1、摘要本論文的目的就是設計實現一個具有一定實用性的實時數據采集系統。本文介紹了基于單片機的數據采集的硬件設計和軟件設計。數據采集系統是模擬域與數字域之間必不可少的紐帶，它的存在具有非常重要的作用。本文介紹的重點是數據采集系統，而該系統硬件部分的重心在于單片機。數據采集與通信控制采用了模塊化的設計，數據采集與通信控制采用了單片機AT89C51來實現，硬件部分是以單片機為核心，還包括A/D模數轉換模塊，顯示模塊，和串行接口電路。本系統能夠對8路模擬量，8路開關量和1路脈沖量進行數據采集。被測數據通過TLC0838進行模數轉換，實現對采集到的數據進行模擬量到數字量的轉換，并將轉換后的數據通過串行口MA

2、X232傳輸到上位機，由上位機負責數據的接受、處理和顯示，并用LCD顯示器來顯示所采集的結果。對脈沖量進行采集時，通過施密特觸發器進行整形后再送入單片機。本文對數據采集系統、模數轉換系統、數據顯示、數據通信等程序進行了設計。關鍵詞 數據采集 AT89C51單片機 TLC0838 MAX232- I -AbstractWe should combine with the structure of concrete hardware and characteristics ofrelevant software to design the system.The purpose of this th

3、esis is to design a practicalreal-time data collection system.This article describes the hardware design and software design of the data on which based on signal-chip microcomputer .The data collection system is the link between the digital domain and analog domain.The hardware of the system focuses

4、 on signal-chip microcomputer .Data collection and communication control use modular design. The data collected to control with correspondence to adopt a machine 8051 to carry out. It has an very important function. The introductive point of this text is a data to collect the system. The part of har

5、dwares core is AT89C51, is also includes A/D conversion module, display module and the serial interface.The system can eight analog, eight digital pulse volume and one for data acquisition8 roads were measured the electric voltage to pass the in general use mold-few conversion of TLC0838,the realiza

6、tion carries on the conversion that imitates to measure the numeral to measure towards the data that collect .Then send the data to the host machine through MAX232.the host machine is responsible for data and display, LCD display is responsible display the data. The software is partly programmed wit

7、h VC+. The software can realize the function of monitoring and controlling the whole system. It designs much program like data-acquisition treatment,date-display and data-communication ect.Keywords Data Acquisition AT89C51 TLC0838 MAX232 目 錄 摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 國內外文獻綜述31.3 論文研究內容3第2章 數

8、據采集系統設計思路52.1 系統主要功能52.2 方案比較52.2.1主從式結構52.2.2單片機與PC機相連結構72.3系統主程序設計72.4 本章小結9第3章 數據采集系統的硬件設計103.1 主控制器部分103.1.1 單片機的組成103.1.2 單片機的特點103.1.3 單片機的選擇113.2 輸入部分的選擇133.2.1 A/D轉換芯片的選擇133.2.2 開關量的采集143.2.3 脈沖信號的采集153.3通信部分的選擇153.4 顯示接口部分193.5 鍵盤接口部分203.6 電源部分的設計213.7 單片機抗干擾電路213.8 本章小結22第4章 數據采集系統的軟件設計234

9、.1 軟件總體設計框架234.2標準RS-232接口軟件設計244.3 LCD顯示子程序設計264.4鍵盤模塊軟件設計274.5 本章小結28結論29致謝30參考文獻31附錄A32附錄B35附錄C38附錄D39- 63 -第1章 緒論1.1 課題背景數據采集，又稱數據獲取，是利用一種裝置，從系統外部采集數據并輸入到系統內部的一個接口。數據采集技術廣泛應用在各個領域。近年來，數據采集及其應用受到了人們越來越廣泛的關注，數據采集系統也有了迅速的發展，它可以廣泛的應用于各種領域。數據采集技術是信息科學的重要分支之一，它研究信息數據的采集、存儲、處理以及控制等問題。它是對傳感器信號的測量與處理, 以微

10、型計算機等高技術為基礎而形成的一門綜合應用技術。數據采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機技術的飛速發展和普及，數據采集監測已成為日益重要的檢測技術，廣泛應用于工農業等需要同時監控溫度、濕度和壓力等場合。數據采集是工業控制等系統中的重要環節,通常采用一些功能相對獨立的單片機系統來實現，作為測控系統不可缺少的部分，數據采集的性能特點直接影響到整個系統。盡管現在以微機為核心的可編程數據采集與處理技術作為數據采集技術的發展方向得到了迅速的發展，并且適于通用微機(如IBM PC 系列) 使用的板卡級數據采集產品也已大量出現，組成一個數據采集系統簡單到只需要一塊數據采集卡,把它插在微

11、機的擴展槽內，并輔以應用軟件,就能實現數據采集功能，但這并不會對基于單片機為核心的數據采集系統產生影響，因為單片機功能強大、抗干擾能力強、可靠性高、靈活性好、開發容易等優點，使得基于單片機為核心的數據采集系統在許多領域得到了廣泛的應用。數據采集系統起始于20世紀50年代，1956年美國首先研究了用在軍事上的測試系統，目標是測試中不依靠相關的測試文件，由非成熟人員進行操作，并且測試任務是由測試設備高速自動控制完成的。由于該種數據采集測試系統具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統方法不能完成的數據采集和測試任務，因而得到了初步的認可。大概在60年代后期，國內外就有成套的數據采集設備和系統多屬于

12、專用的系統1。20世紀70年代后期，隨著微型機的發展，誕生了采集器、儀表同計算機溶為一體的數據采集系統。由于這種數據采集系統的性能優良，超過了傳統的自動檢測儀表和專用數據采集系統，因而獲得了驚人的發展。從70年代起，數據采集系統發展過程中逐漸分為兩類，一類是實驗室數據采集系統，一類是工業現場數據采集系統1。20世紀80年代隨著計算機的普及應用，數據采集系統得到了很大的發展，開始出現了通用的數據采集與自動測試系統。該階段的數據采集系統主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計算機組成。這類系統主要應用于實驗室，在工業生產現場也有一定的應用。第二類以數據采集卡、標準總線和計算機構成，這一

13、類在工業現場應用較多。20世紀80年代后期，數據采集發生了很大變化，工業計算機、單片機和大規模集成電路的組合，用軟件管理，是系統的成本減低，體積變小，功能成倍增加，數據處理能力大大加強11。20世紀90年代至今，在國際上技術先進的國家，數據采集系統已成功的運用到軍事、航空電子設備及宇航技術、工業等領域。由于集成電路制造技術的不斷提高，出現了高性能、高可靠的單片機數據采集系統(DAS)。數據采集技術已經成為一種專門的技術，在工業領域得到了廣泛的應用。該階段的數據采集系統采用模塊式結構，根據不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結合系統編程，就可擴展或修改系統，迅速組成一個新的系統。數據采集

14、系統的應用領域十分廣泛。隨著科學技術的發展，對有用的信號進行數據采集，分析，計算，提取等有較好的應用。一般數據采集系統主要應用于：1生物醫學信號處理2多媒體技術與人機交互3導航與現代通信技術4遙感，遙測的應用5人工智能與模式識別，計算機技術與可視化6雷達，聲納信號處理7微弱信號處理技術隨著數據采集系統被廣泛應用，在特定的行業中要獲得較精確的數據，都需要對該系統進行特殊的要求：如工業現場環境惡劣，很多設備都是對數據采集產生很大的干擾源，而且一般的采集器都有多路的信號輸入，他們的地線相連會導致干擾通過地線進入正在采集的信號，使得數據采集不準確，因此數據采集的抗干擾設計十分重要。所以，在數據采集系統

15、的發展過程中，為滿足特定的要求，數據采集系統的發展前景主要有：1系統抗干擾性。保證獲得的數據更準確。2實時通信。保證數據處理單元能較快的得到需要處理的數據，提高主機的運行效率。3高速數據采集。一般數字信號的獲取需要通過對模擬信號進行采集，這就需要高速，高性能的A/D轉換器。4低功耗性。適合于電池供電和空間受限的工作環境以及便攜式場合。1.2 國內外文獻綜述數據采集系統是通過采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成數字信號，并進行分析、處理、傳輸、顯示、存儲和顯示。它起始于20世紀中期，在過去的幾十年里，隨著信息領域各種技術的發展，在數據采集方面的技術也取得了長足的進步，采集數據的信息化是目前社會的發展

16、主流方向。各種領域都用到了數據采集，在石油勘探、科學實驗、飛機飛行、地震數據采集領域已經得到應用。我國的數字地震觀測系統主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震數據采集系統。近年來，又成功研制了動態范圍更大、線性度更高、兼容性更強、低功耗可靠性的TDE-324C型地震數據采集系統。該數據采集對拾震計輸出的電信號模擬放大后送至A/D數字化，A/D采用同時采樣，采樣數據經DSP數字濾波處理后，變成數字地震信號。該數據采集系統具備24位A/D轉化位數，采樣率有50HZ、100HZ、200HZ1。由美國PASCO公司生產的“科學工作室”是將數據采集應用于物理實驗的嶄新系統，它由3部分組成：1傳

17、感器：利用先進的傳感技術可實時采集技術可實時采集物理實驗中各物理量的數據；2計算機接口：將來自傳感器的數據信號輸入計算機，采樣速率最高為25萬次/S；3軟件：中文及英文的應用軟件。受需求牽引，新一代機載數據采集系統為滿足飛行實驗應用也在快速地發展。如愛爾蘭ACRA公司2000年研發推出的新一代KAM500機載數據采集系統到了2006年。本系統采用16位(A/D)模擬數字變換，總采樣率達500K/S，同步時間為+/-250ns，可以利用方式組成高達1000通道的大容量的分布式采集系統。1.3 論文研究內容本文設計的數據采集系統，以AT89C51為核心，對8路模擬信號，8路開關量和1路脈沖信號進行

18、采集。它的主要功能是完成數據采集、處理、顯示、控制以及與PC機之間的通信等。在該系統中需要將模擬量轉換為數據量，而 A/D是將模擬量轉換為數字量的器件，他需要考慮的指標有：分辨率、轉換時間、轉換誤差等等。而單片機是該系統的基本的微處理系統，它完成數據讀取、處理及邏輯控制，數據傳輸等一系列的任務。傳統的基于單片機的數據采集系統由于沒有上位機的支持，不管采用什么樣的數據存儲器，它的存儲容量都是有限的，所以不得不對存儲的歷史數據進行覆蓋刷新，這樣不利于用戶對數據進行整體分析，因而也不能對生產過程的狀況進行準確的把握。本系統對數據采集系統體系結構及功能進行分析，設計并實現采用單片機為核心，擴展電源電路

19、、復位電路、LCD接口電路等，并配有標準RS-232串行通信接口。系統軟件采用C語言編寫，軟件設計采用模塊化結構數據采集系統。數據采集系統需采用硬件和軟件方面的抗干擾措施。第2章 數據采集系統設計思路2.1 系統主要功能本系統對8路模擬信號，8路開關信號和1路脈沖信號進行采集并處理，系統設計了2個按鍵，當按鍵1按下時，系統開始工作，采集數據，當按鍵2按下時，系統檢查是否通過RS-232連接PC機，若連接成功，則執行傳輸命令，把所采集的數據送入PC機進行處理。2.2 方案比較2.2.1主從式結構采用下位機負責模擬數據的采集，從單片機負責采集8路數據，并應答主機發送的命令，上位機即主機是負責處理接

20、受過來的數字量的處理及顯示，從機負責A/D模數轉換，并應答主機的命令，主機和從機之間用RS-232進行通信。用戶可以在上位機上編寫各種程序對文件中的數據進行有效查詢和分析。由信號調理電路，多路切換電路，采樣保持電路，A/D轉換器，單片機等組成。具體的設計框圖如圖2-1所示。模數轉換器單片機LCD顯示器鍵盤MAX232采集信號單片機圖2-1 主從式結構但是由于單片機對數據的處理不夠方便，所以不采用這種結構。2.2.2單片機與PC機相連結構系統選擇一個串行的A/D轉換芯片，可采集8路的模擬量。開關量采集可以直接用單片機的I/O，單片機還有兩個外部中斷接口，即可用來測量脈沖量的輸入，采集其輸入頻率。

21、單片機可以通過串口與上位PC機進行通訊，把采集到的數據發送到上位機上。具體的系統框圖如圖2-2所示。PC機有非常強大的運算能力，由PC機處理采集到的數據，PC機處理數據速度快，界面友好直接，所以選擇單片機通過MAX232與PC機相連，便于方便地處理數據。圖 2-2 單片機與PC機相連結構2.3系統主程序設計采集系統軟件設計采用模塊化結構，總體設計流程圖如圖2-3所示。系統上電后首先進行自檢，檢查各功能模塊電子器件是否正常工作，檢查完畢后進行各功能模塊初始化，掃描鍵盤，當有“按鍵1”按下時，系統可讀到P1口為低電平，此時系統開始執行測量數據的工作，將采集到的數據儲存到特定寄存器并將儲存在寄存器中

22、的數據組送LCD顯示，當有“按鍵2”按下時，系統檢查是否與上位機已經建立連接，若連接成功則通過RS-232接口進行數據傳送。上電系統初始化數據采集送LCD顯示示數據存儲傳送電壓標志開？傳送電流標志開？傳送脈沖標志開？傳送電壓到串口傳送電流到串口傳送脈沖到串口YNYNYN圖2-3 系統主程序流程圖2.4 本章小結本章將兩種不同的數據采集系統設計方案進行了比較，選用了單片機與PC機相連進行通信的結構。介紹了系統的主要功能，分成硬件總體設計和軟件總體設計兩部分介紹了整個系統，在硬件總體設計方面給出了系統各模塊框圖，軟件設計則給出主程序流程圖。通過本章可以對系統的硬件和軟件有一個整體的認識。第3章 數

23、據采集系統的硬件設計3.1 主控制器部分主控制器是本系統的核心部分，它負責數據的采集及處理。在本系統中主控制器我選擇了單片機，單片機控制功能強，性價比優異，體積小巧，適用于本數據采集系統。3.1.1單片機的組成單片機就是單片微型計算機，單片機微型計算機的核心是微處理器MPU，與一般微型計算機所不同的是是它將微處理器，內存，I/O接口，中斷邏輯，定時器/計數器集成在一個集成電路芯片上。3.1.2單片機的特點1高集成度，體積小，高可靠性 單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業測控環境要求設計的，內部布線很短，其抗工業噪音性能優于一般通用的CPU。單

24、片機程序指令，常數及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。2 控制功能強 為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統均有極豐富的條件:分支轉移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 3低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統，許多單片機內的工作電壓僅為1.8V3.6V，而工作電流僅為數百微安。 4易擴展 片內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構成各種規模的計算機應用系統。 5優異的性能價格比 單片機的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機已開始使用R

25、ISC流水線和DSP等技術。單片機的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達到1MB和16MB，片內的ROM容量可達62MB，RAM容量則可達2MB。由于單片機的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比極高2。3.1.3單片機的選擇在本數據采集系統中，采用了MCS-51系列：AT89C51芯片。如圖3-1所示。AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次，

26、該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。圖3-1 AT89C51引腳 由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。1主要特性：·與MCS-51 兼容 ·4K字節可編程閃爍存儲器 ·全靜態工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數器·5個中斷源 ·

27、;可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內振蕩器和時鐘電路 2管腳說明：P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。     P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電

28、平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。      P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程

29、和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。     P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD 串行輸入口 P3.1 TXD 串行輸出口 P3.2 /INT0 外部中斷0 P3.3 /INT1 外部中斷1 P3.4 T0 記時器0外部輸入 P3.5 T1 記時器1外部輸入 P3.6 /WR 外

30、部數據存儲器寫選通 P3.7 /RD 外部數據存儲器讀選通 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。3.2 輸入部分的選擇3.2.1A/D轉換芯片的選擇在本數據采集系統需要采集8路模擬信號，選用A/D轉換器TLC0838，TLC0838是美國德州儀器公司生產的8位逐次逼近模數轉換器。存全8位分辨率下，它允許任意小的模擬電壓編碼間隔。由于TLC0838采用的是串行輸入結構，因此封裝體積小，可節省51系列單片機I/O資源，價格也較適中。其種類有商業級別，工作環境為0+70，工業級別，工作環境為40+85。更高的可

31、達40+125。在實際運用中我們選用的是TL0838I型號，滿足了實際需要。TLC0838與單片機接口如圖3-2所示。圖3-2 TLC0838與單片機接口TLC0838主要特點如下：18位分辨率；2易于和微處理器接口或獨立使用；3可滿量程工作；4可用地址邏輯多路器選通8輸入通道；5單5V供電，范圍為05V；6輸入和輸出與TTL、CMOS電平兼容；7時鐘頻率為250kHz時，其轉換時間為32s；8總調整誤差為±1LSB。 在本數據采集系統中，需要采集4路電壓模擬量和4路電流模擬量。所以還需要一個I/V轉換電路將電流轉換為電壓。有源I/V變換主要是利用有源器件運算放大器、電阻組成 如圖3

32、-3所示：利用同相放大電路，把電阻R1上產生的輸入電壓變成標準的輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數為：A=1+R4/R3 (3-1)取R3=100K，R4=150K，R1=200，則0100mA輸入對應于05V的電壓輸出。圖3-3 I/V變換電路3.2.2開關量的采集對開關量的采集電路相對比較簡單，因為開關量的狀態只有0和1兩種，所以只要用單片機的并口就可以了，本數據采集系統用的是P2口，各開關通過擴展輸入口74LS244與單片機相連。開關合上時將P2口的相應引腳送低電平，反之，開關打開時送高電平。由于工作現場常有電磁，震動，溫度等干擾信號，以及各類執行器所要求的開關電壓量級與功率不同，所以在

33、接口電路中除根據需要選用不同元器件外，還需要各種緩沖，隔離與驅動措施。74LS244為3態8位緩沖器，一般用作總線驅動器。74LS244沒有鎖存的功能。地址鎖存器就是一個暫存器，它根據控制信號的狀態，將總線上地址代碼暫存起來。它主要用于三態輸出，作為地址驅動器，時鐘驅動器和總線驅動器，定向發送器等。當微處理器與存儲器交換信號時，首先由CPU發出存儲器地址，同時發出允許鎖存信號ALE給鎖存器，當鎖存器接到該信號后將地址/數據總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數據。 鎖存器是一個很普通的時序電路。一般的，它在時鐘上升沿或者下降沿來的時候鎖存輸入，然后產生輸出，在其他的時候輸出都不跟隨輸入變化，

34、這就是所謂邊緣觸發的D觸發器。單片機與74LS244接口的電路圖如圖3-4所示。圖3-4 74LS244與單片機接口圖 3.2.3脈沖信號的采集脈沖信號是周期變化的信號，AT89C51單片機有兩個外部中斷INT0和INT1接口，利用這兩個外部中斷輸入接口，可以對脈沖量信號進行測量。脈沖量可以直接送到單片機的外部中斷接口，本數據采集系統用施密特觸發器進行整形后送入單片機。利用施密特觸發器狀態轉換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。 當輸入電壓由低向高增加，到達V+時，輸

35、出電壓發生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達V-，輸出電壓發生突變，因而出現輸出電壓變化滯后的現象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的6。施密特觸發器也有兩個穩定狀態，但與一般觸發器不同的是，施密特觸發器采用電位觸發方式，其狀態由輸入信號電位維持；對于負向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發器有不同的閥值電壓。對脈沖量采集的過程如下：將T0設置為方式1的定時方式，且GATE=1，計數器初值為0，將TR0置1。當INT0引腳上出現高電平時，加1計數器開始對機器周期計數，當INT0引腳上信號變為低電平時，停止計數，然后讀出TH0、TL0的值，即為脈沖寬度8。3.3通

36、信部分的選擇計算機與計算機或計算機與終端之間的數據傳送可以采用串行通訊和并行通訊兩種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。該串行口我選用了標準RS-232C接口，它是電平與TTL電平轉換驅動電路。常用的芯片是MAX232，MAX232的優點是。1一片芯片可以完成發送轉換和接收轉換的雙重功能。2單一電源+5V供電3它的電路設計與連接比較簡單而且功能齊全。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。 RS-232-C接口(又稱 EIA RS-232-C)是目前最常用的一種串行通訊接口。它是

37、在1970年由美國電子工業協會(EIA)聯合貝爾系統、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標 準。它的全名是“數據終端設備(DTE)和數據通訊設備(DCE)之間 串行二進制數據交換接口技術標準”該標準規定采用一個25個腳的 DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內容加以規定，還對各種信號的電平加以規定。MAX232分為三部分。第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。 其中13腳、12腳、1

38、1腳、14腳為第一數據通道。 8腳、9腳、10腳、7腳為第二數據通道。TL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC。1傳輸電纜長度：由RS-232C標準規定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長度應為50英尺，其實這個4%的碼元畸變是很保守的，在實際應用中，約有99%的用戶是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實際使用中最大距離會遠超過50英尺7。2接口的電氣特性：在RS-2

39、32-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即：邏輯1，-5 -15V；邏輯0， +5+15V 。噪聲容量為2V。即要求接收器能識別低至+3V的信號作為邏輯0，高于-3V的信號作為邏輯1。3接口的物理結構：RS-232C接口連接器一般使用型號為DB-25的25芯插頭座，通常插頭在DCE端，插座在DTE端。一些設備與PC機連接的RS-232-C接口，因為不使用對方的傳送控制信號，只需三條接口線，即“發送數據”、“接收數據”和“信號地”。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。4接口的信號內容：實際上RS-232-C的25條引線中有許多是很少使用的，在計算機與終端通訊中一般只使用3-

40、9條引線。RS-232-C最常用的9條引線的信號內容。見表3-2所示。表3-2 常用引線的信號內容引腳序號信號名稱符號流向功能2發送數據TXDDTE->DCEDTE發送串行數據3接收數據RXDDTE<-DCEDTE接收串行數據4請求發送RTSDTE->DCEDTE請求DCE將線路切換到發送方式5允許發送CTSDTE<-DCEDCE告訴DTE線路已接通可以發送數據6數據設備準備好DSRDTE<-DCEDCE準備好7信號地信號公共地8載波檢測DCDDTE<-DCE表示DCE接收到遠程載波20數據終端準備好DTRDTE->DCEDTE準備好22振鈴指示RID

41、TE<-DCE表示DCE與線路接通，出現振鈴當PC發送數據1即邏輯高電平時，該信號從PC的RS232的串行口連接器CN1的第3腳輸出到MAX232的第8腳，RS232的邏輯1電壓為12V，MAX232將其轉換成單片機的邏輯1電壓+5V；當PC機發送數據0即邏輯低電平時，該信號從PC的RS232串行口連接器CN1的第3腳輸出到MAX232的第7腳，RS232的邏輯0電壓為+12V，MAX232將其轉變為單片機的邏輯1電壓0V；當單片機需要向PC發送數據1時，該信號的電壓為+5V，從TxD輸入到MAX232的第11腳，該電壓經過MAX232轉換為RS232電平后信號電壓為12V，PC接收到來

42、自單片機的數字1；當單片機需要向PC發送數據0時，該信號的電壓為0V，從TxD輸入到MAX232的第11腳，該電壓經過MAX232轉換為RS232電平后信號電壓為+12V，PC機接收到來自單片機的數字0。MAX232芯片是美信公司專門用+5V單電源供電，是為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路， MAX232的引腳圖如圖3-5所示。圖3-5 MAX232引腳圖其中引腳1-6(C1+、V+、C1_、C2+、C2-、V-)用于電源電壓轉換，只要在外部接入相應電解電容即可；引腳7-10和引腳11-14構成兩組TTL信號電平與RS-232C信號電平的轉換電路，對應引腳可直接與單片機串行口的TTL電

43、平引腳和PC的RS-232C電平引腳相連。單片機與MAX232的連接如圖3-7所示。圖3-6 MAX232與單片機接口圖3.4 顯示接口部分本數據采集系統需要對電壓信號，電流信號及脈沖信號進行顯示。顯示部分選用的是LCD液晶顯示。選用的芯片是LCM1602。與LED相比，LCD芯片功耗低且價格低廉。1602是典型的字符點陣LCD，可以顯示16位×2行共32個字符。驅動電壓為+5.0V/3.3V。背光燈有黃綠色、白色等。1602與單片機連接圖如圖3-7所示。圖3-7 LCM1602引腳圖1602采用標準的16腳接口。接口定義及功能如表3-3所示。表3-3 1602接口定義及功能表引腳編

44、號符 號含 義功 能1VSS接地電源地2VDD接電源電源正極3Vo液晶驅動電壓對比度調整端4RS寄存器選擇高電平：選擇數據寄存器低電平：選擇指令寄存器5R/W讀/寫信號高電平：讀低電平：寫6EN片選使能EN端電平下降沿觸發模塊工作714D0D7雙向數據線傳輸數據15BLK背光燈引腳接陰極16BLA背光燈引腳接陽極1602的顯示原理是：在其內部存儲器中保存字符圖形，通過控制器向1602寫入指定的顯示存儲地址，相應地址對應的字符即被顯示到液晶屏幕上。在1602內部的字符發生存儲器(CGROM)中已經儲存了160個不同的點陣字符圖形。這些字符包括：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等

45、。每個字符都有一個固定的代碼。1602與單片機連接如圖所示。圖中利用P2.7和WR，RD邏輯組合后作為LCM1602的使能控制；P1.0和P1.1分別作為LCM的RS和R/W的控制信號。當單片機對外部地址7FFFH單元進行讀和寫操作時，LCM1602的工作使能端有效，驅動程序通過設置P1.0和P1.1的電平狀態以選擇LCM1602的命令或數據寄存器及LCM1602的讀或寫操作。1602與單片機接口示意圖如圖3-8所示。圖3-8 顯示部分接口3.5 鍵盤接口部分鍵盤是本系統中進行人機對話的接口，是單片機系統數據輸入的重要方式。鍵盤的接法靈活多樣，最簡單的方式為獨立式接法，即利用單片機讀取I/O口

46、的電平高低來判斷是否有鍵按下。這里所說的按鍵采用金屬接觸方式，開關的原理是觸電導通或斷開。在本數據采集系統中設置了兩個按鍵開啟/關閉鍵和數據傳送鍵。分別與單片機的P3.4和P3.5口相連。如圖3-9所示。圖3-9鍵盤接口3.6 電源部分的設計本系統使用5V電源供電，故需要一個電源轉換電路。電路輸入220v交流電，經過全橋整流，穩壓后輸出穩定的5V直流電。變壓器后面由4個二極管組成一個橋式整流電路，整流后就得到一個電壓波動很大的直流電源，所以在這里接一個330uF/25V的電解電容。 變壓器輸出端的9V電壓經橋式整流并電容濾波，在電容C兩端大約會有11V多一點的電壓，假如從電容兩端直接接一個負載

47、，當負載變化或交流電源有少許波動都會使C兩端的電壓發生較大幅度的變化，因此要得到一個比較穩定的電壓，在這里接一個三端穩壓器的元件。 三端穩壓器是一種集成電路元件，內部由一些三極管和電阻等構成，在分析電路時可簡單的認為這是一個能自動調節電阻的元件，當負載電流大時三端穩壓器內的電阻自動變小，而當負載電流變小時三端穩壓器內的電阻又會自動變大，這樣就能保持穩壓器的輸出電壓保持基本不變。 因為要輸出5V的電壓，所以選用7805。三端穩壓器后面接一個105的電容，這個電容有濾波和阻尼作用。最后在C兩端接一個輸出電源的插針。電源的設計圖如圖3-10所示。圖3-10電源設計電路3.7 單片機抗干擾電路為了保證

48、數據采集的準確性，硬件電路選用看門狗電路。本系統采用MAX706和單片機構成的“看門狗”硬件電路，MAX706是一種性能優良的低功耗CMOS監控電路芯片，其內部電路由上電復位、可重觸發“看門狗”定時器及電壓比較器等組成。MAX706只要在1.6秒時間內檢測到WCI引腳有高低電平跳變信號，則“看門狗”定時器清零并重新開始計時；若超出1.6秒后，WCI引腳仍無高低電平跳變信號，則“看門狗”定時器溢出，WDO引腳輸出低電平，進而觸發MR手動復位引腳，使MAX706復位，從而使“看門狗”定時器清零并重新開始計時，WDO引腳輸出高電平，MAX706的RST復位輸出引腳輸出大約200毫秒寬度的低電平脈沖，

49、使單片機控制系統可靠復位，重新投入正常運行。電路如圖3-11。圖3-11 看門狗電路3.8 本章小結本章詳細介紹了數據采集系統各硬件模塊的設計思路及過程，包括模數轉換模塊，脈沖量采集模塊，開關量采集模塊；其中電源電路采用LM7805CK穩壓芯片，抗干擾電路采用看門狗電路；系統輸入輸出模塊及系統與PC機通信模塊等相關模塊的各芯片電路連接。 第4章 數據采集系統的軟件設計4.1 軟件總體設計框架本軟件系統有一個主程序，七個子程序，七個子程序分別為向串口發送數據子程序、鍵盤掃描子程序、LCD數據顯示子程序、模數轉換子程序、開關量采集子程序、脈沖量采集子程序。系統上電后首先進行自檢，檢查各功能模塊電子

50、器件是否正常工作，檢查完畢后進行各功能模塊初始化，掃描鍵盤，當有“按鍵1”按下時，系統可讀到P0口為低電平，此時系統開始執行測量數據的工作，將采集到的數據儲存到特定寄存器，當有“按鍵2”按下時，系統將檢查是否與上位機已經建立連接，若連接成功則通過RS-232接口進行數據傳送。主程序的流程圖如圖4-1所示。主程序：#include <iom64v.h>#include"key.h"#include"LCD.h"#include"define.h"#include"rs232.h"void main()vo

51、id main(void) /初始工作 unsigned int i = 0；init_devices()；/系統初始化，寄存器的初值設置，中斷設置等 while(1) Read ADCON()_；/調用A/D轉換子程序lcd_display()；/送顯示/ 對采集值進行存儲I2C_write(i，temperature)；/最大每組存儲1000個數值I2C_write(i+1,humidity)；I2C_write(i+2,manometer)；if(i>=3000) i = 0； 圖4-1 主程序流程圖4.2標準RS-232接口軟件設計串口通訊過程的順利完成，通訊雙方不但要在硬件接口

52、標準上共同遵守某種約定，而且還必須對數據格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、糾錯方式以及控制字符定義等問題作出統一的規定，即通訊協議，而這些工作是通過軟件編程實現。RS232傳輸流程圖如圖4-2所示。圖4-2 RS232傳輸示意圖單片機采用方式1，雙工通訊，波特率1200時計算得T1的值為E6H，單片機工作，匯編語言編程如下：COMM ： MOV TMOD， #20H ；T1方式2MOV TH1， #0E6HMOV TL1， #0E6H ；T1時間常數SETB TR1 ；啟動T1MOV SCON， #50H ；串行口工作方式1MOV R0， #38H ；R0指示發送緩沖區首址MOV R7， #

53、7 ；R7發送數據計數NEXT：MOV SBUF，R0 ；發送數據JNB TI， $ ；等待發下一幀數據CLR TI ；一幀發完清TIINC R0DJNZ R7， NEXTSJMP $ ；延時程序4.3 LCD顯示子程序設計1602是典型的字符點陣LCD，其硬件電路連接簡單，對1602的顯示控制通過指令代碼實現。1602共有11條指令，各指令說明如下：指令1：清屏。清屏時光標復位到00H。指令2：復位光標。光標返回到地址00H。指令3：光標和顯示模式設置。I/D為光標移動方向，1右移，0左移。指令4：顯示開關控制。D為1表示開顯示，0為關顯示；C為1表示右光標，0表示無光標；B為1表示光標閃爍

54、，0為不閃爍。指令5：光標或顯示移位；S/C為1時移動顯示的文字，0時移動光標。指令6：功能設置命令，DL為1時為4位總線，0時為8位總線；N為1時雙行顯示，0時為單行顯示。指令7：字符發生器RAM地址設置。指令8：DDRAM地址設置。指令9：讀忙信號和光標地址BF為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示忙。1602模塊必須在不忙時進行數據寫入操作。指令10：寫數據。指令11：讀數據。1602的顯示原理是：在其內部存儲器中保存字符圖形，通過控制器向1602寫入指定的顯示存儲地址，相應地址對應的字符即被顯示到液晶屏幕上。程序流程圖如圖4-3所示。 圖4-3 LCD

55、工作示意圖4.4鍵盤模塊軟件設計鍵盤是單片機系統中進行人機對話的基本接口，是單片機系統數據輸入的重要方式。鍵盤的接法靈活多樣，最簡單的方式為獨立式接法，即利用單片機讀取I/O口的電平高低來判斷是否有鍵按下。這里所說的按鍵采用金屬接觸方式，開關的原理是觸電導通或斷開，通常采用銅片彈簧作為彈性材料。在外型上有圓形、方形等形狀。在使用單片機對鍵盤處理時，必須消除鍵盤抖動的影響。這里說的抖動是鍵盤的機械抖動，此過程持續時間為10200ms。消除鍵盤抖動可以使用硬件去抖或軟件去抖方法。軟件去抖實際上采用的是延時的方法，避開按鍵的抖動部分時間。獨立式按鍵的接法是在單片機的I/O口上接一個按鍵，每個按鍵對應單片機的一個輸入端口，按鍵的另一端接電源或者數字地。為了保證電平的有效性，對每一路的按鍵都需要加一個上拉電阻。程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 鍵盤工作示意圖4.5 本章小結本章主要說明了數據采集系統主程序及各功能模塊軟件設計。為了便于系統功能擴展，采用了模塊化結構，除RS-232接口通信程序采用匯編語言編程外，其他均采用C語言編寫。本章包括主程序設計，A/D轉換程序設計，通信程序設計