第一章绪论
1.1课题研究背景和意义
数据采集是指将位移、流量、温度、压力等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印。数据采集技术是信息科学的一个重要组成部分，信号处理技术、计算机技术，传感器技术是现代检测技术的基础。数据采集技术则正是这些技术的先导，也是信息进行可靠传输，正确处理的基础。在工业生产中，对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，这样能提高产品的质量、降低成本。在科学实验中，对应用数据进行实时采集，这样获得大量的动态信息，是研究物理过程动态变化的有效手段，也是获取科学奥秘的重要手段之一。
设计数据采集系统目的，就是把传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，并把数字信号送入计算机，计算机将计算得到的数据加以利用观察，这样就实现对某些物理量的监视，
数据采集系统性能的好坏，取决于它的精度和速度，在精度保证的条件下提高采样速度，满足实时采集、实时处理和实时控制的要求[1]。
数据采集常用的方式有在PC机，也可以在工控机内安装数据采集卡，如RS-422卡、RS-485卡及A/D卡；或专门的采集设备，包括PCI、PXI、PCMCIA、USB，无线以及火线(FireWire)接口等，可用于台式PC机、便携式电脑以及联网的应用系统中[2]。
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，并且测试任务是测试设备高速自动完成的。近年来，数据采集及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，数据采集系统也朝着微型化、小型化、便携式，低电压、低功耗发展。当前市场出售的小型数据采集器相当于一个功能齐全计算机。这些数据采集器功能强大，能够实现实时数据采集、处理的自动化设备。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[；不仅能保证现场数据的实时性、真实性、有效性、可用性，而且能很方便输入计算机，
应用在各个领域。所以根据当前数据采集发展的实际需求，研制开发符合生产需要的多功能智能化的数据采集器意义重大。
1.2 国内外数据采集研究现状与问题
1.2.1 国外信号采集系统研究的现状与问题
数据采集系统它起始于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。数据采集系统应用于工业、农业等各个领域，并广泛应用于工业生产的控制，国内外许多技术公司和科研单位都在积极研制，国外的数据采集器的研制已经相当成熟，而且种类不断增多，性能越来越好，功能越来越强大。目前国外许多科研单位和技术公司都在积极研制便携式数据采集系统。市场上较早出现的具有代表性的万次/S。主要有: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个部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术和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。还有美国Fluke公司生产的Hydra系列便携式数据采集器：Hydra系列有三种型号，可满足不同的应用需要。2620A Hydra数据采集器是和PC 配合使用的紧凑式前端；便携式的2625A Hydra数据记录器内置有非易失存储器，可以保存多达2000次的扫描数据，用于独立式的应用；2635A Hydra数据采集器具有可插拔的存储卡，可以保存数据和设置，是最为通用的型号－非常适宜于远程监控等应用。又如TEMPRO天正通大气环境部开发的CR23X微数据采集器，美国QUATRONIX公司生产的WA VEBOOK高速便携数据采集系统等。这些采集系统有一个共同点，和PC机的通信时几乎都采用RS-232口，虽然它们自身带有存储器，但存储容量都不大。近年来，国外市场上又出现了美国CASIO公司的CASIODT-30O、Ocean Optics公司的ADCIO00-USB等采用USB接口的便携式数据采集器。国外产品虽然进入我国市场较早，但就当前市场而言，并没有占据市场的主要份额，主要原因是高昂的价格和非汉化的操作界面使其推广受到限制[5]。
1.2.2 国内信号采集系统研究的现状与存在的问题
由于信号采集系统在现代科技发展中的重要地位逐渐被人们所认识，国内研究单位和公司也逐渐开始信号采集系统的研究和发展。
如我国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。又如北京优采公司的UA5OO系列、郑州科诚自动识别设备公司的NLS-P、T-90O系列便携式数据采集器等。国内这些产品价格优势占据市场主导，但是与国外同类产品相比，国内便携式数据采集器性能指标还有较大的差距，这主要表现在以下几个方面:
（1）我国部分产品仍采用的是USB1.1协议，而国外产品则早已采用USB2.O规范; （2）存储容量小，软件功能不够完善，使用不够方便。
（3）数据采集频率低，精度和分辨率低，数据处理能力差;
为此，国内各科研单位及厂家正积极追赶国外最新技术，不断提高数据采集器的产品的性能，并力争使成本比国外同类产品低，为国内测控事业的用户提供高品质的选择[5]。
如九纯健科技公司的JCJ708数据采集器采用先进的微电脑技术及芯片，性能可靠，抗干扰能力强，与各类传感器、变送器配合使用，可对多路温度、湿度、压力、液位、流量、重量、烟感报警、红外探测器报警、等工业过程参数进行多路检测、数据采集及通讯。JCJ708B数据采集器通过标准ＲＳ２３２或ＲＳ４２２、４８５通讯口，可直接连接计算机通讯，通讯波特率及地址出厂时根据用户要求定好（默认波特率为９６００，通讯协议为ＭＯＤＢＵＳ－ＲＴＵ），用户无需对数据采集器进行复杂设定，接上线就可用，使用方便。技术参数：
误差：测量精度：0.2％FS±1个字变送精度：0.2％FS±1个字
输入信号：电流 0-10mA 4-20mA 电压 0-5V 1-5V 无源开关量信号
通讯输出： 1、隔离串行双向通讯接口RS485 2、隔离串行双向通讯接口RS232
通讯协议：标准MODBUS-RTU 九纯健科技定制通讯协议
供电电源：交流85-265VAC 50HZ/60HZ 直流24VDC 直流12VDC 交流24VAC 交流12VAC其他定制
功耗：≤4W
规格：标准35mm导轨安装
工作环境：温度0-60℃；湿度<85％RH
第二章数据采集系统方案
数据采集系统包括模拟信号的输入、转换及处理。模拟信号变成数字形式后顺序存储、传输、处理和显示。数据收集的基本手段是模数转换，它是将来自各式各样传感器的模拟量实时地、准确地测量或汇集起来，送入计算机实时处理，并输出相应的控制信号以实现对物理系统的控制或记录，而一个完整的数据采集需要包括硬件和软件两部分组成。
2.1方案框图
图2.1硬件系统框图
如图2.1所示，整个硬件系统主要由传感器、放大电路、多路开关、采样/保持器、AD转换器、按键、存储、时钟、USB、I/O扩展、单片机等部分组成。其中采样/保持器、AD转换器及单片机是使用一个处理器芯片MSP430F149来实现的。系统主要完成的功能有：对微弱信号的放大、滤波、隔离、对信号进行处理使之转换成AD转换器所要求的信号范围、多路选择、信号采样/保持、AD转换、数据存储、数据收发等，其中单片机与PC的通信采用USB标准。
2.1.2软件部分
如图2.2所示，软件部分控制数据处理，当数据过来以后，由A/D转换程序控制进行A/D转换，既可以交于液晶处理显示也可以通过存储程序将数据保存起来，如需将数据上传再通过USB传输程序控制进行数据传输。
2.2模块选择
本系统将采用分时多通道采集结构来进行数据采集。
图2.3分时多通道采集结构
如图2.3所示，该系统采用方时分轮转式，可方便的用增加多路开关的方法来扩充模拟信号通道数。输入的模拟信号经放大滤波后，送入多路开关MUX，在CPU 的控制下某一通道被选通，进人后级缓冲放大器或采样保持器，再送人A/D转换
器完成模拟信号到数字信号的转换，转换结果为数字量并送入CPU处理。
第三章系统硬件设计
随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，各种专用功能的模拟、数字混合集成电路应运而生，单块芯片上通常集成了多个功能模块，简化了设计过程，缩短了研制周期，并使系统的稳定性加强。本设计采用了最新集成电路技术，借助单片机、微机、数据采集技术和现代通信技术，设计了一种体积小、功耗低、存储容量大、转换速率高、集成化程度高和适用于各种信号的通用数据采集系统。
3.1各硬件电路设计
数据采集系统由信号采集电路、放大电路、多路开关、AD转换电路、单片机、时钟、存储、USB等部分组成。
3.1.1放大电路
在各种工业自动化控制系统中, 一般都有传感器精密测量放大电路、AD 转换器、微机系统及软件组成, 而测量放大电路的精度与稳定性对整个系统的性能起着至关重要的作用。
测量放大电路应是一种高输入阻抗、高电压放大倍数、高信噪比、低零点漂移的放大电路。ICL7650 斩波稳（将一种直流电变为另一直流电）零单片集成运算放大器(DIP - 14 双列直插封装) 是美国Intersil 公司利用其特有的CMOS (双极型绝缘栅场效应管) 电路设计技术和先进工艺研制成功的第四代集成运算放大器。它具有以下主要特点: 输入失调电压-温度漂移0.01μV P℃, 时间漂移100nV P月; 输入偏流≤10pA ; 开环增益≥120dB ; 转换速率215V PμS;单位增益带宽达2MHz ; 运算时具有内部补偿;输入P输出端仅有极小的斩波尖峰泄漏; 具有内调制补偿电路。若将ICL7650 用于设计高精度、高放大倍数的放大电路, 必须选用噪声比较低的高性能稳压电源依据运算放大器的原理: 反相KV = R2/R1 ;同相KV = 1 + (R2/R1 ) 。ICL7650具有≥130dB 的共模抑制比, 具有很高的抗干扰能力。ICL7650 的电源电压范围±3V～±8V这可采用微型计算机的电源电压±3V。记忆电容采用温度漂移最小的高阻抗金属聚脂电容Ca = Cb = 0.1μf 。输出端连接RC(R = 100KΩ,C = 1μf ) 低通滤波器,有效滤除微小的尖峰脉冲。为进一步保证放大电路的精度,两比例电阻应选用温度系数较小的精密电阻, 其阻值( R2 和R1 ) 应在±0.01 %的误差
范围[4]。放大具体电路如图3.4其中R1为1KΩ，R2为100KΩ，放大倍数
A=R2/R1=100。
图3.4放大电路
3.1.2低通滤波电路
根据采样定理，最低采样频率必须是信号最高频率的两倍。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，采样后的信号将发生畸变。这种信号畸变叫做混叠(allas)。一旦完成信号采样，这些信号混叠到有用信号的频段，就无法从有用信号中移除这些频率成份。混叠现象会严重影响数据转换系统的性能指标，所以在设计含有ADC的系统时，必须在转换器前使用一个低通滤波器，以确保高于奈奎斯特频率的噪声被足够的衰减，不会出现在采样后的信号中。这个低通滤波器称为抗混叠滤波器。
选用TI公司的THS4052。它是一种70MHz低成本高速电压反馈放大器。工作电压可设为士5V，失真度、转换速率、稳定时间都能满足要求。
THS4052的性能指标:
（1）高速:70MHz带宽(G=1，-3dB)，240V／ｕs转换速率，60ns稳定延迟时间(0.1%)。
（2）高输出驱动，Io=l00mA(典型值)。
（3）优良的视频性能:30MHZ的0.1db带宽(G=1)，0.01%的增益误差，0.01度的相位误差。
（4）极低的失真度:THD=-82dBc(f=1MHz，RL=150)，THD=-89dBc(f=1MHz，RL=1k)。
（5）极宽工作电压范围:V cc=士5v到士15v[3]
抗混叠滤波器电路及幅频特性:
图3.1 滤波电路
低通电路设计为12dB/OCT的巴特沃次(最平坦特性)滤波器，对频率高于
31.25KHz的信号滤波。电路截止频率为f L=1/2 R1C1=31.25KHz，，Q值为0.5。
利用仿真软件对图的电路进行仿真，可以得到其幅频特性曲线见图3-2，由图可见，该低通滤波器特性良好。
图3.2 滤波特性
一片THS4052内是双通道输入，因此8路模拟信号通道输入需要4片THS4O52构成8个低通滤波器。
滤波实际电路连接如图3.3：
图3.3 滤波实际电路
3.1.3通道切换电路
本设计中，需要对输入的8路模拟信号进行实时数据采集，一般有两种方案: 1.采用8片ADC器件，每路模拟输入分别对应一片ADC，由系统软硬件控制各ADC 同步工作。2.采用1片ADC器件，各路模拟信号分别经低通滤波后由多路开关选
择其中一路送ADC，由MSP430控制多路开关切换，使ADC依次完成对各路数据的采集。
方案1属于同步采集，采样迅速稳定。但是外围电路庞大，占用较大的电路板空间，成本高。方案2属于分时采集，共用一个ADC，各路之间是通过模拟开关进行切换，使用的器件少，成本低，简化制作PCB板和布线过程。根据本系统设计要求，选用方案2，如图3-5输入通道的切换是通过采用高速八选一模拟开关74HC4051实现的。
74HC4051相当于一个单刀八掷开关，输入8路信号X0一X7。每次X0一X7中只有一路输入信号送到输出端X。EN是使能端，当EN=1时，各通道均不接通。所以EN接地。此外，74HC4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，不使用时接地[4]。
图3.5 通道切换电路
引入模拟开关后，应注意时序的配合。8选1开关的模拟信号的延迟时间为10ns，即模拟输入到模拟输出的延迟(在通道没有切换时)，这实际是该器件可以工作的带宽。模拟开关从第1路通道切换到第8路通道需要的总的转换时间是8*10一80ns，即便是工作在最高采样频率500Khz下，对应一个采样周期为2us，所以
在发生一次采样后到下一次进行新的采样之前，输入信号有足够的时间传输到达数据总线上。
3.1.4存储接口电路：
由于系统采集的数据与系统参数必须存储，这些参数必须是非易失性的，即掉电后仍能保存。基于以上考虑，我们选择了带有I2C的EEPROM系列存储24LC256，24LC256 EEPROM采用CMOS加工工艺，正常工作电压2.5~5.5V，存储容量为
32KB，具有较强的抗干扰能力，功耗低，可断电保存数据200年以上，擦写次数最少10万次，过压保护电压大于4000V。可进行多达8个24LC256芯片的存储容量扩展，即最大存储器容量可扩展为256KB[5]。当然，也可根据实际需要而定，具体应用电路如图3.6所示。引脚功能：（1）对于片选地址输入引脚A0、A1或A2由微控制器或者其他编程器件控制的应用，必须在器件正常继续工作之前驱动为逻辑“0”或者“1”。（2）SDA串行数据引脚为双向引脚，用于把地址和数据输入/
输出器件，该引脚为漏极开路。因此，SDA总线要求在该引脚与VCC之间接入上拉电阻，对于正常的数据传输，只允许在SCL微低电平期间改变SDA电平。（3）SCL串行时钟，该引脚用于数据传输同步。（4）WP写保护引脚，该引脚连接在Vcc上，写操作被禁止，但读操作不受影响。Vcc电源输入引脚，在Vcc低于1.5V 时，则Vcc閥值检测电路会禁止内部的擦写逻辑
图3.6 存储电路
3.1.5时钟日历芯片接口电路
数据采集系统另一个重要数据是时间，上位机在提取多路信号时，同样也可提取时间信息作为参照坐标。系统采取了以下几种措施保证其可靠性。
1）时间信号必须由一个可靠的时钟源产生；
2）时钟芯片具有掉电保护的电路，以确保当电源突然断开，时间数据不丢失；
3）上位机具有对下位机的时钟进行校准功能，当发现时间数据丢失时可立即对其重新赋值。
本系统中我们采用PCF8583带有256个字节的时钟/日历芯片，PCF8583是一款带有256个字节的时钟/日历芯片，地址和数据通过I2C总线传输。在每次对数据字节的读或写操作后，内建的字地址寄存器自动增加。地址管脚A0用于编程硬件地址，这样在不增加硬件的情况下允许将两个器件连接到总线上。内置的
32.768KHz振荡器和RAM的前8个字节用于时钟/日历和计数器功能，接下来的8个字节可作为报警寄存器或当作RAM来使用，剩下的240个字节都作为RAM由用户自由支配[6.7]。
PCF8583I2C特性总线接口操作电压：2.5～6.0V，时钟操作电压：1.0～6.0V(0～70℃)；240×8位低电压RAM；数据保持电压：1.0～6.0V；操作电流（f SCL=0Hz）：最大50mA；通用定时器，带有报警和溢出指示；24或12小时格式；32.768KHz 或50Hz时间基准；串行输入/输出总线（I2C）；可编程报警、定时、中断功能；OSCI 为振荡器输入，OSCO为振荡器输出。SDA是串行数据I/O，SCL串行时钟输入。INT中断引脚。
PCF8583应用电路如图3.7
图3.7 日历时钟电路
3.1.6液晶显示接口电路
液晶显示选用在3V电压下工作的自带控制器的点阵式液晶图形显示模块MOBI2007，它具有体积小，厚度仅为2mm，价格低、使用方便等优点，特别适合于数字化仪表、便携式仪表、及智能化家电和嵌入式应用系统中，它的核心是其内部自带的专用控制器KS0724。
KS0724是一种小型的大规模集成并带有驱动器和控制器的点阵型液晶模块。它的外观尺寸为42mm×39mm，有31个外部引脚。它直接受单片机控制，接收8位串行或并行数据，同时可将数据显示，并将数据存储在模块相同的数据存储器中（DDRAM）。由于DDRAM中的数据显示单元与液晶屏的点阵单元存在一一对应关系，并且KS0724液晶模块数据的读写操作不受外部时钟的控制，因而KS0724的显示具有很高的灵活性[9]。KS0724液晶模块带有液晶必需电源驱动电路，这样可用最小的元件和最小的功耗实现模块的功能。
KS0724液晶模块的主要结构：
（1）显示数据存储器（DDRAM）
DDRAM用来存放液晶的显示数据，它是一个65行132列的地址空间。65行构成了9页，其中前8页是由8列构成（DB0～DB7），第9页是单独一行（只有DB0）。显示数据DB0～DB7通过单片机的数据口送入，并通过DB0～DB7直接读
或写到每页对应的8行，同时每一点阵可通过确定页地址和列地址来确定位置。在向DDRAM中写数据的同时，液晶屏上对应的点阵被显示。
（2）页地址电路
页地址电路的功能是为显示数据存储器提供页地址。页地址的确定是通过页控制字送到一个4位的页地址寄存器中来实现的，例如，第8页，DB3为高电平时，DB2、DB1和DB0为低电平。
（3）行地址电路
行地址电路根据显示起始行（COM0）为DDRAM提供行地址，因此通过改变行地址，可在不改变片内RAM的情况下滚动屏幕和切换。页地址的改变是通过行地址寄存器实现的。它只通过初始显示行指令和6位的计数电路来改变。寄存器的内容在液晶开始每一帧时自动复制到行计数器中。
（4）列地址电路
列地址电路为DDRAM提供列地址。它有一个8位的可预先设置的计数器，当设置列地址的MSB/LSB指令发送后，Y7～Y0就被更新（详见控制字说明）；当有读或写指令时，列地址会每次相应加1，这样单片机可以连续地传送显示数据。但是，8位的计数器在没有设置MSB/LSB时处于锁定状态，此时它的锁定值为大于84H的任意数，并且不能实现自动增加的功能。一旦MSB/LSB经再次设定，计数器才可解锁。列地址计数器相对于页地址寄存器是独立的。
液晶显示电路
液晶显示电路具有1个片内振荡器，振荡频率独立于VDD。振荡器的输出信号用于电压转换和液晶显示的定时产生电路，定时产生电路一些信号用于液晶的显示。液晶显示的时钟信号是通过振荡时钟产生的，这一时钟信号为行计数器和显示数据锁存器提供了时钟信号。片内RAM的行地址与液晶显示时钟信号同步产生，并且132位的显示数据根据显示时钟信号同步锁存到显示数据锁存电路中。把显示数据从锁存电路中读出送到液晶驱动器中的操作完全独立于单片机向DDRAM中读写数据的操作。
液晶接口电路如图3.10所示，采用串行接口，节省了I/O口，其中V0、V1、V2、V3、V4、Vss这些电压的值取决于用于LCD点阵的阻抗转换运放，它们关系为：V0≥V1≥V2≥V3≥V4≥Vss，只有当液晶被驱动工作以后才有上述关系，此时可以调节V0为2～5倍的电源电压，其取值决定于LCD的偏压，由内部电阻Rb 与Ra之比，所以可以通过测量V o值就可以知道液晶是否被驱动起来。
图3.8液晶显示电路
3.2MSP430F149电路设计
3.2.1微处理器的选取
作为测控系统的核心部件，处理器的选择对整个系统功能的优化起着至关重要的作用。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有51系列的8位单片机，面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器(DSP)，以及目前市场上增强型的16位单片机。51单片机作为从八十年代就开始流行的处理器，其开发技术成熟，应用广泛，不足之处在于功能过于简单，已经不能适应于目前对测控系统功能和速度
的要求。
DSP器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然的趋势。但从现阶段各种DSP器件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在仪表领域的使用。而且目前其价格较高，开发技术难度大。
作为这两种微处理器的一种折衷方案，各大公司纷纷推出各种面向不同应用场合的增强型单片机，这些系列的单片机大多具有较强的功能模块接口功能，较高的处理速度，大容量ROM和RAM，往往处理器本身就已经一个小系统模式，仅仅需要一些简单电容、电阻元件就可以工作。其中MSP430系列单片机就是其中的性能价格比较为优越的一款16位单片机[10]。
MSP430系列单片机：
本设计采用了MSP430F149单片机，其CPU设计成适合各种应用的16位结构。它采用“冯-纽曼结构”，因此，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间。多达64KB寻址空间，包含ROM、RAM、闪存RAM和外围模块。将来计划扩至1MB。通过堆栈处理中断和子程序调用层次无限制。源操作数有7种寻址模式，目的操作数有4种寻址模式。I/O引脚具中断能力，中断优先级对同时发生的中断按优先级别处理，中断程序可以被更高优先级的中断请求打断。A/D转换器有8个输入端，可作为恒流源。具有LCD驱动。下面分别介绍它的内部资源[11]。
1、超低功耗。当系统时钟发生器基本功能建立之后，CPU内的状态寄存器SR 中的SCG1、SCG
2、OscOff、CpuOff是低功耗的重要控制位；系统工作模式一共有6种，1种活动模式和5种低功耗模式；可以通过设置控制位使MSP430进入低功耗模式，由中断唤醒CPU，在执行完中断服务程序之后再回到低功耗模式，也可以在执行中断程序的时候间接访问堆栈修改状态寄存器的值，这样中断程序执行完之后就会进入另外一种低功耗模式或者处于活动模式。
2、片上存储器。芯片上有64K FLASH ROM和2K RAM存储器，用于存储程序指令和数据，适合快速的运算。数据存储区和程序存储区在同一地址空间、统一寻址，通过两条总线——程序总线和地址总线与CPU连接，存储区可以对字操作
也可以对字节操作。程序指令可以加载到RAM中并在RAM中执行，这就大大提高了运算速度。
3、多外设接口。两个时钟源可选的定时器，可工作在比较/捕获模式，可输出PWM波形。一个WATCHDOG(看门狗定时器)，当程序遇到未知错误发生“死机”情况时，CPU响应WA TCHDOG中断，系统自动复位。
4、（一）、MSP430F149有三个时钟输入源：（1）、LFXT1CLK:如果LFXTCLK 没有作用于SMCLK、MCLK信号，可以用OscOff置位以禁止LFXT1CLK工作；（2）、XT2CLK：若XT2CLK没有作用于SMCLK、MCLK信号，可以用控制位XT2OFF关闭XT2；（3）、DCO振荡器：MSP430F149的两个外部振荡器产生的时钟信号都可以经过1、2、4、8分频后用作系统主时钟MCLK；当外部振荡器失效后，DCO振荡器会自动被选作MCLK的时钟源；（二）、MSP430F149提供3三种时钟信号：（1）、ACLK----辅助时钟，一般用于低速外设，由LFXT1CLK信号分频而得；（2）、MCLK----系统通过主时钟，一般用于CPU和系统，由以上三个时钟源任意一个分频而得；（3）、SMCLK---主要用于高速外设，由XT2CLK+XT2CLK 或LFXT1CLK+DCO分频而得。
5、上电复位POR 和上电清除PUC
6、片上内置数模转换器ADC12。ADC12有8个模拟输入通道，具有通用的采样/保持电路，可以选择采样时序、转换时钟和工作模式，参考电平可外接也可以选用内置的参考电平。另外ADC 12不依赖CPU独立工作，由软件启动A/D转换，转换完成后结果存储在相应的寄存器中，在计算时读取即可。采用内置的ADC12可以有效的降低成本，节省空间，减小布线干扰，使采集系统体积小、重量轻、精度高。另外ADC 12可以通过软件设置与省电模式有关的寄存器控制位，当不需要A/D采样的时候，相关控制位置位，ADC 12进入低功耗状态，这就大大的降低了功耗。
7、一般来说，MSP430所需要的定时信号可以用软件和硬件两种方法来实现；（1）、软件定时：设计一个延迟程序，节省硬件，所需时间容易调整，但是执行程序期间一直占用CPU，降低了CPU的利用率；（2）、硬件定时：利用专门的定时
器件作为主要实现器件，在简单软件控制下产生准确的时间延迟；通过指令对其设置时间常数，并由指令启动定时器。
8、JTAG接口。由于MSP430F149芯片内部结构较复杂，引脚较多，而封装、面积小导致了引脚排列很密，传统的单片机仿真方式不适用于MSP430芯片的发展和应用开发。MSP430F149片上的JTAG接口与内置的FLASH相结合使得调试和仿真非常的便利【12】。
MSP430F149电路主要包括晶振、复位、JTAG及报警电路，如图3.10所示：
图3.9 MSP430单片机电路图
图3.10 MSP430F149内部结构图
3.2.2 USB芯片的选择
USB接口是本数据采集系统的核心之一，选择合适的芯片是关键。目前可供选择的USB控制器主要有两种，即带USB接口的单片机和专用USB总线接口芯片。
选择合适的USB控制器是至关重要的一步，它将在很大程度上决定着产品的开发周期、费用和难易程度。根据USB的用途，USB控制器可分为主机型、集线器型和设备型。主机型USB控制器目前主要由Intel公司生产，集成在主板上，实现USB功能；而集线器型和设备型USB控制器生产厂家相对较多，最主要的厂商有Intel(英特尔)、Cypress(赛普拉斯)、Philips(飞利浦)、National Semiconductor(国家半导体)等。
1 PDIUSBDI2的概述
PDIUSBDI2是一款性价比很高的USB器件，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口，它还支持本地的DMA传输，这种实现USB接口的标准组件，使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择出最合适的微控制器。这种灵活性减小了开发的时间风险以及费用，通过使用已有的结构和减少固件上的投资，从而用最快捷的方法实现最经济的USB外设的解决方案[13]。
目录 一、任务与要求 (2) 二、总体设计 (2) 1、电路原理框图 (2) 2、整体工作原理 (3) 三、各部分电路原理图 (4) 1、模拟开关部分 (4) 2、D/A转换部分 (4) 3、三态门驱动部分 (5) 3、RAM部分 (5) 4、十六位数码显示 (6) 5、A/D转换部分 (6) 6、逻辑控制与时钟电路 (7) 四、仿真结果 (7) 1、进行一路数据的采集 (7) 2、进行两路信号的采集 (8) 五：转换精度的分析 (9) 六、该电路实现的功能 (10)
多路数据采集系统的设计报告 一、任务与要求 数字电路所能处理的信号为数字信号，而生产实践中的许多信号属于模拟信号，因而，模/数变换和数/模变换就成为电子技术应用中的基本环节。本实验用数/模、模/数转换器为主设计制作一个数据采集系统。 (1) 用ADC0809或其它ADC 芯片实现对两路以上的模拟信号的采集，模拟信号 以常用物理量温度为对象，可以经传感器、输入变换电路得到与现场温度成线性关系的0～5V 电压，也可以直接用0～5V 的电压模拟现场温度。采集的数据一方面送入存储器保存（如RAM6264），同时用数码管跟踪显示。 (2) 从存储器中读出数据，经D/A 芯片0832或其它DAC 芯片作D/A 变换，观察 所得模拟量与输入量的对应情况 (3) 分析转换误差，研究提高转换精度的措施。 二、总体设计 1、电路原理框图 数据采集系统框图如图8-6-1。
图1数据采集系统框图 说明： (1)、在multisim中使用两个函数发生器产生一个Vpp为5v的正弦波和Vpp 为5V的三角波作为传感信号。 （2）、数字量显示使用的是十六进制。 （3）、在此电路中用模拟开关控制采集哪路信号。 2、整体工作原理 图1数据采集系统电路图 当电路上电开始工作时，J2处于低电位，RS触发器处于置一状态，将开关J2开到高电位时，此时RS为保持状态，控制三态门工作，并使RAM置于写状态，控制A/D不工作。D/A转换器每进行完一次转换都会使EOC’输出一高电平，当下一次转换开始时EOC’又开始变为高电平，利用EOC’给计数器提供冲击脉冲使其计数，并计数器的计数功能来控制RAM的内存单位自动加一，从而使000H--1FFH
小型多路温控采集系统设计一．系统说明
本系统采用51单片机作为控制器，控制温度采集及显示。 温度传感器选用DS18B20，其单总线的通信方式可以减少系统的线路连接。DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路。内温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±℃可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为℃、℃、℃和℃，可实现高精度测温。 同时本系统选用LCD1602作为显示器件，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。其显示清晰，并可以显示阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，满足了系统要求。 二．系统电路图 三、程序流程图 四、程序解读 注：程序分两部分。可以先用程序二读出各个器件的序列号，再将序列号填入程序一的SN[4][8]数组中，若要加入更多的器件可以扩大数组，并在程序中增加读显的循环次数。 1.程序一：已知各个器件序列号读取温度 #include<> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar TMP[4]; 0”1”0c1”2”3”4”序二：读取DS18B20序列号程序 注：读ROM时，只能有一个器件与单片机通信。可以逐个相连来读出其ROM #include<> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint sn[8]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x10}; sbit DQ=P3^7;//ds18b20与单片机连接口 sbit RS=P3^0; sbit RW=P3^1; sbit EN=P3^2; void delay1ms(unsigned int ms)//延时1毫秒（不够精确的）
多路数据采集器设计 1.设计要求 所设计的数据采集器，共有16路信号输入，每路信号都是直流0~20mV信号，每秒钟采集一遍，将其数据传给上位PC计算机。本采集器地址为50H。要求多路模拟开关用4067，A/D转换用ADC0809，运算放大器用OP07，单片机用89C51，通信用RS232接口，通信芯片用MAX232。 与PC机的RS232串口进行通信。 设计采集器的电原理图，用C51语言编制采集器的工作程序。 2.方案设计 按要求，设计数据采集器方案如下所示： 数据采集器采用AT89C51单片机作为微控制器，模拟开关4067的地址A、B、C、D分别与P1.0~P1.3连接，通过控制P1口输出来选择输入信号，将直流信号依次输入ADC0809的模拟信号输入端，ADC0809共有8路输入通道，在使用模拟开关时，仅将模拟开关的输出端连接到ADC0809的1路输入通道即可，本方案中使用0通道。ADC0809的转换结果通过P0口传给单片机，单片机将采集结果通过串行通信RS232接口上传给上位PC机，实现数据的采集。 数据采集器方案示意图
3.电路原理图 a)AT89C51单片机电路 本实验中选取8位单片机AT89C51作为微控制器，需要片外11.0592MHz的振荡器，4K字节EPROM，128字节RAM，与51单片机有很好的兼容性。在本此实验中程序及数据不多，故无需另加外部程序存储器。单片机部分的电路如下所示： AT89C51单片机电路 b)数据输入部分
数据输入部分由模拟开关4067实现多路信号的切换。CD4067是单16路（单刀16位）模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。其中脚10、11、14和13是地址码A（LSB）、B、C、D（MSB）的输入端；脚2~9和16~23是开关的输入/输出端（开关位）；脚1是开关的输出/输入公共端（开关刀）；脚15为控制端，低电平有效（选通），高电平禁止（开关开路）。 输入脚A、B、C、D分别与单片机P1.0~P1.3相连，改变P1输出即可切换输入通道，控制脚与P2.4相连。输出脚1后接电压放大电路。 c)电压调理放大电路 电压调理电路 由于输入信号均为0~20mV的微弱电压信号，而模数转换器ADC0809的输入量要求为0~5V 直流电压，所以必须后接电压放大电路。放大器选用OP07，将0~20mV电压放大到0~5V，其放大倍数为250倍，一般情况下，放大器的放大倍数最好小于200倍，安全起见，选用两个OP07进行两级放大，前级放大25倍，后级放大10倍，放大电路如上图所示。 d)模数转换部分 ADC0809数模转换电路 模数转换元件选用ADC0809，其主要特性有： 8路8位A/D转换器，即分辨率8位；
1 引言 数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示的过程。在生产过程中，可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品的质量、降低成本提供信息和手段。本文设计了一套多路数据采集系统，实施采集多现场的温度参数，系统通过RS485总线将采集到的现场温度数据传输至上位机，上位机对采集到的数据进行显示、存储，从而达到现场监测与控制的目的。 2 设计目的和要求 设计一由微机控制的A/D数据采集和控制系统，该卡具有对八个通道上 0-5V的模拟电压进行采集的能力，且可以用程序选择装换通道，选择ADC0809 作为A/D转换芯片。 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。 3 系统设计方案 1.八路模拟信号的产生 被测电压要求为0~5V的直流电压，可通过八个滑动变阻器调节产生。 2.模拟信号的采集 八路数据采集系统采用共享数据采集通道的结构形式，数据采集方式确定为程序控制数据采集。 3.A/D转换器的选取 八位逐次比较式A/D转换器 4.控制与显示方法的选择 用单片机作为控制系统的核心，处理来自ADC0809的数据。经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，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。 图3.1 总体设计图 4 硬件系统的设计 4.1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： 图4.1 ADC0809管脚图及51单片机芯片管脚图 模拟输入通道1 ADC0808 单片机 LED 模拟输入通道2 模拟输入通道8
学校代码：11517 学号：201150712117 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计（论文） 题目多路温度采集系统设计与实现 学生姓名高宇照 专业班级电气工程及其自动化1121 学号201150712117 系（部）电气信息工程学院 指导教师(职称) 张秋慧（讲师） 完成时间2012 年 5 月13日
目录 摘要................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................... II 1 前言 . (1) 1.1 背景介绍 (1) 1.2 研究设计意义及目的 (1) 1.3 发展情况 (2) 1.4 本设计主要内容 (3) 2 设计任务及方案论证 (4) 2.1 设计任务 (4) 2.2 设计方案的论证 (4) 2.3系统框图设计 (6) 3 多路温度采集系统硬件电路设计 (7) 3.1系统模块及模块介绍 (7) 3.1.1 系统整体模块控制 (7) 3.1.2 模块介绍及原理 (7) 3.2 系统基本硬件组成设计 (14) 3.2.1微机芯片工作电路设计 (14) 3.2.2 温度采集电路设计 (15) 3.2.3LCD1602的显示设计 (17) 3.2.4 报警电路的设计 (18) 3.2.5 电源部分的设计 (19) 3.3 系统设计的电路结构图 (21) 4 系统的软件设计 (22) 4.1 主程序设计 (22) 4.2 子程序设计 (23) 5 系统调试与性能分析 (27) 5.1 系统调试 (27) 5.2 性能分析 (29) 结论 (31) 致谢 (32)
多路数据采集系统设计毕业论文 第1章绪论 1.1 多路数据采集系统介绍 随着工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。 此外，计算机的发展对通信起了巨大的推动作用。算机和通信紧密结合构成了灵活多样的通信控制系统，也可以构成强有力的信息处理系统,这样对社会的发展产生了深远的影响。数据通信是计算机广泛应用的必然产物[2]。 数据采集系统，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。 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。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印，显示，绘图等。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。 由于RS-232在微机通信接口中广泛采用，技术已相当成熟。在近端与远端通信过程中，采用串行RS-232标准，实现PC机与单片机间的数据传输。在本毕业设计中对多路数据采集系统作了初步的研究。本系统主要解决的是怎样进行数据采集以及怎样进行多路的数据采集，并将数据上传至计算机[2]。 1.2 设计思路 多路数据采集系统采用ADC0809模数转换器作为数据采集单元和AT89C51单片机来对它们进行控制,不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高采集数据的灵敏度及指标。通过MAX232电平转换芯片实现单片机与PC 机的异步串行通信，设计中的HD7279实现了键盘控制与LED显示显示功能。本文设计了一种以AT89C51和ADC0809及RS232为核心的多路数据采集系统。 多路数据采集系统就是通过键盘控制选择通路，将采集到的电压模拟两转换成数字量实时的送到单片机里处理从而显示出采集电压和地址值，最终控制执行单片机与PC机的异步串行通信。 连接好硬件后，给ADC0809的三条输入通路通入直流电压。4-F键为功能键，4-E键为复位键，F键为确认键。1－3键为通道选择键，分别采集三个通道的数据值并实时显示出数值和地址值。结合单片机RS232串口功能还实现了与PC机的异
基于ADC0809和51单片机的多路数据采集系统设计 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟物理量采集并转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示和打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。本文的主要任务是对0～5V的直流电压进行测量并送到远端的PC机上进行显示。由于采集的是直流信号，对于缓慢变化的信号不必加采样保持电路，因此选用市面上比较常见的逐次逼近型ADC0809芯片，该芯片转换速度快，价格低廉，可以直接将直流电压转换为计算机可以处理的数字量。同时选用低功耗的LCD显示器件来满足其在终端显示采集结果的需求。终端键盘控制采用尽可能少的键来实现控制功能，为了防止键盘不用时的误操作，设计时还设置了锁键功能，在键盘的输入消抖方面，则采用软件消抖方法来降低硬件开销，提高系统的抗干扰能力。软件设计方面则采用功能模块化的设计思想；键盘模数转换等采用中断方式来实现，从而大大提高了单片机的效率以及实时处理能力。1 数据采集系统的硬件结构数据采集系统的硬件结构一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、A／D转换器以及单片机等组成。本文主要完成功能的系统硬件框图。 2 ADC0809模数转换器简介2．1 ADC0809的结构功能本数据采集系统采用计算机作为处理器。电子计算机所处理和传输的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，模拟量经传感器转换成电信号后，需要模／数转换将其变成数字信号才可以输入到数字系统中进行处理和控制，因此，把模拟量转换成数字量输出的接口电路，即A／D转换器就是现实信号转换的桥梁。目前，世界上有多种类型的A／D转换器，如并行比较型、逐次逼近型、积分型等。本文采用逐次逼近型A／D转换器，该类A／D转换器转换精度高，速度快，价格适中，是目前种类最多，应用最广的A／D转换器。逐次逼近型A／D转换器一般由比较器、D／A转换器、寄存器、时钟发生器以及控制逻辑电路组成。 ADC0809就是一种CMOS单片逐次逼近式A／D转换器，其内部结构。该芯片由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力。该器件既可与各种微处理器相连，也可单独工作。其输入输出与TTL兼容。 ADC0809是8路8位A／D转换器(即分辨率8位)，具有转换起停控制端，转换时间为100μs采用单+5V电源供电，模拟输入电压范围为0～+5V，且不需零点和满刻度校准，工作温度范围为-40～+85℃功耗可抵达约15mW。 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，图3所示是其引脚排列图。各引脚的功能如下： IN0～IN7：8路模拟量输入端； D0～D7：8位数字量输出端； ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路； ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效； START：A／D转换启动信号，输入，高电平有效； EOC：A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)； OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平才能打开输出三态门，输出为数字量； CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高640kHz； REF(+)、REF(-)：基准电压； Vcc：电源，单一+5V； GND：地。 ADC0809工作时，首先输入3位地址，并使ALE为1，以将地址存入地址锁存器中。此地址经译码可选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位；下降沿则启动A／D转换，之后，EOC 输出信号变低，以指示转换正在进行，直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，并将结果数据存入锁存器，这个信号也可用作中断申请。当OE输入高电平时，ADC
华南理工大学学院 本科毕业设计（论文）外文翻译 外文原文名Structure and function of the MCS-51 series 中文译名MCS-51系列的功能和结构 学院电子信息工程学院 专业班级自动化一班 学生黎杰明 学生学号 3 指导教师吴实 填写日期2016年3月10日 页脚.
外文原文版出处：《association for computing machinery journal》1990, V ol.33 (12), pp.16-ff 译文成绩：指导教师（导师组长）签名： 译文： MCS-51系列的功能和结构 MSC-51系列单片机具有一个单芯片电脑的结构和功能，它是英特尔公司的系列产品的名称。这家公司在1976年推出后，引进8位单芯片的MCS-48系列计算机后于1980年推出的8位的MCS-51系列单芯片计算机。诸如此类的单芯片电脑有很多种，如8051，8031，8751，80C51BH,80C31BH等，其基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。8051是51系列单芯片电脑的代表。 一个单芯片的计算机是由以下几个部分组成：（1）一个8位的微处理器（CPU）。（2）片数据存储器RAM（128B/256B）,它只读/写数据，如结果不在操作过程中，最终结果要显示数据（3）程序存储器ROM/EPROM(4KB/8KB).是用来保存程序一些初步的数据和切片的形式。但一些单芯片电脑没有考虑ROM/EPROM,如8031，8032，80C51等等。（4）4个8路运行的I/O接口，P0，P1，P2，P3，每个接口可以用作入口，也可以用作出口。（5）两个定时/计数器，每个定时方式也可以根据计算结果或定时控制实现计算机。（6）5个中断（7）一个全双工串行的I/UART（通用异步接收器I口/发送器（UART）），它是实现单芯片电脑或单芯片计算机和计算机的串行通信使用。（８）振荡器和时钟产生电路，需要考虑石英晶体微调能力。允许振荡频率为12MHz，每个上述的部分都是通过部数据总线连接。其中CPU是一个芯片计算机的核心，它是计算机的指挥中心，是由算术单元和控制器等部分组成。算术单元可以进行８位算术运算和逻辑运算，ALU单元是其中一种运算器，18个存储设备，暂存设备的积累设备进行协调，程序状态寄存器PSW积累了2个输入端的计数等检查暂时作为一个操作往往由人来操作，谁储存1输入的是它使操作去上暂时计数，另有一个操作的结果，回环协调。此外，协调往往是作为对8051的数据传输转运站考虑。作为一般的微处理器，解码的顺序。振荡器和定时电路等的程序计数器是一个由8个计数器为2，总计16位。这是一个字节的地址，其实程序计数器，是将在个人电脑进行。从而改变它的容可以改变它的程序进行。在8051的单芯片电脑的电路，
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 《嵌入式项目应用实践》 恭喜你 学院名称：计算机科学与通信工程学院 班级：计院的孩子 小组成员：雷锋 教师姓名：你猜猜 2016年 5 月 10日
一．实验题目 多路温度采集系统的设计。 二．实验要求 a)使用PROTEUS 8和ARDUINO IDE 进行硬件电路设计和MCU程序设 计 b)使用ALTIUM DXP 进行PCB版图设计 c)三个人一组，完成项目。每组交一份报告，一份PPT并答辩。 1.使用PROTEUS 8和ARDUINO IDE 进行硬件电路设计和MCU程序设计： 将三种温度采集的温度值显示在屏幕上，同时利用串口输出温度值。 d)分别使用LM35、DS18B20、MAX6657器件进行温度采集，使用ARDUINO 设计MCU程序。 e)时用拨动开关进行温度来源选择，开关导通时，对应LED点亮，采到的 温度要输出到液晶屏和串口。即最多可以同时显示3个器件采集的温度，最少1个。当一个都没选时，用蜂鸣器提示。 f)设计时可能数字引脚不够，此时，A0可以做为14脚处理，A1做为15 脚，以此类推。 2.使用ALTIUM DXP进行PCB版图设计 a)在DXP中绘制原理图。 b)注意：DXP中没有MAX6675芯片，需自己创建原理图元件和PCB封装。 c)液晶屏用合适的接线座替代或自行设计。 d)增加电源变压器插座(假设输入为8V)和LM7805稳压芯片将电压稳定在 5V，并做为系统供电。 e)进行PCB版图设计，即进行PCB层数设置、元件布局和布线。设计时要 考虑线宽、布线规定、防噪声设计等。 f)注意：元件位置要合理，便于用户使用。
嵌入式系统开发课程-多路数据采集系统设计 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
多路数据采集系统设计
1题目要求 所设计的数据采集系统，共有16路信号输入，每路信号都是0~10mV，每秒钟采集一遍，将其数据传给上位PC计算机，本采集地址为50H。要求多路模拟开关用4067，A/D转换用ADC0809，运算放大器用OP07，单片机用89C51，芯片用 MAX232。 设计其电路原理图，用C51语言编制工作程序。 2总体方案设计 根据题目要求，传感器首先采集16路信号，然后被多路模拟开关4067选通某一路信号，接着通过信号调理电路，由A/D转换器进行模/数转换后发送给单片机，之后通过MAX232由RS232串口进行通讯，最终将数据传递到上位PC计算机。因此，数据采集系统主要包括以下几个主要环节： 2.1信号选通环节 由于题目要求采集的信号路数达到了16路，每一路信号的流通路线均相同。如果为每路信号都设置相应的放大、A/D转换单元，成本将大幅度提升。因此可以接入一个多路模拟开关4076，轮流选通每一路信号，实现多路信号共用一个运算放大器和A/D转换单元，即降低了成本，又简化了电路。 4067为16路模拟开关，其内部包括一个16选1的译码器和被译码输出所控制的16个双向模拟开关。当禁止端INH置0时，在I/N0－I/N15中被选中的某个输入端与输出公共端X接通，外部地址输入端A、B、C、D决定了被选通端；当INH置1时，所有模拟开关均处于断路状态。 2.2信号调理电路 为了方便信号的进一步传输和处理，一般均要在传感器的输出端接入信号调理电路，对传感器输出的信号进行变换、隔离、放大、滤波等处理。此处的信号波动范围只有0～10mV，属于微弱信号，需要进行放大处理。按照题目要求，本文设计的系统选用运算放大器OP07。OP07是一种高精的度单片运算放大器，其输入失调电压和漂移值均很低，适合用作前级放大器。 2.3A/D转换器 由于单片机只能处理数字信号，所以需要接入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。本文采用题目提供的ADC0809，它可以和单片机直接通讯。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 此处采用中断的方式使数据在单片机与ADC0809之间进行交换，端口地址为 FF50H；P0口和WR信号共同生成单片机的启动转换信号；为了在启动转换的同时选通通道，将通道地址锁存信号ALE与START相连；把P0口和RD同时处在有效位的组
基于51单片机的多路温度采集控制系统设计 前言： 随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集控制系统的设计与研究有十分重要的意义。 本次设计的目的在于学习基于51单片机的多路温度采集控制系统设计的基本流程。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。单片机数据处理之后，发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息发送到LED进行显示。本系统可以实现多路温度信号采集与显示，可以使用按键来设置温度限定值，通过进行温度数据的运算处理，发出控制信号达到控制蜂鸣器和继电器的目的。 我所采用的控制芯片为AT89c51，此芯片功能较为强大，能够满足设计要求。通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，来达到对某一车间温度的控制和调节功能。 关键词：温度多路温度采集驱动电路 正文： 1、温度控制器电路设计 本电路由89C51单片机温度传感器、模数转换器ADC0809、窜入并出移位寄存器74LS164、数码管、和LED显示电路等组成。由热敏电阻温度传感器测量环境温度，将其
电压值送入ADC0809的IN0通道进行模数转换，转换所得的数字量由数据端D7-D0输出到89C51的P0口，经软件处理后将测量的温度值经单片机的RXD端窜行输出到74LS164，经74LS164 窜并转换后，输出到数码管的7个显示段，用数字形式显示出当前的温度值。89C51的P2.0、P2.1、P2.2分别接入ADC0809通道地址选择端A、B、C，因此ADC0809的IN0通道的地址为F0FFH。输出驱动控制信号由p1.0输出，4个LED为状态指示，其中，LED1为输出驱动指示，LED2为温度正常指示，LED3为高于上限温度指示，LED4为低于下限温度指示。当温度高于上限温度值时，有p1.0输出驱动信号，驱动外设电路工作，同时LED1亮、LED2灭、LED3亮、LED4灭。外设电路工作后，温度下降，当温度降到正常温度后，LED1亮、LED2亮、LED3灭、LED4灭。温度继续下降，当温度降到下限温度值时，p1.0信号停止输出，外设电路停止工作，同时LED1灭、LED2灭、LED3灭、LED4亮。当外设电路停止工作后，温度开始上升，接着进行下一工作周期。 2、温度控制器程序设计 本软件系统有1个主程序，6个子程序组成。6个子程序为定时/计数器0中断服务程序、温度采集及模数转换子程序ADCON、温度计算子程序CALCU、驱动控制子程序DRVCON、十进制转换子程序METRICCON及数码管显示子程序DISP。 （1）主程序 主程序进行系统初始化操作，主要是进行定时/计数器的初始化。 （2）定时/计数器0中断服务程序 应用定时计数器0中断的目的是进行定时采样，消除数码管温度显示的闪烁现象，用户可以根据实际环境温度变化率进行采样时间调整。每当定时时间到，调用温度采集机模数转换子程序ADCON，得到一个温度样本，并将其转换为数字量，传送给89C51单片机，
基于单片机的多路温湿度检测系统设计 潘磊 （天津冶金职业技术学院电气工程系，天津300400） 摘要：介绍了以C8051F120单片机和PC 机为核心的温湿度检测系统，论述了系统的组成，各模块硬件电路设计以及系统上位机、下位机的软件设计。系统下位机实时收集多路SHT71传感器采集的数据并显示上传，上位机利用VB 中MSComm 控件完成数据接收和处理，实现了对环境温湿度的现场显示和远距离控制。 关键词：温湿度检测；C8051F120；SHT71；VB 中图分类号：TP274文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2013）01-0065-02 随着社会生产的不断发展进步,许多工农业生产过程以 及民用场合都需要对环境的温度和湿度进行检测并控制，比 如：粮仓、温室蔬菜大棚、通信基站、电力变电房、药厂、图书馆、 博物馆等。为此本文设计了一个系统实现对环境温度湿度的 检测控制。 1系统结构 本系统主要由电源模块、单片机系统、键盘及LCD 显示 模块、温度湿度传感器采集模块、时钟芯片模块、语音报警模 块、通信模块以及上位机系统组成。系统能够实时采集四处 检测环境的温度和湿度，并把采集数据显示在LCD 屏上，通 过键盘预先设置温湿度上下限数值，当所检测的温度或湿度 超过所设定的数值语音报警模块报警。同时，下位机上传温 度湿度数据，上位机对数据进行存储、显示以及数据分析。系 统框图如图1 所示。 图1系统框图 2系统硬件设计 2.1单片机系统 本系统选用Cygnal 公司的C8051F120单片机作为核心 处理器，此款单片机有64位I/O 口，满足本系统外设较多的需 求，减少系统I/O 扩展，也为增加检测通路和系统扩展预留接 口。单片机峰值处理速度达到100Mips ，大大提高了系统的实 时性，内部带有128KB FLASHROM 能够满足多路实时数据 的大容量存储，集成2个UART ，1个I 2C ，1个SPI 接口便于与 外围设备及上位机传输数据。 2.2温度湿度传感器采集模块 传统模拟式温湿传感器的测量精度和分辨率很低，只有 1%左右，同时要获得高精度还需要更高精度的基准电压。另 外，所测得的模拟量还要进过A/D 转换才能送入微处理器 进行处理。为避免上述问题本系统采用全校准数字输出相 对湿度和温度传感器SHT71，与单片机接口电路图如图2所 示。图2 温度湿度传感器采集模块图3LCD 显示模块为了实现多点同时测量减少采集等待时间，同时尽量少的占用I/O 口资源，本系统将SHT71的时钟线SCK 都连接到P1.0口，数据线DATA 分别连接到P1口其他4个I/O 口上，并在数据线DATA 端加入上拉电阻。通过软件程序写入命令 即可完成温湿度数据采集，但传感器输出的测量量并不是实 际值，还需进行数据转换。２０１３年第１期 （总第１２３期）２０１３（Ｓｕｍ．Ｎｏ１２３） 信息通信INFORMATION &COMMUNICATIONS
湖南工业大学科技学院 毕业设计（论文）开题报告 （2012届） 教学部：机电信息工程教学部 专业：电子信息工程 学生姓名：肖红杰 班级： 0801 学号 0812140106 指导教师姓名：杨韬仪职称讲师 2011年12 月10 日
题目：基于单片机的数据采集系统的控制器设计 1.结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述。 近年来，数据采集及其应用技术受到人们越来越广泛的关注，数据采集系统在各行各业也迅速的得到应用。如在冶金、化工、医学、和电器性能测试等许多场合需要同时对多通道的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送、再由上位机进行数据分析和处理，信号波形显示、自动报表生成等处理，这些都需要数据采集系统来完成。但很多数据采集系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对操作环境要求高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统，基于单片机的数据采集系统具有实现处理功能强大、处理速度快、显示直观，性价比高、应用广泛等特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化，智能家居等诸多领域。总之，无论在那个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就超高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的信号，并送入计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统的市场需求量大，特别是随着技术的发展，可用数据器为核心构成一个小系统,而目前国内生产的主要是数据采集卡，存在无显示功能、无记忆存储功能等问题，其应用有很大的局限性，所以开发高性能的，具有存储功能的数据采集产品具有很大的市场前景。 随着电子技术的迅速发展，，一些高性能的电子芯片不断推出，为我们进行电子系统设计提供的更多的选择和更多的方便，单片机具有体积小、低功耗、使用方便、处理精度高、性价比高等优点，这些都使得越来越广泛的选用单片机作为数据采集系统的核心处理器。一些高性能的A/D转换芯片的出现也为数据采集系统的设计提供了更多的方便，无论是采集精度还是采样速度都比以前有了较大的提高。其中一些知名的大公司如MAXIM公司、TI公司、ADI公司都有推出性能比效突出的 A/D转换芯片，这些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特点，有些芯片还具有多通道的同步转换功能。这些芯片的出现，不仅因为芯片价格便宜，能够降低系统设计的成本，而且可以取代以前繁琐的设计方法，提高系统的集成度。 数据采集器是目前工业控制中应用较多的一类产品，数据采集器的研制已经相当成熟，而且数据采集器的各类不断增多，性能越来越好，功能也越来越强大。 在国外，数据采集器已发展的相当成熟，无论是在工业领域，还是在生活中的应用，比如美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器，它既可单独使用又可和计算机连接使用，它具有多种测量
课程设计报告书 设计任务书 一、设计任务 1一秒钟采集一次。 2把INO口采集的电压值放入30H单元中。 3做出原理图。 4画出流程图并写出所要运行的程序。 二、设计方案及工作原理 方案： 1. 采用8051和ADC0809构成一个8通道数据采集系统。 2. 能够顺序采集各个通道的信号。
3. 采集信号的动态范围：0～5V。 4. 每个通道的采样速率：100 SPS。 5．在面包板上完成电路，将采样数据送入单片机20h～27h存储单元。 6．编写相应的单片机采集程序，到达规定的性能。 工作原理： 通过一个A/D转换器循环采样模拟电压，每隔一定时间去采样一次，一次按顺序采样信号。A/D转换器芯片AD0809将采样到的模拟信号转换为数字信号，转换完成后，CPU读取数据转换结果，并将结果送入外设即CRT/LED显示，显示电压路数和数据值。 目录 第一章系统设计要求和解决方案 第二章硬件系统 第三章软件系统 第四章实现的功能 第五章缺点及可能的解决方法 第六章心得体会
附录一参考文献 附录二硬件原理图 附录三程序流程图 第一章系统设计要求和解决方案 根据系统基本要求，将本系统划分为如下几个部分： 信号调理电路 8路模拟信号的产生与A/D转换器 发送端的数据采集与传输控制器 人机通道的接口电路 数据传输接口电路 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。系统框图如图1-1所示
信号采集分析 被测电压为0～5V 直流电压，可通过电位器调节产生。 信号采集 多路数据采集系统多采用共享数据采集通道的结构形式。 数据采集方式选择程序控制数据采集。 程序控制数据采集，由硬件和软件两部分组成。，据不同的采集需要，在程序存储器中，存放若干种信号采集程序，选择相应的采集程序进行采集工作，还可通过编新的程序，以满足不同采样任务的要求。如图1-3所示。 程序控制数据采集的采样通道地址可随意选择，控制多路传输门开启的通道地址码由存储器中读出的指令确定。即改变存储器中的指令内容便可改变通道地址。 由于顺序控制数据采集方式 缺乏通用性和灵活性，所以本设计中选用程序控制数据采集方式。 采集多路模拟信号时，一般用多路模拟开关巡回检测的方式，即一种数据采集的方式。利用多路开关（MUX ）让多个被测对象共用同一个采集通道，这就是 图1-3 程序控制数据采集原理 图1-1 一般系统框图
第21卷 第2期韶关大学学报(自然科学版)Vol121 No12 2000年4月Journal of Shaoguan University(Natural Science)Apr12000 多路数据采集与处理 陆 英, 郝宁生 (韶关大学机电系,广东韶关 512003) 摘要:本文介绍了基于8031单片机的多路数据采集和处理系统,以及在大棚温度、湿度控制管理系统中 的应用。给出了部分系统硬件框图和部分主要的软件流程图。 关键词:单片机;温度;湿度;数据采集 中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1007-5348(2000)02-0066-05 随着现代农业的发展,在农业生产中利用大棚种植农作物已比较普遍,对大棚的自动化管理已是现代农业的发展趋势。在大棚生产中,需要根据当时的温度和湿度来决定是否需要进行喷灌、遮阴、通风等管理。然而在传统生产中存在以下问题:(1)在农作物播种和移载期不能满足对温度和湿度进行严格控制的要求,导致出苗不齐、生长缓慢,严重时甚至会造成死亡。(2)只能根据经验来管理生产,不利于农作物的生长。因此,迫切需要一种适合大棚生产要求的自动控制装置。作者针对这一问题,设计了一套单片机数据采集与处理系统。 1 微机控制系统的硬件设计 在生产管理中,不仅要求根据不同的作物作不同的控制,而且还需要根据各种作物的不同生长期所需的温度、湿度设置不同的控制参数,同时要能显示设定值和实际测量值,以便核对和更改。当控制系统工作正常而机构出现故障时,就有可能造成实测参数超出设定值的范围而无法进行有效控制。此时,必须要报警。根据这一设计思想,设计了图1所示的计算机控制系统。 该系统采用了8031单片机作为控制、计算核心,2764作为程序存贮器,扩展一片8155作输出,同时扩展6264作为数据存贮器,A/D转换选用0809,键盘和显示部分用Intel公司为8位微处理器设计的通用键盘/显示器接口芯片8279,设计有20个键可供使用,8位数码管进行显示。 2 数据采集系统 本系统对8路模拟量进行采集,其中四路为温度,另四路为湿度。主要考虑到:(1)当大棚比较大时,增加测量点,减少测量误差;(2)为以后大棚向种植、养禽、孵化多用大棚发展打下基础。8路温度、湿度经变送放大后,送0809进行A/D转换。我们采用的数据采集方式:依次对每一路的数据采样8次,然后进行平均值滤波,以消除随机干扰造 收稿日期:1998-07-07 作者简介:陆英(1965-),女,江苏海门人,韶关大学机电系副教授,主要从事电子技术和单片机的开发研究。 郝宁生(1963-),男,黑龙江牡丹江人,韶关大学机电系工程师,主要从事电子技术和单片机的开发研究。
单片机原理与应用课程设计 设计题目：温度测控系统设计 设计时间：2011-2012第一学期 专业班级：电自化2008级3班 姓名学号：王勇20082390 指导老师：赵丽清 2011 年12 月25 日
目录 目录 0 第一章设计要求及目的 (2) 第二章系统总体方案选择与说明 (3) 第三章系统方框图与工作原理 (4) 第四章器件说明 (6) 4.1 单片机89C51说明 (6) 4.2 ADC0809说明 (6) 4.3 ADC0809 应用说明 (7) 4.4 LED显示器 (8) 4.5 8255可编程器件扩展并行接口 (9) 第五章软件设计与说明.................. 错误！未定义书签。 5.1 程序设计 (17) 总结.................................. 错误！未定义书签。参考文献 (25)
第一章设计要求及目的 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.该系统目的是便于对某些物理量进行监视.数据采集系统的好坏取决于他的精度和速度.设计时,应在保证精度的情况下尽可能的提高速度以满足实时采样、实时处理、实时控制的要求.在科学研究中应用该系统可以获得大量动态;是研究瞬间物理过程的重要手段;亦是获取科学奥秘的重要手段之一.这次设计用到的集成芯片主要有8051单片机、ADC0808等.ADC0800主要作用是对八路模拟信号进行选择采集,并将其转化为八位数字信号,再送至主控制器(8051单片机);软件部分即为控制单片机的工作进程,程序由汇编语言完成并在PROTEUCE开发软件中进行的调试与仿真. 设计要求： ●温度检测范围0 ℃ ~ 64℃； ●选择合适的方式对采集的值应进行数字滤波； ●数码管显示，同时显示通道号； ●具有超限报警功能； ●可通过键盘设置上、下限值。
刘世鹏--多路温度采集系统设计
课程设计报告 课程名称：多路温度采集系统设计 学生姓名：刘世鹏 学号： 201016020214 专业班级： T10102 指导教师：李文圣 完成时间： 2013年6月10日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师日期
多路温度采集系统设计 1 课程设计目的 温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境温度息息相关，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。温度测量装置的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：（1）传统的分立式温度传感器，（2）模拟集成温度传感器，（3）智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。 本人选择数字式多路温度采集系统设计。 系统主要技术指标： （1）2路温度采集电路及以上； （2）采集测温范围为-50～+110 ℃； （3）温度精度，误差在0.1 ℃以内； （4）显示模块，采用LED数码管显示。
2设计步骤 按照系统设计功能的要求，系统由5个模块组成：主控制器、温度采集电路[1]、温度显示电路、报警控制电路及键盘输入控制电路。数字式多路温度采集系统总体电路结构框图如图1所示。 图1 数字式多路温度采集系统结构框图 采用智能温度传感器（DS18B20）采集环境温度并进行简单的模数转换；单片机（AT89C51）执行程序对温度传感器传输的数据进行进一步的分析处理，转换成环境对应的温度值，通过I/O口输出到数码显示管（LED）显示；由键盘输入控制选择某采集电路检测温度及显示；报警电路对设定的最高最低报警温度进行监控报警。 2.1温度采集电路设计 温度采样处理电路由温度传感器、放大电路、A/D转换电路等组成。采用分块结构的温度采样处理电路，其硬件电路结构复杂，也不便于数据的处理。采用智能温度传感器采样处理电路，能够方便的进行温度的采集及简单的数据处理。并且可以达到设计的技术指标要求。本系统选择智能温度传感器DS18B20作为温度采集电路的核心器件。由DS18B20及辅助电路构成温度采集电路。