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1、目录1、课程设计任务概述11.1 组成11.2 系统设计要求11.3 任务要求22、传感器的选择22.1温度传感器的组成22.2常用的测温传感器23、单片机硬件电路的设计43.1 硬件总体设计43.2存储器RAM扩展6RAM扩展的原理7常用的地址锁存器83.3模拟量采集电路设计93.3.1 信号调理电路设计93.3.2 多路开关选择103.3.3 A/D转换电路设计113.4 开关量采集电路设计133.4.1 74LS241的引脚分布和逻辑结构133.4.2 开关量采集的硬件连接图133.5 脉冲量采集电路设计143.6系统硬件原理图154、软件设计154.1 系统主程序154.2 模拟量采集
2、程序164.3 开关量采集程序184.4 键盘扫描子程序194.5键盘显示程序205、 设计小结22参考文献231、课程设计任务概述1.1 组成设备数据采集部分要求采集的数据分三类：1.开关量的检测（8 路）；2.脉冲量的检测（1 路）；3.模拟量的检测（8 路）。信号采集板包括CPU、RS485通讯网络接口、RS232C通讯接口等，如图1-1所示。信号采集板获得开关量和经过标准化处理的传感器信号，进行信号采集，并进行数学处理，然后进行图文显示、储存和网络通讯。RS232C通讯接口与有 RS232C通讯协议的LCD液晶汉字图形显示器通讯。开关电源与信号处理电路板隔离数据采集电路（根据信号类型和
3、路数设）计）CPU控制电路485通讯网络接口断电保护存储电路232通讯网络接口开关量信号读取电路脉冲量信号读取电路通道开关和A/D转换需要RS232C通讯的设备车间内RS485通讯总线装置面板薄膜键盘图 1-1 设备数据采集通讯显示装置主板的组成框图1.2 系统设计要求选用熟悉的单片机型号，组成测试，通讯系统；扩展数据存储设备，用于存储检测量，中间计算结果；选用开关量输入接口（8 路）；选用不低于十位的A/D转换器用于模拟量的测量（8路）；脉冲量的输入根据系统资源情况决定。1.3 任务要求1.进行总体设计，明确各接口设备的地址；2.画出系统线路图，打印图并交电子文件；3.编写数据采集、转换程序
4、（明确各类数据存储地址各子程序功能，处、入口参数）；4.在介绍总体系统的基础上着重说明本部分的设计思想、器件的选用、采样程序说明。2、传感器的选择 传感器的作用是把非电量的物理量（如速度、温度、压力等）转变成模拟电量（如电压、电流、电阻或频率）。本设计涉及到的传感器是与温度和压力相关的，故选择以下两种传感器用于电路中。2.1温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器，就测量系统的功能而言，通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成，如图2-1所示。简单的温度传感器往往是把温度传感器和显示器组成一体的，对这样一种传感器一般在现场使用。 图2-1 温度传感器组成框图2.2常用的
5、测温传感器常用测温传感器的特点见表2-1所示：表2-1 测温传感器的比较类型优点缺点热电偶易于使用、成本极低极宽温度范围（-2002000）坚固耐用有多种类型中等精度（1%3%）低灵敏度（4080V/）地响应速度（几秒）高温时老化和漂移非线性、低稳定性需要外部参考端 热敏电阻易于连接、快速响应低成本、高灵敏度高输出辐射、小尺寸易于互换中等稳定性窄温度范围（高达150）大温度系数（4%/）非线性、固有的自身发热需要外部电流源 RTD极高精度极高稳定性、中等线性许多种配置有限的温度范围（高达400）、大温度系数、昂贵需要外部电流源IC温度传感器（模拟和数字输出）极高的线性、低成本高精度（约1%）、
6、高输出幅度易于系统集成小尺寸、高分辨率低响应速度有限的温度范围（-55 +150）、固有的自身发热需要外部参考源 热电温度记录仪常以热电偶作为测温元件，由上表得知它广泛用来测量-200 2000 范围内的温度；特殊情况下，可测2800的高温或4K的低温。此次设计所测温度范围是0400，故选择K型热电偶作为测温传感器。输出电压范围为016.395mV；经放大器放大300倍，故最终输出电压满足05V要求。型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、耐久性强，稳定性高及K型热电偶的热电势与温度有良好的线性关系所以传感。3、单片机硬件电路的设计3.1 硬件总体设计本次课程
7、设计是为了完成数据处理功能模块设计中的数据采集部分。设备数据采集包括8路开关量的检测、8路模拟量的检测和1路脉冲量的检测。数据采集系统基于单片机AT89C51进行设计的。AT89C51单片机参数特点：与MCS-51 兼容 ；4K字节可编程闪烁存储器 ；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24MHz；三级程序存储器锁定；1288位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；其管脚配置如图3.1所示。图3.1 AT89C51的管脚图管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口
8、：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。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，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。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，作为输入，作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。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
9、八位。在给出地址“1”时，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。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，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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（
10、外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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间。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。/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（0000H-FFFFH
11、），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。 根据设计要求，对系统硬件连接概况进行初步设计，对测量数据的采集需要扩展芯片存储器，对输入模拟信号进行A/D转换并调理使之符合信号输入要求，脉冲量采集则需要对信号进行隔离、放大、整流，使信号符合标准的TTL电平输入单片机处理。由于模拟量和数字量采集均为8路，同时要考虑采用多路选择器进行多路信号采集、并行接口进行数据通信、
12、以及LED显示器。依据初步规划设计，对于硬件系统作出如图3.2所示的系统总体框图。图3.2 系统总体框图3.2存储器RAM扩展AT89C51单片机的芯片内部集成了计算机的基本功能部件，已具备了很强的功能。AT89C51单片机内部集成了4KB ROM,但片内RAM仅有128 B，并行I/O端口，定时器及中断源等内部资源都还是有限的。同时，为了使单片机能按要求工作，就必须将必要的命令和数据输入到单片机中；单片机运算或处理的结果也要通过一定的方式输出，这就需要配置一定的输入/输出设备。虽然在单片机内部设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接，但当外围设备较多时，仅有的几个内部I/O接口就不够
13、用。因此根据实际开发要求，需要对单片机进行外部功能扩展。在对单片机外部功能进行扩展时，首先是配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器；由于单片机程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的，程序存储器空间扩至64KB，外部数据存储器（包括I/O口）的寻址空间也可以扩至64KB。本次设计我们将外部RAM扩展为2KB足以。图3.3为AT89C51与片外存储器的连接图。图3.3 AT89C51存储器扩展图3.2.1 RAM扩展的原理AT89C51对外部数据存储器的操作指令有如下四条：MOVX A, Ri ； （P2）（Ri） A i=0/1 读 MOVX Ri, A ； （A） （P2）（Ri） i
14、=0/1 写MOVX A, DPTR ； （DPTR） A 读 MOVX DPTR,A ； （A） （DPTR） 写其中指令是以R0或R1作指针对外部数据存储器页面寻址，页号由当前P2口锁存器内容决定，这两条指令适宜于寻址容量较小的外部数据存储器。指令是以16位的DPTR作指针的，可对64K字节的外部数据存储器寻址。CPU在执行指令时，P2口输出P2锁存器的内容，P0口输出R0或R1的内容。CPU在执行指令时，P2口输出DPH内容，P0口输出DPL内容。CPU在访问外部数据存储器时，在ALE下降为低电平后，P2口输出的地址信息保持不变，而P0口转为浮空，原来的低8位地址信息丢失，因此也需要外部锁存器在ALE下降时把P0口地址信息锁存起来。AT89C51在访问外部数据存储器时，一个机器周期中ALE只输出一个正脉冲；ALE返回低电平后，读信号或写信号有效，而始终无效（保持高电平），所以AT89C51访外数据存储器时决不会访问外部程序存储器。下面以62123为例，介绍它的引脚及功能。如图3.4所示： A
