當UDD6.5V時，為避免損壞芯片，輸出電路需串入二極管D。該電路的輸出電流不宜超過10mA 

7、 圖2電源電路42 數(shù)據(jù)輸入電路設(shè)計數(shù)據(jù)輸入部分由模擬開關(guān)MAX308實現(xiàn)多路信號的切換。MAX308是單8路（單刀16位）模擬開關(guān)，各開關(guān)由外部輸入二進制的地址碼A0、A1、A2來切換。其中腳1、14和16是地址碼A0、A1、A2的輸入端；輸入腳A0、A1、A2分別與單片機P1.0P1.2相連，改變P1輸出即可切換輸入通道，控制腳接高。帶串行接口的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路（ADC），它包含有跟蹤/保持電路 的一個底飄溢、底噪聲、掩埋式齊納電壓基準電源。它的轉(zhuǎn)換速度快、功率消耗底、采樣速率高達308 ks/s點，滿量程輸入電壓范圍為±5V，功耗為210 mW?？膳c大多數(shù)流行的數(shù)字信號處

8、理器的串行接口直接接口，該輸入可以接收TTL或CMOS的信號電平，時鐘頻率為0.1-5.5MHz。模擬多路復(fù)用精密，8-Channel/Dual 4通道，高性能，CMOS模擬多路復(fù)用器 圖3 MAX308功能引腳圖圖4 數(shù)據(jù)輸入電路43 ICL7109與89C51單片機的硬件接口設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109的數(shù)據(jù)輸出形式為12為二進制碼，且與微處理器有良好的兼容特性，所以可以與8031單片機直接相連。硬件接口電路如圖6示： 圖中將ICL7109的MODE引腳接地。使其工作于直接輸出工作方式。將RUN/HOLD接+5V，這樣ICL7109可進行連續(xù)轉(zhuǎn)換。將STATUS線與8031的INT0相連

9、，這樣每完成一次轉(zhuǎn)換便向889C51發(fā)一次中斷請求。由于采用了385MHZ的晶振，故ICL7109完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間為T=8192（脈沖周期）58/385MHZ=13272ms，即轉(zhuǎn)換速率為75次/秒。其中ICL7660是+5V輸入5V輸出的電源極性變換器。圖中是利用STATUS的下降沿發(fā)中斷請求信號，在中斷服務(wù)程序中12位數(shù)據(jù)要分兩次讀出，分別用HBEN，LBEN控制，并能同時得到極性和是否溢出的標志。下面介紹ICL7109連續(xù)轉(zhuǎn)換時的轉(zhuǎn)換程序：ICL7109是美國Intersil公司生產(chǎn)的一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器。由于目前逐次比較式的高速12位A

10、/D轉(zhuǎn)換器一般價格都很高，在要求速度不太高的場合，如用于稱重，測壓力等各種高精度測量系統(tǒng)時，可以采用廉價的雙積分式高精度A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109。ICL7109最大的特點是其數(shù)據(jù)輸出為12位二進制數(shù)，并配有較強的接口功能，能方便的與各種微處理器相連。 4.3.1 ICL7109的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與芯片引腳功能1、ICL7109的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)ICL7109的內(nèi)部電路有模擬電路和數(shù)字電路部分組成。模擬電路部分由模擬信號輸入振蕩電路、積分、比較電路以及基準電壓源電路組成。 圖5 ICL7109與8031單片機的硬件接口下圖為數(shù)字電路部分的結(jié)構(gòu)。他由時鐘振蕩器、異步通訊握手邏輯、轉(zhuǎn)換控制邏輯以及計數(shù)器、鎖存

11、器、三態(tài)門組成。 高位字節(jié)輸出引腳 低位字節(jié)輸出引腳 17 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 16位三態(tài)輸出 ICL7109 18 16 20 14位鎖存器 模擬電路部分 12位計數(shù)器 電壓比較 振蕩器及時鐘電路轉(zhuǎn)換控制邏輯 握手 邏輯 器輸出 2 26 22 23 24 25 21 27 圖6 ICL7109數(shù)字電路部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、模擬信號輸入模擬信號可差分輸入，分別接入差分輸入高端INHI（35腳）和差分輸入低端INLO（34腳）。模擬信號公共端為COMMON（33腳）。2、時鐘電路ICL7109片內(nèi)有振動器及時鐘電路。片內(nèi)提供的多功能時鐘振動器既可用作

12、RC振蕩器，也可作為晶體振蕩器。OSCSEL（24端）為振蕩器選擇。OSCSEL（24端）為高電平或開路時片內(nèi)為RC振蕩器，此時OSCOUT（23端）和BUFOSCOUT（25端）外接電阻、電容到OSCIN（22端），如圖4所示；OSCSEL為低電平時，外接振蕩晶體，片內(nèi)為晶體振蕩器如圖5所示。接成RC振蕩器時，振蕩器頻率為045/RC（電容不能小于50PF）。接成晶體振蕩器時，內(nèi)部時鐘為58分頻后的振蕩器頻率。為了使電路具有抗50串模干擾能力。A/D轉(zhuǎn)換時應(yīng)選擇積分時間（2048個時鐘數(shù)）等于50HZ的整數(shù)倍。例如取積分時間為50HZ的1倍，即20MS，則晶體頻率F=（2048個時鐘周期）（

13、58/20MS）=5939MHZ；對于RC振蕩器，則F=（2048個時鐘數(shù)）/20ms=1024KHZ。3、接口方式ICL7109內(nèi)部有一個14位（12位數(shù)據(jù)和一個極性，一位溢出）的鎖存器和一個14位的三態(tài)輸出寄存器，可以很方便地與各種微處理器直接連接，而無須外部加額外的鎖存器。ICL7109有兩種接口方式，一種是直接接口方式，另一種是掛鉤接口方式。在直接接口方式中，ICL7109轉(zhuǎn)換結(jié)束時，由STATUS發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號到單片機，單片機對轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)分高位字節(jié)和低位字節(jié)進行讀數(shù)。在掛鉤接口方式時，ICL7109提供工業(yè)標準的（通用異步接收發(fā)送器）數(shù)據(jù)交換模式，適用于遠距離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4、I

14、CL7109外部電路的參數(shù)選擇ICL7109外部電路的連接及元件參數(shù)值如圖。 A積分電阻RINT的選擇緩沖放大器和積分器能夠提供20UA的推動電流，積分電阻要選得足夠大，以保證在輸入電壓范圍的線性。 積分電阻RINT=滿度電壓/20UA當輸入滿度電壓=4096V時，RINT=200K，此時基準電壓REFIN-和REFIN+之間為+2V，由電阻R2和電位器R1分壓取得。如滿度電壓為方便用戶4096MV，則RINT=20K，基準電壓=0.2V。RINT接入緩沖放大器輸出端BUF（30腳）。B積分電容CINT的選擇積分電容根據(jù)積分器給出的最大輸出擺幅電壓選擇。此電壓應(yīng)使積分器不飽和（大約低于電源0.

15、3V）。對ICL7109的±5V電源。模擬公共點接地，積分器輸出擺幅一般為±3.5V至±4V。對不同的時鐘頻率，電容值也要改變，以保證積分器輸出電壓的擺幅。 CINT=2048*時鐘周期*20UA/積分器輸出擺幅為了使積分器不飽和，積分器輸出的擺幅最大為±4V，所以積分器的最小電容為1UF。積分器電容越大，積分器輸出擺幅越小，所以，CINT也不應(yīng)選的過大，如果電路設(shè)計時選用不同的時鐘頻率，則積分電容應(yīng)根據(jù)上面的公式計算，以便選擇合適的CINT的值。積分電容CINT接入積分電容連接端INT（32腳）。C自動調(diào)零電容CAZ的選擇積分電容CINT選定以后，自動

16、調(diào)零電容CAZ的選擇是非常容易的。在模擬輸入信號較小時，如0409.6MV，這時抑制噪聲是主要的。而這時積分電阻又較小，所以，自動調(diào)零電容CAZ可選為比積分電容CAZ大一倍，以減少噪聲。CAZ的值越小，噪聲越小。對于大部分實際應(yīng)用系統(tǒng),由傳感器來的微小信號都要經(jīng)過放大器放大成較大的信號,如0+4096mV。這時噪聲的影響不是主要的，可把積分電容Cint選大一些以減少復(fù)零誤差，使Cint=2Caz。D基準電容Cref的選擇一般情況下Cref取值1uf較好。但如果存在一個大的共模電壓（即基準電壓低端不是模擬公共點），對于模擬輸入為0+4096MV的情況下，要求電容值較大，以防止?jié)L動誤差，在這種情況

17、下，如選Cref=10uf可以使?jié)L動誤差在05以內(nèi)。44單片機轉(zhuǎn)串口與計算機通信設(shè)計 圖8 單片機轉(zhuǎn)串口與計算機通信設(shè)計圖9 單片機轉(zhuǎn)串口與計算機通信設(shè)計46整體電路4.6.1. 整體電路原理圖 圖10 數(shù)據(jù)采集整體電路4.6.2. 整體電路PCB圖 圖11 整體電路PCB圖5.軟件調(diào)試:5.1程序設(shè)計主流程圖圖12 程序主流程圖 圖13 中斷流程圖5.2程序清單19#include<reg52.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit LBEN=P20;

18、sbit HBEN=P21;sbit CE=P22;sbit RUN=P23;bit flag,flag1;uint data num9;uchar data a,con2,i,t=0 ,b,f;void init()EX0=1;/開放外部中斷0IT0=1;/選擇外部中斷0的中斷方式為下降沿觸發(fā)方式TMOD = 0x20;/采用T1定時器，工作方式2（8位自動再裝入方式） SCON = 0x50;/串行口控制寄存器采取工作方式1 TH1 = 0xFD; TL1 = TH1; PCON = 0x00; ES = 1;/開放串行口中斷 TR1=1;/啟動定時器1EA = 1;/開總中斷LBEN=1

19、;HBEN=1;P0=0xff;void send(uint c)uchar dat1,dat2;dat1=c/256;SBUF=dat1;while(!TI); TI=0;dat2=c%256; SBUF = dat2;while(!TI); TI=0; void main()init();while(1)switch(f)case 1:P1=0x00;break;case 2:P1=0x01;break;case 3:P1=0x02;break;case 4:P1=0x03;break;case 5:P1=0x04;break;case 6:P1=0x05;break;case 7:P1=

20、0x06;break;case 8:P1=0x07;break;default:break;CE=0;RUN=1;while(!flag);flag=0;numf=num0;RUN=0;CE=1;if(f!=0&&!flag1)send(numf);if(flag1!=1)f=0; if(con0='a'&&con1='l')con0=0;con1=0;flag1=1;f=0;if(flag1=1)f+;if(f>=9) flag1=0;for(i=1;i<8;i+)send(numi);if(con0='H&

21、#39;)switch(con1)case '1':f=1;break;case '2':f=2;break;case '3':f=3;break;case '4':f=4;break;case '5':f=5;break;case '6':f=6;break;case '7':f=7;break;case '8':f=8;break;default:break;con0=0;con1=0; t=0;void read() interrupt 0LBEN=1;HBEN

22、=0;num0=P0;num0=num0*256;LBEN=0;HBEN=1;num0=P0|num0;LBEN=1;HBEN=1;flag =1;void UARTInterrupt(void) interrupt 4 if(RI) RI = 0; cont=SBUF;t+;if(t=2)t=0; else TI = 0;6. 電路的裝配與調(diào)試過程61電路焊接焊接時要主要布線和焊點的合理分布，采用手工布線，盡量做到美觀。實際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經(jīng)焊好的線，否則焊好的線很容易脫落。每焊接完一部分電路，就立即進行調(diào)試，測試無誤后方可進心下一階段的焊接。插拔集成芯片時用力要均勻，避免芯

23、片管腳在插拔中變彎、折斷62調(diào)試過程實際調(diào)試中出現(xiàn)了不少問題，如通訊不正常，采集不穩(wěn)定等等。仔細檢測后發(fā)現(xiàn)主要是電路的一些接線有錯以及虛焊。下面是我們的通電源逐級調(diào)試，逐級排除故障錯誤的調(diào)試調(diào)試過程。7收獲、體會和建議收獲與體會：1、加強了團隊合作精神，磨練了我們的意志力。我們各人之間好好的配合，分工合作，設(shè)計過程沒有一團亂麻。更為可貴的是，我們彼此鼓勵，同舟共濟地處理每個問題。這種團隊精神將是我們美好的回憶。我們花了很多心血來做這個課程設(shè)計，凡事不是一帆風(fēng)順的，我們遇到了許多困難。有些困難甚至看起來難于解決，確實也是打擊了我們的信心。但我們毫不氣餒，認真地檢查電路，檢查焊接的好壞，用堅強的意

24、志解決問題，最終功夫不負有心人,我們終于把這個單片機課程設(shè)計8通道精密數(shù)據(jù)采集器設(shè)計完成了!2、加強我們對電子器件的了解。一直以來，我們都對電子器件都很感興趣，對電子應(yīng)用感到好奇。這次我們親自制作一個電子器件，雖然原理并不太復(fù)雜，但我們在這一個過程，了解電子應(yīng)用的奇妙之處。3、提高了我們使用電腦對電路進行仿真的能力。我們要進一步熟悉軟件 proteus來畫電路圖，并用它進行仿真;并用protel進行合理規(guī)劃、布線。這又讓我們的知識增多了。4、做到理論聯(lián)系實際。剛剛學(xué)過了單片機原理與接口技術(shù)這門課程，還沒完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次課程設(shè)計恰恰提供了一個好機會，讓我們從實踐中加深了對所

25、學(xué)知識的理解。5、以前我們在電路實習(xí)中學(xué)習(xí)了焊接電路板，但只是學(xué)了很短的時間，此次設(shè)計給我們上再多一次機會，提高了我們的動手能力，焊接技術(shù)也有了很大提高。6、通過撰寫說明書，掌握了畢業(yè)論文的寫作規(guī)范，我們以后撰寫畢業(yè)設(shè)計論文打下了堅定的基礎(chǔ)。致 謝指導(dǎo)老師：吳華波參 考 文 獻1、牛昱光.2008年. 單片機原理與接口技術(shù) 電子工業(yè)出版社1、康華光.2006年. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社. 2、模擬電子技術(shù) 第五版 康華光主編 高等教育出版社 2006附錄 元件清單元件清單元件名稱元件單片機AT89S521ICL71091MAX2321MAX3081ICL76601TL431110UF50.1UF31UF60.022UF10.33UF1CBB電容105j1CBB電容154jCBB電容334j0.15UF13.3NF122PF21M110K22.2K12K120K可調(diào)電阻1200K1