基于单片机的离散量数据采集系统设计本科毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的离散量数据采集系统设计本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

分析了各种方案的优缺点，最后 给出了合适的方案。 方案 1 的电路结构如图 所示。 沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 7 上 位 机离 散 量 采 集电 路单 片 机 输 出 图 方案一设计电路结构框图 图 中， 在这一方案中，是单片机和上位机一种由上位机向下位机的单向传输方式。 那么这样下位机可以接收到由上位机发来的指令，开始遵照上位机的指令开始工作，如开始以某种方式接收离散量数据和发送数据。 该方案的优点是电路比较简单，操作方便，但是该方案的缺点也很明显， 单片机接受到数据之后不能返还给上位机，那么这样上位机就不能得到数据，就不能对数据进行跟踪，计算，暂存以及各种处理等。 不能很好达到课题设计要求。 方案 2 的电路结构如图 所示。 上 位 机离 散 量 采 集电 路单 片 机 输 出 图 方案二设计电路结构框图 如图 所示这样，是由下位机与上位机的一种单向传输。 这样可以弥补上一个方案采集数据发送不到上位机上的弊端，但是这个方案的缺点也是很明显的。 就是它忽视了上位机更重要的用途，即对下位机的控制功能。 所以这也是不能达到设计要求标准的。 方案 3 的电路结构如图 所示。 沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 8 上 位 机离 散 量 采 集电 路5 1 单 片 机 最小 系 统输 出MAX232 图 方案三设计电路结构框图 方案 3 是一个比较 成熟的方案，它通过 MAX232 实现下位机和上位机的双向连接，实现了下位机与上位机的一种双向传输方式。 即可以让下位机接收到上位机发来的命令指令和控制指令，也可以上下位机采集到的数据及时传输到上位机，让上位机可以对这些数据进行实时的处理。 所以本设计采用方案三。 本文所设计的 离散量数据采集系统硬件 体积小、精度高、 性能稳定、操作方便、运行操作简单、 设计成本较低。 由于 采用的器件都是已经非常普遍的器件，大多数已经批量生产，并且价格也十分低廉，如 STC89C52RC 单片机、 74HC54 74HC574和 MAX232 等。 这就意味着所选择使用的器件功能比较强大、稳定，尤其是本次设计的核心元件 STC89C52RC 单片机，软件配合度高，并具有种类齐全的支持芯片。 这类微处理器既可用作控制器又适合于做数据处理，而且成本也甚是低廉。 沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 9 3 系统硬件设计 根据课题要求，设计采用 STC 公司的 STC89C52RC 单片机为处理器，运用TLP521 进行光电隔离，采用 八位三态 同 相输出总线缓冲器 74HC541 为输入缓冲部分，而输出缓冲部分则采用的是锁存器 74HC574，由 拨动 开关作为开关控制。 另外，作为下位机系统，需要与上位机进行通信，共同制定通信标 准，本次设计采用的是RS232 来进行串口通信， MAX232 进行电平转换。 整体设计的方案原理图见附录1，其结构框图如图 所示。 上 位 机单 片 机串 口1 6 路 输 入 缓 存光 电 隔 离多 路 开 关时 钟1 6 路 输 出 缓存复 位 电 路电 源 电 路 图 总体设计结构框图 单片机模块 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。 尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。 同时集成诸如通讯接口、定时器，沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 10 实时时钟等外围设备。 而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像 、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 STC89C52RC 介绍 STC89C52RC（如图 210 所示） 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中。 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 单片机内部功能模块和引脚图分别如图 、图 所示。 CPURO M串行接口并行 I / O 口定时器 / 计数器RA M时钟电路中断系统P 0 P 1 P 2 P 3 T XD RX D I NT 0I NT 1 图 51 单片机内部功能块 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流， 这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 11 故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引脚上出现 24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。 初始化后，程序计数器 PC 指向 0000H， P0P3 输出口全部为高电平，堆栈指钟写入 07H，其它专用寄存器被清 “0”。 RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。 然而，初始复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的状态。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求 的宽度。 沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 12 主要性能参数介绍如下： (1) 与 MCS51 产品指令系统完全兼容； (2) 4K 字节可重复擦写 Flash 闪烁存储器； (3) 1000 次擦写周期； (4) 全静态操作： 0HZ24HZ； (5) 三级加密程序存储器； (6) 128*8 字节内部 RAM； (7) 32 个可编程 I/O 接口线； (8) 2 个 16 位定时 /计数器； (9) 5 个 中断源； (10) 可编程串行 UART 通道； (11) 低功耗空闲和掉电模式。 图 51 单片机引脚图 单片机最小系统 单片机最小系统由电源电路、晶振 电 路 及复位电路 构成，它是单片机构成的控制系统的核心部分，也单片机平台开发的基础。 其余的外部功能电路都是在这个最小电路的基础上再开发出来的。 电源电路 沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 13 图 电源电路 本设计的电源通过计算机的 USB 口供给，使用套件提供的 USB,A 转 B 口电缆连接计算机 USB 口与设计板即可。 其次选择 USB 是考虑到它的一下有点： （ 1） USB 为所有的 USB 外设提供了单一的、易于使用的标准的连接类型。 这样一来就简化了 USB 外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽的任务，实现了单一的数据通用接口。 （ 2）整个的 USB 的系 统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源。 （ 3） USB 支持热插拔和 PNP，也就是说在不关闭 PC 的情况下可以安全的插上的断开 USB 设备，计算机系统动态地检测外设的插拔，并且动态地加载驱动程序。 其他普通的外围连接标准，如 SCSI 设备等必须在关掉主机的情况下才能插拔外围设备。 （ 4） USB 在设备供电方面提供了灵活性。 USB 直接连接到 Hub 或者是连接到Host 的设备可以通过 USB 电缆供电，也可以通过电池或者其他的电力设备来供电，或者用两种供电方式的组合，并且支持节约能源的挂机和唤醒模式。 （ 5） USB 提供全速 12Mbps 的速度和低速 的速度来适应各种不同类型的外设。 （ 6）为了适应各种不同类型外围设备的要求， USB 提供了四种不同的数据传输类型：控制传输、中断数据传输和同步传输等。 （ 7） USB 的端口具有很灵活的扩张性。 沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 14 时钟电路 图 晶振电路 时钟电路用于产生 MCS51 单片机工作时所必须的时钟信号。 时钟是时序的基础， 为保证同步工作方式的实现，单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作。 因此，时钟频率和质量也直接影响单片机系统的速度和稳定性。 常用的时钟电路有内部时钟和外部时钟方式。 本系统使用的是内部时钟方式。 单片机片内由一个反向放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。 该反相放大器的输入端为引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。 这两个引脚 外 接石英晶体振荡器作为定时元件，内部反向放大器自激振荡，产生时钟。 C1， C2 对频率有微调作用。 C1 和 C2 值选择为 30PF。 晶振频率选择。 在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。 复位电路 RST 引脚是复位信号的输入端，高电平有效。 复位是单片机的初始化操作。 单片机在启动 运行时，都需要先复位，其作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作 ，只要给 RESET 引脚加上 2 个及其周期以上的高电平信号，就可使 MCS51 单片机复位。 复位相当于系统的重新启动，可以摆脱系统错误或死锁状态。 只要该引脚保持高电平，单片机便循环复位，当该引脚变低后，单片机由 ROM 的 0000H 开始执行程序。 复位操作不影响内部 RAM的内容。 单片机复位方式由上电自动复位和手工复位两种，本设计采用的是手工按钮复沈阳航空航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 15 位，其电路图如图 所示。 图 复位电路 输入输出模块 光电隔离模块 光 电隔离电路的作用是在电隔离的情况下 ,以光为煤介传送信号 ,对输入和输出电路可以进行隔离 .因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强 弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。 其引脚图和原理图分别如图 、图 所示。 图 TLP5214 引脚。