2022年ADC_多路数据采集和控制系统设计 .pdf

中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页1 1.设计目的本设计包括确定控制任务、系统总体设计、硬件系统设计、软件程序的设计等，使学生进一步学习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。2. 设计内容设计一由微机控制的A/D 数据采集和控制系统，该卡具有对八个通道上0-5V 的模拟电压进行采集的能力， 且可以用键盘选择装换通道， 选择 ADC0809作为 A/D 转换芯片。并在显示器上动态显示采集的数据。3. 设计要求（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）用 protel 软件绘制电路原理图。（4）软件设计，给出流程图及源代码并加注释。4. 系统总体设计步骤第一步：信号调理电路第二步： 8 路模拟信号的产生与A/D 转换器被测电压要求为 05V 的直流电压，可通过电位器调节产生。考虑本设计的实际需要， 我选择八位逐次比较式A/D 转换器（ADC0809） 。第三步：发送端的数据采集与传输控制器第四步：人机通道的借口电路第五步：数据传输借口电路用单片机作为控制系统的核心，处理来之ADC0809 的数据。经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，键盘仅由两个开关和一个外部中断组成，完成采样通道的选择，单片机通过接口芯片与LED 数码显示器相连，驱动显示器相应同采集到的数据。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页2 串行通信有同步和异步两种工作方式，同步方式传送速度快， 但硬件复杂；异步通信对硬件要求较低，实现起来比较简单灵活，适用于数据的随机发送和接受。采用 MAX485 芯片的转换接口。经过分析，本系统数据采集部分核心采用ADC0809， 单片机系统采用8051构成的最小系统，用 LED 动态显示采集到的数据，数据传送则选用RS-485标准，实现单片机与PC 机的通信。数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC 或其它设备）组成。系统框图如 4-1 所示图 4-1 总体设计的系统框图5.硬件系统的设计5.1 信号调理信号调理的任务：将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。多路数据采集输入通道的结构图如下图：图 5-1-1 多路数据采集输入通道结构图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页3 注：缓慢变化的信号和直流信号，采样保持电路可以省略。5.2 A/D 转换器的选取转换速度是指完成一次A/D 转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D 转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8 位逐次比较式 ADC的转换时间为 100us 左右。由于本系统的控制时间允许，可选8 位逐次比较式 A/D 转换器。5.3 A/D 转换对于该八路通道输入信号，八位A/D 转换器，其精度为80.39%2输入为 05V 时，分辨率为850.01961122FsNVv其中：FsvA/D 转换器的满量程值NADC 的二进制位数量化误差为850.0098(1)2(1)222FsNQVvADC0809 是 TI 公司生产的 8 位逐次逼近式模数转换器，包括一个8 位的逼近型的 ADC 部分，并提供一个8 通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将 8 个单端模拟信号输入， 分时进行 A/D 转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D 转换电路的核心。5.4芯片 ADC0809的引脚功能和主要性能ADC0809 八位逐次逼近式A/D 转换器是一种单片CMOS 器件，包括 8 位模拟转换器、 8 通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8 路转换开关能直接联通 8 个单端模拟信号中的任意一个。ADC0809 的引脚图及 51单片机引脚图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页4 图 5-4-1ADC0809 管脚图及51 单片机芯片管脚图ADC0809 模数转换器的引脚功能：IN0IN7:路模拟量输入。A、B、C:位地址输入，个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。ALE:地址锁存启动信号，在ALE 的上升沿，将 A、B、C 上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。D0D7:八位数据输出线， A/D 转换结果由这根线传送给单片机。OE:允许输出信号。当 OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。START:启动信号输入端， START 为正脉冲，其上升沿清除 ADC0808 的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D 开始转换。EOC:转换完成信号，当 EOC 上升为高电平时， 表明内部 A/D 转换已完成。CLK: 时钟输入信号， 0809 的时钟频率范围在101200kHz，典型值为640kHz。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 上升沿时所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进入A/D 装换，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，在高电平时，表示名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页5 转换结束。 OE 为低电平时，表示正在转换，为高电平时，允许转换结果输出。ADC0809 的主要性能 ：逐次比较型CMOS 工艺制造单电源供电无需零点和满刻度调整具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL 兼容易与各种微控制器接口具有锁存控制的8 路模拟开关分辨率： 8 位功耗： 15mW 最大不可调误差小于1LSB 转换时间 128us 转换精度： 0.4% ADC0809 没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280kHZ，典型的时钟频率为 640kHZ。5.5 ADC0809 的接线图此电路图主要接线将八路输入模拟信号转换为数字信号，为数据处理及监控模块提供输入信号。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页6 5.6 ADC0809 与 51 单片机的接口由于 ADC0809 无片内时钟，时钟信号有51 单片机的 ALE 信号经 D 触发器二分频后获得。此外，由于ADC0809 内部设有地址锁存器，所以通道地址由 P0 口的低3 位直接与ADC0809 的 A B C 相连。通道基本地址为0000H0007H。其对应关系如下表所示：表 5-6-1 ADC0809 输入通道地址ADC0809 与 51单片机的接口方法：ADC0809 与 51 单片机的接口有 3 种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本题中选用中断接口方式。由于 ADC0809 无片内时钟，时钟信号时可由单片机的ALE信号经 D触发器二分频后获得。 ALE引脚得脉冲频率是8051 时钟频率的 1/6. 该题目中单片机时钟频率采用6MHz ，则 ALE输出的频率是1MHz ，二分频后为 500Hz ，符合ADC0809 对频率的要求。由于 ADC0809 内部没有地址锁存器，所以通道地址有P0口的低 3 位直接与 ADC0809 的 A,B,C 相连。通道基本地址为0000H0007H 。控制信号：将 P2.7 作为片选信号，在启动A/D转换时。由单片机的写信号和 P2.7 控制 ADC 的地址锁存和启动转换。由于ALE和 START 连在一起，因此 ADC0809 在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和 P2.7 引脚经或非门后，产地址码输入通道C B A 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页7 生正脉冲作为 OE信号用一打开三态输出锁存器。ADC0809 与 51 单片机的接口电路如图所示：5.7 控制器、振荡源和复位电路复位电路即使电路回复到初始状态，是单片机经常的工作状态。单片机振荡电路的振荡周期和时钟电路的时钟周期决定了CPU 的时序。复位电路：采用上电外部复位电路图 5-7-1 上电外部复位电路图 5-7-2 内部振荡器方式名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页8 5.8 键盘与显示电路键盘由一组常开按键开关组成， 键盘系统的主要工作包括及时发现有键闭合，并做出相应的处理。本系统采用中断方式的开关代替键盘，完成采集通道的选择。硬件逻辑如下图所示。图 5-8-1 键盘硬件电路显示部分为八个共阴极的七段LED 显示器，8 个七段 LED 的 adp字段的引脚分别由 8 个 OC 门同相驱动器驱动。 OC 门驱动器用 7407，当 7407输出低电平时，没有电流流过LED，当 7407 输出为开路状态时，电流经100限流电阻流入 LED 显示器，每个七段 LED 的公共端都接一个反相驱动器，反相驱动器使用 75452，当某一字段需要亮时， 该 LED 公共端的反相驱动器必须是低电平输出，并且这一字段的同相驱动器必须是高电平输出。单片机通过8155名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页9 接口芯片的 A 口的位选，经 B 口确定那些字段 LED 发光。图 5-8-2 显示部分硬件电路5.9通信电路51 单片机有一个全双工的串行口，所以单片机和PC 之间可以方便的进行串口通信。进行串行通信时要满足一定的条件，如PC 的串口是 RS232电平的，而单片机的串口是TTL 电平的，两者直接必须有一个电平转换电路，这里用专用芯片 MAX485 进行转换。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页10 图 5-9-1MAX485引脚图图 5-9-2 通信接口电路6. 软件程序设计系统的软件的设计采用的是汇编语言，对单片机进行编程实现各种功能。程序是在 windows xp 环境下采用 keil 软件编写的，可以实现对八路数据的采集与处理，能实现对数据、地址的显示。6.1 主程序流程图及其程序：开始系统初始化调用数制转换子程序调用数据采集子程序取相应通道数据调用标度变换子程序调用数据显示子程序调用数据发送子程序图 6-1-1 主程序流程图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页11 主程序：ORG 0100H MAIN ：MOV SP,#60H; 给堆栈指针赋初值MOV SCON,#50H; 设置串口方式1 控制字MOV TMOD,#21H;设置波特率为9600 MOV TH1,#0FDH MOV TL1,#0FDH; 给定时器赋初值SETB TR1; 启动定时器CLR P1.7;清空 P1.7 口SETB P1.6;置 1P1.6 LOOP：MOV R0,#0FFH; 在寄存器 R0 中写入 FF MOV R4,#00H; 清空寄存器R4 LOOP1：MOV A, R4; 将寄存器 R4 的值送入累加器A SWAP A；交换 A 中的值ANL A, R4; 将 A 与 R4 中的值相与MOV R2, A; 将 A 的值放入寄存器R2,发送指令内容MOV TDH,R4 LCALL FAS ;调用发送子程序LCALL SJCL MOV R7,#064H XH: LCALL DISPLAY DJNZ R7,XH ; 调用数码管显示子程序INC R0 INC R4 CJNE R4,#08H,LOOP1 AJMP LOOP 6.2 、数码管显示子程序：DISPLAY: MOV DPTR,#DISTAB MOV R3,#01H MOV R1,#TDH DPLOP: MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV P2,R3 MOV P0,A CJINE R3,#02H,DPNEXT SETB P0.7 DPNEXT: MOV A,R3 RL A MOV R3,A INC R1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页12 LCALL DS1M CLR P0.7 CJINE R3,#10H ,DPLOP MOV P0,#00H ;一次显示结束，P0 口复位MOV P2,#00H ;P2 口复位RET 6.3 、发送子程序：FAS：SETB P1.7 MOV A, R2 MOV SBUF,A; 发送数据LCALL DSIM CLR P1.7 CLR TR0 MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H SETB TR0; 启动定时器0 S1：JB R1,S2 CLR TI; 等待接受JNB TF0,S1 CLR TF0 CLR TR0 MOV TH0,#3CH MOV TL0,#BOH;给定时器 0 设初值SETB TR0 S0：DJNZ CUOWU,FAS MOV CUOWU ,#04H LCALL BAOJING; 跳到报警程序S2：MOV A, SBUF MOV ZCI,A CLR RI CLR TR0 CLR TF0 MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H SETB TR0 S3：JB RI ,S4 JNB TF0, S3 CLR TF0 CLR TR0 MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H SETB TR0 DJNZ CUOWU,FAS 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页13 MOV CUOWU,#04H LCALL BAOJING ；跳到报警程序S4：MOV A,SBUF MOV ZC2,A CLR RI CJNE A,ZC1,S0 MOV R0,ZC1 SETB P1.6 AJMP FANHUI ；返回程序BAOJING ：CLR P1.6 FANHUI ： RET 6.4 、A/D 转换程序流程图：Y N 开始定义 A/D 转换缓冲区首地址开中断置通道数置 DPTR 启动转换等待中断各通道采完？中断处理返回关中断图 6-2-1 数据采集程序流程图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页14 主程序：ORG 0000H MOV R1,#20H MOV R2,#08 H；设定 8 个通道MOV TL0,#00H MOV TH,#0B8H MOV TMOD,#01H ；给计数器设定初值并初始化CLR ET0 ；SETB TR0 ；启动计数器MOV SCON,#40H MOV DPTR,#78FFH ；置 DPTR ，使模拟通道对应的入口地址为78FFH LOOP：MOV A,R2 SUBB A,R1 JNZ LOOP2 ；跳转至 LOOP2 MOV R1,#00H MOV DPTR ,#78FFH LOOP1：JNB TF0,LOOP1 CLR TF0 MOV TL0,#00H MOV TH0,#0B8H ；重新给计数器设初值LOOP2：MOVX DPTR,A；重启 A/D LOOP3：JP P1.0,LOOP3 LOOP4：JNP P1.0,LOOP4；由 P1.0 查询 ADC0809 的 EOC 信号，确定转换是否完成MOVX A,DPTR ；查询结果MOV R1,A ；保存结果INC DPH ；查询下一模拟通道INC R1; 同时将下一通道的值保存LJMP LOOP END 7. 课程设计心得通过这次课程设计，我深刻的了解到了数据采集系统的原理、构成部分和数据采集系统和电气工程及其自动化之间的紧密联系，该系统可以采集的发电厂运行数据包括电气参数和非电气参数两类。在此次课程设计当中学到了很多东西，确实对自己专业的理论知识和实践的结合有了很大的帮助，对我个人而言确实受益匪浅。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 15 页 - - - - - - - - - 中北大学信息与通信工程学院电气工程及其自动化计算机控制技术课程设计第页 共 15 页15 本次课程设计是一个由微机控制的A/D 数据采集控制系统， 这卡上对应有8 个通道 0 到 5V的模拟电压采集的能力， 要求用键盘选择转换通道。 在以上的设计里，基本满足了设计需求的要素。这次的课程设计主要应用的知识，有计算机控制系统的构成，接口电路与应用程序，再一次巩固了所学的理论知识。结合自己大学期间的实际积累的专业基础知识和相关专业课程知识。总体来说这是一次，理论与实践的结合， 有助于我们应用专业的理论知识解决实际问题。在这次课程设计里有很多不尽如人意的地方，但是这个设计是在我的能力范围内做的最好的设计成果。当然有些理念是参考了网上相应的资源，但是整个设计过程中， 有自己的想法， 总之，此次课程设计是我尽最大的努力完成的。8. 参考文献1. 顾德英 . 计算机控制技术（第二版）. 北京邮电大学出版社 ,2005 年2. 李顺增 . 吴国东 . 微机原理及接口技术 . 机械工业出版社， 2004年3. 李朝青 . 单片机原理及接口技术（第三版）. 北京航空航天大学出版社，2005年4. 邬宽明 . 单片机外围器件使用手册，数据传输接口器件分册. 北京航空航天大学出版社， 1998年5. 李顺增、吴国东 . 微机原理及接口技术 . 机械工业出版社， 2004年6. 张毅刚、彭喜元、孟升卫、刘兆庆. 单片机使用子程序设计（第二版）.哈尔冰工业大学出版社，2003年7. 徐爱卿、孙涵芳、盛焕明. 单片微型计算机应用和开发系统. 北京航空航天大学出版社， 1992年8王兆安 . 电力电子技术（第四版）. 西安交通大学出版社， 2002 年9. 毕满清 . 模拟电子技术基础 . 电子工业出版社， 2008 年10. 韩焱. 数字电子技术基础 . 电子工业出版社， 2009 年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 15 页 - - - - - - - - -