1、計算機控制課程設計說明書1 引言 11 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的意義數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機的測量軟硬件產品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。本設計采用a/d轉換器和51單片機組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該設計具有結構簡單、操作方便、高性價比、具有顯示、記錄存儲功能，能夠適應油田野外惡劣環(huán)境，具有性能穩(wěn)定、可靠性高、響應速度快操作簡單、費用低廉、回放過程的信號可以直觀的觀察。它與有線數(shù)傳相比主要有布線成本低、安裝簡便、便于移動等性能。經調查，目前數(shù)據(jù)采集器的市場需求量大，以數(shù)據(jù)采集器為核心構成的小系統(tǒng)應用廣泛，因此開發(fā)高性能的數(shù)據(jù)采

2、集器具有良好的市場前景。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個領域有著廣泛的應用。數(shù)據(jù)采集是工、農業(yè)控制系統(tǒng)中至關重要的一環(huán)，在醫(yī)藥、化工、食品、等領域的生產過程中，往往需要隨時檢測各生產環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時，還要對某一檢測點任意參數(shù)能夠進行隨機查尋，將其在某一時間段內檢測得到的數(shù)據(jù)經過轉換提取出來，以便進行比較，做出決策，調整控制方案，提高產品的合格率，產生良好的經濟效益。 隨著工、農業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集勢必將得到越來越多的應用，為適應這一趨勢，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學研究中，運用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，也是獲取科學數(shù)據(jù)和生成知識的重要

3、手段之一。單片機構成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)適用于各種現(xiàn)場自動化監(jiān)測及控制，能夠適應油田野外惡劣環(huán)境，具有性能穩(wěn)定、可靠性高、響應速度快操作簡單、費用低廉、等優(yōu)點。1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機的測量軟硬件產品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。比如條碼機、掃描儀等都是數(shù)據(jù)采集工具。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是指運用計算機處理信息而構成的系統(tǒng)。其主要功能是將輸入的數(shù)據(jù)信息進行加工、整理，計算各種分析指標，變?yōu)橐子诒蝗藗兯邮艿男畔⑿问?，并將處理后的信息進行有序貯存，隨時通過外部設備輸給信息使用者。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，

4、從嚴格的意義上來說，應該是用計算機控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠對數(shù)據(jù)實行存儲、處理、分析計算以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個部分組成。輸入通道要實現(xiàn)對被測對象的檢測，采樣和信號轉換等工作。數(shù)據(jù)存儲與管理要用存儲器把采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，建立相應的數(shù)據(jù)庫，并進行管理和調用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關干擾噪聲，無關信息和必要的信息，提取出反映被測對象特征的重要信息。另外，就是對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以便于檢索；或者把數(shù)據(jù)恢復成原來物理量的形式，以可輸出的形態(tài)在

5、輸出設備上輸出，例如打印，顯示，繪圖等。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當?shù)男问竭M行輸出和顯示。2 系統(tǒng)的總體設計方案2.1 系統(tǒng)的設計思路本設計的基本思路是：根據(jù)設計指標，首先從整體上規(guī)劃好整個系統(tǒng)的功能和性能，然后再對系統(tǒng)進行劃分，將比較復雜的系統(tǒng)分解為多個相對獨立的子系統(tǒng)，特別注意對各個子系統(tǒng)與系統(tǒng)、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的接口關系進行精心設計以及技術指標的合理分解。然后再由子系統(tǒng)到部件、部件到具體元器件的選擇和調試。各部件或子系統(tǒng)各自完成后再進行系統(tǒng)聯(lián)調，直到完成總體目標。2.2 系統(tǒng)的設計方案用51單片機和 a/d轉換器組成的電路使用方便，51單片機種類多，價格便宜，我們對51系列單片機比較

6、了解，適用范圍廣，更加適合數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的應用。實物圖連接電路簡單，故最終決定使用此方案。其總體系統(tǒng)框圖如2.2.1圖所示：圖2.1 系統(tǒng)總體框圖2.3 系統(tǒng)的工作原理通過一個a/d轉換器采樣一個模擬電壓，每隔一定時間去采樣一次，每次相隔的時間由定時器/計數(shù)器芯片8253控制，采樣的結果送入a/d轉換器芯片0809，轉換完成后，把轉換好的數(shù)字信號送入并行接口芯片8255，然后由中斷控制器向cpu發(fā)出中斷請求，在cpu控制下把8225中的數(shù)字送入外設即crt/led顯示。3 硬件電路設計及描述3.1 8253芯片控制采樣時間8253芯片是nmos工藝制成的可編程計數(shù)器/定時器。內部有三個計數(shù)

7、器，分別成為計數(shù)器0、計數(shù)器1和計數(shù)器2，他們的機構完全相同。每個計數(shù)器的輸入和輸出都決定于設置在控制寄存器中的控制字，互相之間工作完全獨立。每個計數(shù)器通過三個引腳和外部聯(lián)系，一個為時鐘輸入端clk，一個為門控信號輸入端gate，另一個為輸出端out。每個計數(shù)器內部有一個8位的控制寄存器，還有一個16位的計數(shù)初值寄存器cr、一個計數(shù)執(zhí)行部件ce和一個輸出鎖存器ol。 執(zhí)行部件實際上是一個16位的減法計數(shù)器，它的起始值就是初值寄存器的值，而初始 圖3.1 8253芯片引腳圖值寄存器的值是通過程序設置的。輸出鎖存器的值是通過程序設置的。輸出鎖存器ol用來鎖存計數(shù)執(zhí)行部件ce的內容，從而使cpu可以

8、對此進行讀操作。采用工作方式2，稱作速率波發(fā)生器。進入這種工作方式， outi輸出高電平，裝入計數(shù)值n后如果gate為高電平，則立即開始計數(shù)，outi保持為高電平不變； 待計數(shù)值減到“1”和“0”之間， outi將輸出寬度為一個clki周期的負脈沖，計數(shù)值為“0”時，自動重新裝入計數(shù)初值n，實現(xiàn)循環(huán)計數(shù)，outi將輸出一定頻率的負脈沖序列， 其脈沖寬度固定為一個clki周期， 重復周期為clki周期的n倍。 圖3.2 8253連接電路圖如果在減“1”計數(shù)過程中，gate變?yōu)闊o效（輸入0電平），則暫停減“1”計數(shù)，待gate恢復有效后，從初值n開始重新計數(shù)。這樣會改變輸出脈沖的速率。如果在操作過

9、程中要求改變輸出脈沖的速率，cpu可在任何時候，重新寫人新的計數(shù)值， 它不會影響正在進行的減“1”計數(shù)過程，而是從下一個計數(shù)操作用期開始按新的計數(shù)值改變輸出脈沖的速率。3.2 8255并行i/o接口電路8255芯片是intel公司生產的可編程并行i/o接口芯片，有3個8位并行i/o口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255可作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。 8255作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設連接的接口a、b、c口。由于8255可編程

10、,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內部結構分為3個部分：與cpu連接部分、與外設連接部分、控制部分。reset:復位輸入線，當該輸入端處于高電平時，所有內部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有i/o口均被置成輸入方式。 cs:芯片選擇信號線。rd:讀信號線。wr:寫入信號。 d0d7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與cpu數(shù)據(jù)傳送的通道，當cpu 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。 pa0pa7:端口a輸入輸出線。pb0pb7:端口b輸入輸出線。pc0pc7:端口c輸入輸出線。a1,a0:地址選擇線,用來選擇8255的pa口,pb口,圖

11、3.3 8255芯片pc口和控制寄存器。8255具有3個相互獨立的輸入/輸出通道端口，用+5v單電源供電，能在一下三種方式下工作。方式0：基本輸入輸出方式；方式1：選通輸入/出方式；方式三：雙向選通輸入/輸出方式。圖3.3 8255并行接口電路圖3.3 單片機最小系統(tǒng)在mcs-51單片機系列芯片中，用89c51芯片可以構成最小系統(tǒng)。因為片內有rom/eprom的單片機，用這種芯片構成的單片及最小系統(tǒng)簡單、可靠。單片機在開機時都需要復位，以便中央處理器cpu以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。51的rst引腳是復位信號的輸入端。復位電平是高電平有效，持續(xù)時間要有24個

12、時鐘周期以上。圖3.4 單片機最小系統(tǒng)由單片機構成的最小系統(tǒng)特點： 1、受集成度所限，只能用于小型控制單元。 2、有可供用戶使用的大量的i/o口線。3、僅有芯片內部的存儲器，故存儲器的容量有限。4、8051的應用軟件要依靠半導體掩膜技術植入，適于在大批量生產的應用系統(tǒng)中使用。3.4 數(shù)據(jù)采集電路3.4.1 adc0809模數(shù)轉換器adc0809八位逐次逼近式a/d轉換器是一種單片cmos器件，包括8位模擬轉換器、8通道轉換開關和與微處理器兼容的控制邏輯。8路轉換開關能直接連通8個單端模擬信號中的任何一個。各引腳的功能如下：in0in7：8個通道的模擬量輸入端?？奢斎?5v待轉換的模擬電壓。d0

13、d7：8位轉換結果輸出端。三態(tài)輸出，d7是最高位，d0是最低位。a、b、c：通道選擇端。當cba=000時，in0輸入；當cba=111時，in7輸入。ale：地址鎖存信號輸入端。該信號在上升沿處把a、b、c的狀態(tài)鎖存到內部的多路開關的地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號中的某一路。start：啟動轉換信號輸入端。從start端輸入一個正脈沖，其下降沿啟動adc0809開始轉換。脈沖寬度應不小于100200ns。圖3.5 adc0809引腳圖eoc：轉換結束信號輸出端。啟動a/d轉換時它自動變?yōu)榈碗娖?。oe：輸出允許端。clk：時鐘輸入端。adc0809的典型時鐘頻率為640khz，轉換時間約為

14、100s。ref(-)、ref(+)：參考電壓輸入端。adc0809的參考電壓為5v。vcc、gnd：供電電源端。adc0809使用5v單一電源供電。當ale為高電平時，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在start上升沿時，所有的內部寄存器清零，在下降沿時，開始進行a/d轉換，此期間start應保持低電平。在start下降沿后10us左右，轉換結束信號變?yōu)榈碗娖?，eoc為低電平時，表示正在轉換，為高電平時，表示轉換結束。oe為低電平時，d0d7為高阻狀態(tài)，oe為高電平時，允許轉換結果輸出。3.4.2 adc0809與51單片機的接口：adc0809與51單片機的硬件接口有

15、3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式，本題中選用中斷接口方式。圖3.6 adc0809轉換器的連接圖由于adc0809無片內時鐘，時鐘信號可由單片機的ale信號經d觸發(fā)器二分頻后獲得。ale引腳得脈沖頻率是8051時鐘頻率的1/6。該題目中單片機時鐘頻率采用6mhz,則ale輸出的頻率是1mhz，二分頻后為500hz,符合adc0809對頻率的要求。由于adc0809內部設有地址鎖存器，所以通道地址由p0口的低3位直接與adc0809的a、b、c相連。通道基本地址為0000h0007h?？刂菩盘枺簩2.7作為片選信號，在啟動a/d轉換時，由單片機的寫信號和p2.7控制adc的地址

16、鎖存和啟動轉換。由于ale和start連在一起，因此adc0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉換。在讀取轉換結果時，用單片機的讀信號和p2.7引腳經或非門后，產生正脈沖作為oe信號，打開三態(tài)輸出鎖存器。3.5 led顯示電路系統(tǒng)對沒led并沒過高要求，故選擇普通2位led即可。此led能夠用來滿足動態(tài)顯示,且只需要的2個i/o,占用資源少。由led顯示原理可知，要使led顯示器的某一位顯示出某個字符，必須要將此字符轉換為相應的字段碼，同時進行字位的控制，這要通過一定的接口來實現(xiàn)。led顯示器的接口形式與字段，字位控制的譯碼方式以及l(fā)ed顯示方式有關。字段、字位控制線的譯碼方式有軟件譯碼和硬件譯

17、碼兩種，led顯示有靜態(tài)和動態(tài)之分。本設計led電路圖如下：圖3.7 led顯示電路圖3.6 系統(tǒng)總體電路圖設計通過adc0809轉換器采樣一個模擬電壓，每隔一定時間去采樣一次，每次相隔的時間由定時器/計數(shù)器芯片8253芯片控制，采樣的結果送入模數(shù)轉換器芯片0809，轉換完成后，把轉換好的數(shù)字信號送入并行接口芯片8255，然后由中斷控制器向cpu發(fā)出中斷請求，在cpu控制下把8225中的數(shù)字送入外設即crt/led顯示?？傮w電路圖如下所示：圖3.8 系統(tǒng)總體電路圖4 軟件設計流程及描述4.1 8253定時程序流程圖主要使用8253的循環(huán)計時功能，即用8253的方式2。進入這種工作方式， out

18、i輸出高電平，裝入計數(shù)值n后如果gate為高電平，則立即開始計數(shù)，outi保持為高電平不變；待計數(shù)值減到“1”和“0”之間， outi將輸出寬度為一個clki周期的負脈沖，計數(shù)值為“0”時，自動重新裝入計數(shù)初值n，實現(xiàn)循環(huán)計數(shù)。8253定時程序流程圖如下所示：4.2 8255并行接口流程圖8255可作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。本次設計使用的是工作方式1，即基本輸入輸出方式。8255作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255并行接口程序流程圖如下所示：4.3 數(shù)據(jù)處理流程圖4.4 l

19、ed顯示流程圖輸出電路采用數(shù)碼管顯示，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通com端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。led顯示流程圖如下所示：4.5 系統(tǒng)總體流程圖由定時器/計數(shù)器芯片8253控制采樣時間，采樣的結果送入轉換器0809芯片，把轉換好的數(shù)字信號送入并行接口芯片8255，然后cpu發(fā)出中斷請求，在cpu控制下把8225中的數(shù)字送入外設即crt/led顯示。其總體流程圖如下所示：5 源程序匯編語言程序清單：/8253三個clk頻率均為0.5mh，計

20、數(shù)器0工作方式為頻率發(fā)生器，每510us產生一個負脈沖/org 000hajmp startorg 0003hjmp e8255org 0030hstart: mov dptr，ffffh ；(8253控制器地址） mov a，14h ；計數(shù)器0，低8位單字節(jié)計數(shù)，方式2，二進制數(shù)out dptr， a ；控制字寫入控制寄存器mov dptr，e6ffh ；計數(shù)器0地址mov a，ffh ；計數(shù)器0的計數(shù)初值out dptr， a ；計數(shù)值寫入計數(shù)器0inttur:steb ito ；選擇邊沿觸發(fā)方式setb ea ；cpu開中斷setb ex0 ；允許外部中斷0中斷here:sjmp her

21、e ；等待中斷/數(shù)據(jù)處理程序乘法數(shù)據(jù)處理程序，得到數(shù)字量的標度變換，除法處理程序，分離標度變換值的高位和地位/org 0100hdata proce: mov b，5h ； mov a，r0mul abmov b，100mul abmov r6，bmov r5，amov r4，ffhdv: mov r7，#08h ；移位次數(shù)裝入r7so: clr c ；清cmov a， r5 ；被除數(shù)低位存入arlc a ；連同進位位循環(huán)左移1位mov r5，a ；左移后回存amov a， r6 ；被除數(shù)高位存arlc a ；連同進位位循環(huán)左移，被除數(shù)r6r5整數(shù)左移1位mov 07h，c ；保留最高位clr

22、 c ；清進位標志subb a，r4 ；余數(shù)高位減去除數(shù)jb 07h，si ；最高位為1轉s1jnc si ；沒有借位轉s1add a，r4 ；產生借位，恢復余數(shù)sjmp s2 ；轉s2 s1： inc r5 ；產生商 s2： mov r6，a ；保留余數(shù)高位djnz r7，s0 ；循環(huán)ajmp ledshow/用兩位七段數(shù)碼管顯示采集量/org 0200hledshow: setb p0.7 mov r2，fehmov a，r2mov dptr，#tablopo: mov p1，amov a，r6 ；取出數(shù)據(jù)movc a， a+dptr ；取出字型碼mov dptr，faffh ；取8255

23、b口地址mov dptr，a；將字型碼從b口輸出顯示 acall d1ms；調用延時程序mov a，r2jb p1.1，lp1rl amov r2，aajmp lp0lp1: rettab： db 3fh，06h， 5bh， 4fh， 66h，6dhdb 7dh，07h，7fh， 6fh， 77h，7chdb 39h，5eh， 9h， 71h， 40h，00hd1ms: mov 7，#02hdl: mov r6，#0ffhdl1: djnz r6，dl1 djnz r7，dlret/中斷處理程序，將pa口數(shù)據(jù)讀入單片機/org 0260he8255: mov dptr，#feff ；寫方式控制字（pa口方式0輸入，pb口方式0輸出）mov a，#98hmovx dptr， amov dptr，#f8ff ；pa口地址movx a，dptr ；pa口內容讀入累加器amov r0 a ；累加器a內容暫存寄存器r0reti ；中斷返回6 心得體會經過幾周的奮戰(zhàn)我的課程設計終于完成了。在沒有做課程設計以前覺得課程設計只是對這幾年來所學知識的單純總結，但是通過這次做課程設計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。課