緒論1.1研究背景及其目的意義近年來(lái)，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代，1956年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)，目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。大概在60年代后期，國(guó)內(nèi)外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表、計(jì)算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過(guò)了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)組成。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也有一定的應(yīng)用。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。20世紀(jì)80年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了很大的變化，工業(yè)計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理，是系統(tǒng)的成本減低，體積變小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng)。20世紀(jì)90年代至今，在國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個(gè)新的系統(tǒng)。盡管現(xiàn)在以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，而且組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)并輔以應(yīng)用軟件，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會(huì)對(duì)基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機(jī)具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，而雙單片機(jī)又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采集，因此能夠開(kāi)發(fā)出能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)和顯示。它起始于20世紀(jì)中期，在過(guò)去的幾十年里，隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集方面的技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前社會(huì)的發(fā)展主流方向。各種領(lǐng)域都用到了數(shù)據(jù)采集，在石油勘探、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)飛行、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。我國(guó)的數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來(lái)，又成功研制了動(dòng)態(tài)范圍更大、線性度更高、兼容性更強(qiáng)、低功耗可靠性的TDE-324C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集對(duì)拾震計(jì)輸出的電信號(hào)模擬放大后送至A/D數(shù)字化，A/D采用同時(shí)采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)DSP數(shù)字濾波處理后，變成數(shù)字地震信號(hào)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備24位A/D轉(zhuǎn)化位數(shù)，采樣率有50HZ、100HZ、200HZ。由美國(guó)PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由3部分組成：（1）傳感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；（2）計(jì)算機(jī)接口：將來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為25萬(wàn)次/S；（3）軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。受需求牽引，新一代機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿足飛行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用也在快速地發(fā)展。如愛(ài)爾蘭ACRA公司2000年研發(fā)推出的新一代KAM500機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到了2006年。本系統(tǒng)采用16位（A/D）模擬數(shù)字變換，總采樣率達(dá)500K/S，同步時(shí)間為+/-250ns，可以利用方式組成高達(dá)1000通道的大容量的分布式采集系統(tǒng)。1.3該課題研究的主要內(nèi)容數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等問(wèn)題。它是對(duì)傳感器信號(hào)的測(cè)量與處理，以微型計(jì)算機(jī)等高技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。數(shù)據(jù)采集是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過(guò)程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場(chǎng)合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。盡管現(xiàn)在以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，并且適于通用微機(jī)(如IBMPC系列)使用的板卡級(jí)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品也已大量出現(xiàn)，組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)單到只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)，并輔以應(yīng)用軟件，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會(huì)對(duì)基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因?yàn)閱纹瑱C(jī)功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、靈活性好、開(kāi)發(fā)容易等優(yōu)點(diǎn)，使得基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于沒(méi)有上位機(jī)的支持，不管采用什么樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)容量都是有限的，所以不得不對(duì)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋刷新，這樣不利于用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，因而也不能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的把握。本系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)用的數(shù)據(jù)采集和超限報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機(jī)89C51為核心，選用了同步串行通信的接口芯片，可以采集最多16路模擬量輸入信號(hào)，并設(shè)置了8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出通道，對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和超限報(bào)警處理。這里，主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)用多路模擬開(kāi)關(guān)4067和A/D轉(zhuǎn)換器MAX187。多路模擬開(kāi)關(guān)4067是一個(gè)16選1模擬開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)它可以由軟件分時(shí)選通各個(gè)模擬通道的輸入。MAX187是一個(gè)12位串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器，采用三線SPI總線和微處理器通信，接口簡(jiǎn)單，精度高，功耗低。2單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程一般要包括總體方案的設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真調(diào)試和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)等幾部分。在對(duì)應(yīng)用對(duì)象論證、分析的基礎(chǔ)上，確定總體方案，合理地安排系統(tǒng)軟件、硬件的技術(shù)要求。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)、制版和組裝、硬件調(diào)試等工作。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)總體方案和硬件電路，設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制程序。系統(tǒng)的測(cè)試包括功能測(cè)評(píng)、技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量、系統(tǒng)的優(yōu)化等工作。程序固化后，系統(tǒng)運(yùn)行，投入正常的工作中，開(kāi)發(fā)工作完成。單片機(jī)是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運(yùn)算能力（如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（CPU），隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），只讀程序存儲(chǔ)器（ROM），輸入輸出電路（I/O口），可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口（SCI），顯示驅(qū)動(dòng)電路（LCD或LED驅(qū)動(dòng)電路），脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機(jī)上，構(gòu)成一個(gè)最小然而很完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)?？偟亩詥纹瑱C(jī)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面：集成度高、存儲(chǔ)容量大、外部擴(kuò)展能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗、性能價(jià)格比高、可靠性高這幾個(gè)方面。單片機(jī)按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為4位、8位、16位及32位單片機(jī)。8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)大，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能接口、儀表儀器等各個(gè)領(lǐng)域。8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。2.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成單片機(jī)本身是綜合了CPU、儲(chǔ)存器、I/O接口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等計(jì)算機(jī)基本組成的半導(dǎo)體芯片，而且程序可以固化在單片機(jī)芯片中，因此對(duì)于一般的應(yīng)用，只需要單片機(jī)加上少量的器件就可以構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)的硬件部分，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的支持程序就可以容易地完成應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前，單片機(jī)的發(fā)展方向就是把各種功能模塊盡可能地集成，以單片機(jī)系統(tǒng)為目標(biāo)。但是，對(duì)于目前應(yīng)用比較廣泛的8位單片機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其應(yīng)用方便，成本低廉，可靠性高，體積小，而且I/O的擴(kuò)展也比較容易，所以在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，8位單片機(jī)仍然得到廣泛應(yīng)用。典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)除主機(jī)外，還包括有：（1）前向通道(即輸入部分)：數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)(A/D)的輸入。（2）后向通道(輸出部分)：數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)(D/A)的輸出。（3）人機(jī)對(duì)話通道，即人機(jī)交互部分：鍵盤、顯示器、打印機(jī)、看門狗(監(jiān)視)電路等。圖2-1所示為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成。圖2-1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一般規(guī)模比較小。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程要借助專用的開(kāi)發(fā)器、仿真器或開(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要綜合考慮硬件、軟件的組成，以達(dá)到較高性能價(jià)格比?？梢圆捎密浖袒瘜?shí)現(xiàn)部分硬件功能，也可以采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)某些軟件的功能。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)要求可靠性高，特別是工作于無(wú)人值守、不間斷工作的環(huán)境中，必須保證安全可靠。要從電路設(shè)計(jì)、軟件程序等加以考慮?？撮T狗監(jiān)視電路就是其中一種。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)要盡量作到低功耗、小體積。軟件程序固化在單片機(jī)內(nèi)的程序存儲(chǔ)器中。要在專門的編程器或下載設(shè)備中完成。2.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.2.1總體方案的設(shè)計(jì)根據(jù)市場(chǎng)需求,進(jìn)行分析,提出本項(xiàng)目的任務(wù)。熟悉和了解控制對(duì)象，確定合理可行的技術(shù)指標(biāo)。確定系統(tǒng)功能具體實(shí)現(xiàn)形式,選擇出適合該項(xiàng)目，能迅速開(kāi)發(fā)出性能價(jià)格比高的應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī)。合理地劃分硬件和軟件兩部分的功能要求。確定總體方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書。按照軟件工程的思想，列出各子系統(tǒng)的任務(wù)書,以及軟件、硬件及它們之間的接口標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求。2.2.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程一般情況下，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程包括以下幾部分：⑴.總體方案的設(shè)計(jì)⑵.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)⑶.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)⑷.系統(tǒng)仿真調(diào)試⑸.運(yùn)行維護(hù)。這5個(gè)部分不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互依靠、互相制約的。如圖2-2所示為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的流程圖。圖2-2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的流程圖2.389C51單片機(jī)的簡(jiǎn)介89C51單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。2.3.1單片機(jī)的基本組成89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示：圖2-389C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖89C51單片機(jī)基本組成包括：一個(gè)8位的微處理器；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM有128B，21個(gè)特殊功能寄存器SFR；片內(nèi)程序存儲(chǔ)器FlashROM有4KB；可尋址片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB的ROM；可尋址片外64KB的RAM；4個(gè)8位并行I/O接口（P0—P3）；一個(gè)全雙工通用異步串行接口UART；兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)；具有位操作功能的布爾處理機(jī)及位尋址功能；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路。2.3.289C51單片機(jī)的引腳89C51單片機(jī)是CMOS的低功耗芯片，圖2-4所示為它的引腳圖。它有兩種不同封裝形式：PLCC形式和PDIP形式。本設(shè)計(jì)采用PDIP形式。圖2-489C51單片機(jī)的引腳圖40個(gè)引腳及其功能：電源引腳：Vcc和VssVcc（40腳）：電源端，接+5V電源。Vss（20腳）：接地端，接+5V電源地端。外接晶體引腳：XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2（18腳）：來(lái)自反向振蕩器的輸出。容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止?？刂菩盘?hào)引腳：RST、ALE、PSEN、EARST（9腳）：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。保持兩個(gè)機(jī)器周期高電平時(shí),完成復(fù)位操作。ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許輸出端/編程脈沖輸入端。正常時(shí),連續(xù)輸出振蕩器頻率的1/6正脈沖信號(hào)。訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)：作為鎖存P0口低8位地址的控制信號(hào)。對(duì)8751片內(nèi)ROM編程寫入時(shí)：作為編程脈沖輸入端。PSEN（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通輸出信號(hào)訪問(wèn)片外ROM時(shí)，輸出負(fù)脈沖作為讀ROM選通。常連接到片外ROM芯片的輸出允許端（OE）作外部ROM的讀選通信號(hào)。EA/VPP（31腳）：外部程序存儲(chǔ)器地址使能輸入/編程電壓輸入端。平常，接“1”時(shí)，CPU訪問(wèn)片內(nèi)4KB的ROM，當(dāng)?shù)刂烦?KB時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外ROM中的程序。當(dāng)接“0”時(shí)，CPU只訪問(wèn)片外ROM。第2功能Vpp對(duì)8751編程時(shí)，編程電壓輸入端。輸入/輸出端口引腳P0、P1、P2、P3P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)情況下都使用P3口的第二功能。表2-1P3端口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外中斷0）P3.3/INT1（外中斷1）P3.4T0(定時(shí)／計(jì)數(shù)器0)P3.5T1(定時(shí)／計(jì)數(shù)器1)P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）2.4模擬開(kāi)關(guān)電路4067開(kāi)關(guān)在電路中起接通信號(hào)或斷開(kāi)信號(hào)的作用。最常見(jiàn)的可控開(kāi)關(guān)是繼電器，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路加高電平或低電平時(shí)，繼電器就吸合或釋放，其觸點(diǎn)接通或斷開(kāi)電路。CMOS模擬開(kāi)關(guān)是一種可控開(kāi)關(guān)，它不像繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場(chǎng)合，只適于處理幅度不超過(guò)其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號(hào)。CD4067是數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)，具有低導(dǎo)通阻抗，低截止漏電流和內(nèi)部地址譯碼的特征。另外，在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻保持相對(duì)穩(wěn)定。如圖2-5所示為模擬開(kāi)關(guān)電路4067的引腳圖：圖2-54067引腳圖表2-2多路模擬開(kāi)關(guān)4067功能表：輸入開(kāi)關(guān)通道INHDCBALLLLLI/O0—COMLLLLHI/O1—COMLLLHLI/O2—COMLLLHHI/O3—COMLLHLLI/O4—COMLLHLHI/O5—COMLLHHLI/O6—COMLLHHHI/O7—COMLHLLLI/O8—COMLHLLHI/O9—COMLHLHLI/O10—COMLHLHHI/O11—COMLHHLLI/O12—COMLHHLHI/O13—COM續(xù)表2-2輸入開(kāi)關(guān)通道INHDCBALHHHLI/O14—COMLHHHHI/O15—COMHXXXX關(guān)斷電路中選用了一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)，有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)化器即可，簡(jiǎn)化了硬件電路，節(jié)約成本。2.5A/D轉(zhuǎn)換器MAX1872.5.1MAX187簡(jiǎn)介MAX187是美信公司推出的具有串行接口的12位精度的A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部含有采樣／保持電路，單5V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為8.5μs，具有片上4.096V參考電壓，模擬量輸入范圍為0～VBEF。三線串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire總線。設(shè)計(jì)精巧，工作速度快。MAX187用采樣／保持電路和逐位比較寄存器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)，其采樣／保持電路不需要外接電容。MAX187有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將置為低電平進(jìn)入休眠模式，這時(shí)的電流消耗降到10μA以下。置為高電平或懸空進(jìn)入正常操作模式。MAX187電源需要加去耦合電容，方法是用一個(gè)4.7μF電容和一個(gè)0.1μF電容并聯(lián)。為保證采樣精度，將MAX187與單片機(jī)分開(kāi)供電。4腳為參考端接一個(gè)4.7μF的電容，這是使用內(nèi)部4.096V參考電壓方式。輸入模擬信號(hào)的電壓范圍為0～4.096V，如模擬輸入電壓不在這個(gè)范圍要外加電路進(jìn)行電壓范圍的變換。MAX187只有一路模擬輸入通道，如輸入為多路信號(hào)，要外加多路模擬開(kāi)關(guān)。2.5.2MAX187特點(diǎn)及引腳MAX187的主要特點(diǎn)：12位的A/D轉(zhuǎn)換精度；內(nèi)部采樣/保持電路，采樣速率75KHz；內(nèi)部緩存的參考電壓4.096V；3線串行接口和處理器通信，并且兼容SPI、QSPI和Microwire同步串行接口標(biāo)準(zhǔn)；工作在單一的+5V電源；低功耗，待機(jī)電流為2μA，工作電流為1.5mA；小封裝，8個(gè)引腳的DIP（雙列直插）封裝芯片。如圖2-6所示為MAX187內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖2-6MAX187內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MAX187為8個(gè)引腳雙列直插封裝，其引腳圖見(jiàn)圖2-7所示：圖2-7MAX187引腳圖其中：VDD（1腳）：+5V電源。AIN（2腳）：模擬量輸入，范圍為0V—VREF（0V—4.096V）。SHDN（3腳）：工作模式選擇輸入端。低電平為待機(jī)模式；高電平或懸空為正常操作，其中高電平時(shí)使用內(nèi)部參考電源，懸空時(shí)，禁止內(nèi)部參考電源且允許使用外部參考電源。VREF（4腳）：參考電壓。使用內(nèi)部參考電源電壓為4.096V，需要4.7μF電容接地。使用外部參考電壓為+2.5V—VDD。GND（5腳）：接地。DOUT（6腳）：串行數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿改變。CS（7腳）：片選輸入端。低電平啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；高電平時(shí)，DOUT輸出端高阻抗?fàn)顟B(tài)。SCLK（8腳）：串行時(shí)鐘信號(hào)輸入端最高頻率為5MHz。3串行通信總線最新推出的單片機(jī)很多都有符合總線的標(biāo)準(zhǔn)接口，所以使用起來(lái)非常方便。89C51這類的單片機(jī)雖然沒(méi)有專門的同步串行總線接口，但是，它們可以利用自己的少數(shù)幾根I/O口線，通過(guò)軟件模擬通信協(xié)議，進(jìn)行同步串行總線外設(shè)接口芯片擴(kuò)展，更具有靈活方便的特點(diǎn)。由于89C51沒(méi)有專門的SPI接口，因此要采用用一般I/O口線模擬SPI操作的方法，來(lái)和SPI總線接口器件連接和交換數(shù)據(jù)。用軟件模擬就是按照SPI總線數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序要求和要傳送的數(shù)據(jù)，對(duì)相應(yīng)的I/O線進(jìn)行置“1”、置“0”和讀寫的操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和輸出信號(hào)。3.1SPI串行外設(shè)接口總線SPI(SerialPeripheralInterface)總線是Freescale公司(原Motorola公司半導(dǎo)體部)推出的同步串行外設(shè)接口總線。它用于MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式同步傳送和接收8位數(shù)據(jù)。外圍設(shè)備包括簡(jiǎn)單的TTL移位寄存器（用作并行輸入或輸出口）至復(fù)雜的LCD顯示驅(qū)動(dòng)器或A/D轉(zhuǎn)換器等。SPI總線主要特性：SPI總線是全雙工同步串行通信標(biāo)準(zhǔn)，可以同時(shí)同步傳送和接收8位數(shù)據(jù)；SPI串行接口設(shè)備可以配置為主或從操作模式；接口設(shè)備工作于主機(jī)模式時(shí)，要提供同步時(shí)鐘信號(hào)，并決定要選中的從機(jī)，發(fā)出從機(jī)片選信號(hào)。接口設(shè)備工作于從機(jī)模式時(shí)，從主機(jī)獲取時(shí)鐘和片選信號(hào)，選中的從機(jī)和主機(jī)通信，沒(méi)有被選中的從機(jī)將其數(shù)據(jù)線處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。接口共使用4條信號(hào)線：主機(jī)輸出的低電平有效的從機(jī)選擇線CS(SS)主機(jī)輸出/從機(jī)輸入的數(shù)據(jù)線MOSI主機(jī)輸入/從機(jī)輸出的數(shù)據(jù)線MISO主機(jī)輸出用于同步的串行時(shí)鐘信號(hào)線SCKSPI有較高的數(shù)據(jù)傳送速度，主機(jī)方式最高速率可達(dá)1.05Mb/s；SPI串行接口設(shè)備可以提供頻率可編程的時(shí)鐘信號(hào)和發(fā)送結(jié)束的中斷標(biāo)志；并具有寫沖突保護(hù)、總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)等功能。在SPI接口中，數(shù)據(jù)的傳輸只需要1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)和2條數(shù)據(jù)線。大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，省掉了很多常規(guī)電路中的接口器件，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。SPI總線除了可以用來(lái)連接一個(gè)處理器（系統(tǒng)主機(jī)）和多個(gè)SPI接口外部設(shè)備（SPI從機(jī)）以外，還可以應(yīng)用于一個(gè)主處理器和多個(gè)從處理器之間的通信，用于多個(gè)處理器和若干個(gè)SPI接口外部設(shè)備之間的連接。在一些單片機(jī)和嵌入式處理器中配置了SPI接口，因此可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口。3.2SPI總線系統(tǒng)的組成在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中，使用1個(gè)MCU作為主機(jī)，控制數(shù)據(jù)向1個(gè)或多個(gè)從外部接口器件的傳送。圖3-1是SPI總線系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖：圖3-1SPI總線系統(tǒng)連接圖SPI總線包括三條信號(hào)線：時(shí)鐘線SCK、數(shù)據(jù)線MOSI和MISO。在圖中，它們都是同名端相連。外部接口器件有片選端CS。單片機(jī)通過(guò)I/O口線來(lái)分時(shí)選通外圍器件。系統(tǒng)里可以連接多個(gè)單片機(jī)，但是在有多個(gè)SPI接口的單片機(jī)時(shí)，應(yīng)區(qū)別其主從地位，某一時(shí)刻只能一個(gè)主器件。SPI串行總線典型的工作時(shí)序如圖3-2所示。當(dāng)SPI工作時(shí)，作為主機(jī)的單片機(jī)在啟動(dòng)一次傳送時(shí)要連續(xù)產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)SCK，作為同步時(shí)鐘，控制串行數(shù)據(jù)的輸入或輸出。數(shù)據(jù)線上輸出數(shù)據(jù)的變化以及對(duì)輸入數(shù)據(jù)的采樣，都取決于時(shí)鐘SCK信號(hào)。但是，對(duì)于不同的芯片，有的是采用SCK的上升沿起作用，有的是采用SCK的下降沿起作用，使用時(shí)應(yīng)加注意。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷绞歉呶唬∕SB）在前，低位(LSB)在后。單片機(jī)在通過(guò)SPI總線接口工作時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（MISO）逐位接收（高位在前）數(shù)據(jù)。圖3-2SPI總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)序3.389C51和串行串行通信總線的實(shí)現(xiàn)方法串行接口的基本通信方式串行接口的有異步和同步兩種基本通信方式。異步通信采用用異步傳送格式，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均將起始位和停止位作為開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)志。在異步通信中，起始位占用一位（低電平），用來(lái)表示字符開(kāi)始。其后為7或8位的數(shù)據(jù)編碼，第8位通常做為奇偶校驗(yàn)位。最后為停止位（高電平）用來(lái)表示字符傳送結(jié)束。上述字符格式通常作為一個(gè)串行幀，如無(wú)奇偶校驗(yàn)位，即為常見(jiàn)的N.8.1幀格式。串行通信中，每秒傳送的數(shù)據(jù)位稱為波特率。如數(shù)據(jù)傳送的波特率為1200波特，采用N.8.1幀格式（10位），則每秒傳送字節(jié)為120個(gè)，而字節(jié)中每一位傳送時(shí)間即為波特率的倒數(shù)：T=I/1200=0.833ms。同樣，如數(shù)據(jù)傳送的波特率為9600波特，則字節(jié)中每一位傳送時(shí)間為T=1/9600=0.104

ms。根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的波特率即字節(jié)中每一位的傳送時(shí)間，我們便可用普通I/O口來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)串行通信的時(shí)序。3.3.189C51和MAX187的連接MAX187是具有SPI總線接口的E2PROM芯片，是一個(gè)可以電改寫的只讀存儲(chǔ)器。如圖3-3所示，89C51利用P1.0模擬MCU的SPI數(shù)據(jù)輸出端（MOSI），連接到MAX187的SPISI數(shù)據(jù)輸入端；利用P1.1模擬SPI的SCK時(shí)鐘信號(hào)輸出端，連接到MAX187的SPICK時(shí)鐘輸入端；利用P1.2模擬SPI的從機(jī)選擇端CS，輸出片選信號(hào)，連接到MAX187的CS端；利用P1.3模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端（MISO），連接到MAX187的SPISO數(shù)據(jù)輸出端。圖3-3MAX187與AT89C51的接口電路傳感器將采集到的信號(hào)經(jīng)放大、濾波，通過(guò)8選1模擬開(kāi)關(guān)輸給A/D轉(zhuǎn)換器MAX187，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DOUT端輸入給單片機(jī)。這里我們采用軟件合成的方式模擬SPI接口將單片機(jī)與MAX187連接，從而完成串行數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換。MAX187的SCLK、CS、DOUT端直接與單片機(jī)的通用I/O口相連，不需要任何接口變換。由于MAX187內(nèi)部有2.5V參考電源，所以只需在REF引腳上接4.7μF電容，用參考電源提供工作電壓。為減少來(lái)自電源的干擾，在VDD端接10μF和0.1μF的濾波電容。4模擬量輸入系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)的方案如下：CPU：89C51單片機(jī)。主頻：11.0592MHz。數(shù)據(jù)采集：16通道模擬量輸入。多路選擇器：4067（16選1模擬開(kāi)關(guān)電路）。A/D轉(zhuǎn)換器：MAX187（12位串行接口A/D轉(zhuǎn)換器）。開(kāi)關(guān)量輸出：8路開(kāi)關(guān)量輸出，可作繼電器開(kāi)關(guān)，或超限報(bào)警控制?？撮T狗定時(shí)器：X5045（帶EEPROM、上電復(fù)位、降壓管理的看門狗定時(shí)器電路）。實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC：DS1307（帶64字節(jié)RAM、串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路）。串行通信接口：MAX485，提供RS-485異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口，和上位機(jī)通信。并行I/O接口：8255A并行I/O接口電路。顯示器：6位LED顯示器和8個(gè)發(fā)光二極管指示燈，由8255A驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)掃描顯示。鍵盤：4個(gè)按鍵，獨(dú)立連接的非編碼鍵盤。電源：DC+5V、DC+12V。軟件：程序固化在89C51單片機(jī)中，采用匯編語(yǔ)言編程?；?9C51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示：圖4-189C51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能框圖4.289C51單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)4.2.1單片機(jī)的時(shí)鐘電路和時(shí)序89C51內(nèi)部有一個(gè)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，完成時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生。當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，XTAL（19引腳）和XTAL2（18引腳）用來(lái)連接外部的石英晶體和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，產(chǎn)生原始的振蕩脈沖信號(hào)。采用外部時(shí)鐘時(shí)，XTAL1輸入外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)，XTAL2懸空。圖4-2為采用內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，外部晶體和微調(diào)電容的連接圖，C1、C2取30pF。圖4-289C51采用片內(nèi)振蕩器的時(shí)鐘電路在89C51單片機(jī)中，基本的時(shí)序定時(shí)單位有：⑴.振蕩周期：為單片機(jī)提供定時(shí)的振蕩源信號(hào)的周期。即晶體振蕩器頻率的倒數(shù),是最原始的信號(hào)周期。⑵.狀態(tài)周期（時(shí)鐘周期）：是振蕩周期的兩倍。是振蕩脈沖經(jīng)內(nèi)部二分頻后提供的狀態(tài)信號(hào)。⑶.機(jī)器周期：CPU完成一個(gè)基本的操作所需的時(shí)間。89C51一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)周期即12個(gè)振蕩周期組成。⑷.指令周期：CPU從取出指令到執(zhí)行完所需要的時(shí)間。89C51的指令周期由1、2、4個(gè)機(jī)器周期組成。4.2.2單片機(jī)的存儲(chǔ)器89C51單片機(jī)中使用了哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在物理結(jié)構(gòu)上分為程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。哈佛結(jié)構(gòu)把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)單獨(dú)編址。ROM和RAM安排在獨(dú)立的地址空間，地址可以重疊。有各自的訪問(wèn)指令，不同的尋址方式，不同的控制信號(hào)。89C51中使用哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，地址空間分為三類：片內(nèi)、外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲(chǔ)器空間，用16位地址尋址，地址范圍為0000H—FFFFH。片外64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，用16位地址尋址，地址范圍為0000H—FFFFH。片內(nèi)256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，用8位地址尋址。其中低128字節(jié)為片內(nèi)RAM，地址為00H—7FH，高128字節(jié)內(nèi)有21個(gè)特殊功能寄存器SFR，地址空間為80H—FFH。如圖4-3所示為89C51的存儲(chǔ)器空間配置。圖4-389C51的存儲(chǔ)器空間配置4.2.3單片機(jī)的工作方式單片機(jī)有三種工作方式：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、節(jié)電工作方式。單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要復(fù)位操作，使CPU及系統(tǒng)的各個(gè)部件都處于確定的初試狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，89C51單片機(jī)復(fù)位后，各部件的初始值是一定的。RST引腳(9腳)是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。并且維持兩個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)振蕩周期)以上，單片機(jī)就進(jìn)入復(fù)位方式，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)。上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位都是必需的，圖4-4所示為常用的二者組合的電路。圖4-489C51復(fù)位電路⑴.上電自動(dòng)復(fù)位在單片機(jī)系統(tǒng)接通電源時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路。⑵.按鍵手動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，必須通過(guò)按鍵，利用手動(dòng)方式進(jìn)行復(fù)位操作，使單片機(jī)重新啟動(dòng)。程序執(zhí)行方式是單片機(jī)基本工作方式，可以分為連續(xù)執(zhí)行方式和單步執(zhí)行方式。連續(xù)執(zhí)行方式是單片機(jī)的正常工作方式，單步執(zhí)行方式是為程序調(diào)試而設(shè)定的一種工作方式。89C51CHMOS工藝,耗電少,還提供兩種節(jié)電工作方式：等待工作方式；掉電工作方式。4.3輸入系統(tǒng)的硬件電路的總體設(shè)計(jì)在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，89C51由P1端的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5連接到模擬開(kāi)關(guān)電路4067的通道選擇端A、B、C和D上，由程序控制分時(shí)選通模擬量輸入信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器MAX187和微處理器之間通過(guò)同步串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)通用接口的信號(hào)線，利用軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)MAX187和89C51之間的通信。89C51作為主設(shè)備，由P2.3輸出串行時(shí)鐘SCLK信號(hào)，時(shí)鐘頻率最高位2.5MHz。由P2.4輸出CS信號(hào)并由P2.5和MAX187的DOUT端相連，輸入A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。模擬輸入和A/D轉(zhuǎn)換控制電路如圖4-5所示。圖4-5模擬量輸入和A/D轉(zhuǎn)換控制電路模擬量輸入是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，采集的信號(hào)是連續(xù)變化的物理量。信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號(hào)。變換后的電信號(hào)有時(shí)須經(jīng)過(guò)放大，使信號(hào)滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求。在本系統(tǒng)中，最多可以進(jìn)行16通道的模擬量輸入。這里，主要應(yīng)用了多路選擇器4067和A/D轉(zhuǎn)換器MAX187。多路選擇器4067是一個(gè)16選1模擬開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)它可以由軟件分時(shí)選通各個(gè)模擬通道的輸入。MAX187是一個(gè)12位串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器，它采用三線SPI總線和微處理器通信，接口簡(jiǎn)單，精度高，功耗低。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)傳感器和放大器轉(zhuǎn)換和處理的模擬信號(hào)通過(guò)4067多路選擇，分時(shí)將其中一路信號(hào)傳送到A/D轉(zhuǎn)換器MAX187中，選擇通道的控制信號(hào)由89C51的P1端口輸出。操作的過(guò)程簡(jiǎn)述如下：（1）選擇模擬輸入通道。由P1.2-P1.5輸出所通道編碼。4067打開(kāi)該通道，將0V—4.096V范圍的模擬信號(hào)輸入到MAX187的AIN輸入端。（2）啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。保持SCLK(P2.3)為低，將CS(P2.4)由高變低。（3）等待A/D轉(zhuǎn)換完成。檢查DOUT信號(hào)，當(dāng)讀出DOUT（P2.5）為上升沿時(shí)表示完成。（4）讀出轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)。保持CS(P2.4)為低電平，連續(xù)由P2.3輸出SCLK時(shí)鐘信號(hào)，最少13個(gè)時(shí)鐘周期。在第一個(gè)SCLK的下降沿時(shí)，DOUT(P2.5)端產(chǎn)生數(shù)據(jù)的最高位。在每個(gè)SCLK的下降沿，DOUT分別輸出各位數(shù)據(jù)，89C51通過(guò)P2.5讀入到CPU中。（5）結(jié)束本次操作。在經(jīng)過(guò)13個(gè)SCLK的下降沿后，將CS信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，結(jié)束本次操作。（6）繼續(xù)下一次轉(zhuǎn)換。在CS為高電平，結(jié)束上一次轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)最少500ns，可以重新將CS置為低電平，開(kāi)始下一次轉(zhuǎn)換。4.4模擬開(kāi)關(guān)電路4067的工作原理4067相當(dāng)于一個(gè)單刀十六擲開(kāi)關(guān)，具體接通哪一通道，由輸入地址碼A、B、C、D來(lái)決定，是一個(gè)可以用數(shù)字信號(hào)控制的16選1的模擬開(kāi)關(guān)，它的引腳封裝見(jiàn)圖2-5所示。I/O0—I/O15為16路模擬量輸入端，數(shù)字信號(hào)輸入端D、C、B、A用來(lái)選擇其中一路和公共輸出端COM選通。禁止端INH為高電平時(shí)，全部開(kāi)關(guān)都關(guān)斷。工作條件：電源電壓范圍…………3V～15V輸入電壓范圍…………0V～VDD工作溫度范圍M類…………－55℃～125℃E類………….－40℃～85℃極限值：電源電壓…...－0.5V～18V輸入電壓……－0.5V~VDD+0.5V輸入電流…………….±10mA儲(chǔ)存溫度…………－65℃～150℃引出端符號(hào)：A0～A3地址端C控制端I0/O0～I(xiàn)15/O15輸入/輸出通道O/I公共輸出/輸入端VDD正電源Vss地4.5MAX187的硬件設(shè)計(jì)MAX187利用輸入的采樣/保持電路和逐次比較寄存器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號(hào)輸出，它的采樣/保持電路不需要外接電容。輸入信號(hào)的電壓范圍為0V—VREF，如果使用內(nèi)部參考電源，參考電壓為4.096V，那么，輸入信號(hào)的電壓范圍即為0V—4.096V。A/D轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的最低一位（1LSB）代表的模擬電壓值為：1LSB=4.096V/4096=100mV。每次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，包括采樣/保持的時(shí)間在內(nèi)為10μS。SHDN輸入端為低電平時(shí)，為待機(jī)模式，電源電流小于10μA；如果輸入高電平或該引腳懸空為正常操作模式，其中高電平輸入時(shí)，使用內(nèi)部參考電源，懸空時(shí)，禁止內(nèi)部參考電源且允許使用外部參考電源。MAX187的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程是在SCLK為低電平，CS端的輸入信號(hào)由高變低（下降沿）時(shí)來(lái)啟動(dòng)。DOUT端變成高電平時(shí)，表示A/D轉(zhuǎn)換完成（EOC）。轉(zhuǎn)換的結(jié)果在DOUT端單向串行輸出。DOUT端加上12個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)經(jīng)過(guò)13個(gè)SCLK周期，在每個(gè)SCLK的下降沿后移出后一位，數(shù)據(jù)改變。串行輸出由數(shù)據(jù)的最高位開(kāi)始。完成數(shù)據(jù)傳送后，CS變?yōu)楦唠娖剑珼OUT端成為高阻抗?fàn)顟B(tài)。MAX187允許輸入信號(hào)頻率范圍最大為75KHz。4.5.1MAX187工作過(guò)程工作方式控制：SHDN=0，MAX187工作在關(guān)斷方式，僅需提供10μA電流；SHDN=1，MAX187工作在普通方式，使用內(nèi)部參考電源；SHDN懸空，MAX187內(nèi)參考電壓無(wú)效，允許在REF管腳輸入外部參考電源。工作過(guò)程簡(jiǎn)述：MAX187工作時(shí)序圖如圖4-7所示。圖4-7MAX187工作時(shí)序圖⑴保持SCLK=0，CS的下降沿使采樣/保持器開(kāi)始工作,轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間應(yīng)始終保持SCLK=0:；數(shù)據(jù)輸出前應(yīng)保持CS=0。⑵經(jīng)過(guò)一個(gè)內(nèi)部8.5μs轉(zhuǎn)換周期后，DOUT被拉為高點(diǎn)平，轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)在SCLK的時(shí)序控制下從DOUT端輸出。⑶在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可在任何時(shí)刻通過(guò)SCLK時(shí)鐘將數(shù)據(jù)移出移位寄存器。DOUT在SCLK的下降沿開(kāi)始輸出，下一個(gè)時(shí)鐘的下降沿在DOUT端產(chǎn)生一個(gè)MSB，由于有12位和一個(gè)開(kāi)始位，所以至少有13個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)移出這些數(shù)據(jù)。⑷連續(xù)13個(gè)SCLK周期后，使CS=1，DOUT變?yōu)楦咦钁B(tài)，結(jié)束一個(gè)完整的轉(zhuǎn)變周期。如果13個(gè)SCLK周期后，CS仍為0，這時(shí)SCLK仍不斷發(fā)生，DOUT端在LSB后將輸出“0”，成為無(wú)效位。⑸在兩個(gè)操作周期間應(yīng)保持一個(gè)最小時(shí)間間隔Tcs=0.5μs，以使A/D轉(zhuǎn)換器完成初始化，這樣整個(gè)一個(gè)轉(zhuǎn)換輸出的周期大約為12.25μs。5模擬量輸入系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1簡(jiǎn)介KeilUvision2Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（UVISION）將這些組合在一起。Keil有以下幾個(gè)特點(diǎn)：全功能的源代碼編輯器；器件庫(kù)用來(lái)配置開(kāi)發(fā)工具設(shè)置；項(xiàng)目管理器用來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)用戶的項(xiàng)目；集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用；所有開(kāi)發(fā)工具的設(shè)置都是對(duì)話框形式的；真正的源代碼級(jí)的對(duì)CPU和外圍器件的調(diào)試器；高級(jí)GDI(AGDI)接口用來(lái)在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和Monitor-51進(jìn)行通信。其使用的過(guò)程為：首先打開(kāi)KeilUvision2，在KEIL系統(tǒng)中，每做個(gè)獨(dú)立的程序，都視為工程。首先從菜單中的工程中“新建工程”，建立我們將要做的工程項(xiàng)目，如下圖5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6、5-7、5-8、5-9所示：圖5-1接下來(lái)Keil環(huán)境要求我們?yōu)?2工程選擇一個(gè)單片機(jī)型號(hào)；我們選擇Ateml公司的89C51。“確定”后工程就算建立好了。圖5-2圖5-3立了工程項(xiàng)目以后現(xiàn)在就要為工程添加程序，點(diǎn)擊“文件”中的新建，新建一個(gè)空白文檔；這個(gè)空白文檔就是我們編寫單片機(jī)程序的場(chǎng)所。在這里可以進(jìn)行編輯、修改等操作。根據(jù)題意，在文檔中寫入代碼，寫完后再檢查一下，然后保存，然后再將保存好的文檔添加到工程中，具體做法如下：圖5-4圖5-5圖5-6程序文件添加完畢后，對(duì)其進(jìn)行編譯當(dāng)前程序、編譯修改過(guò)的文件并生成應(yīng)用程序、重新編譯所有文件并生成應(yīng)用程序后，再點(diǎn)擊TARGET，則其頁(yè)面為：圖5-7再點(diǎn)擊圖案上的Output鍵圖5-8接下來(lái)就是點(diǎn)擊上圖中的selectfolderforobjects鍵，得到下圖將其產(chǎn)生的HEX文件存儲(chǔ)在E盤zh文件夾中。圖5-9最后一步就是利用STC-ISP將HEX文件燒錄到單片機(jī)里。5.2數(shù)據(jù)采集的程序HIGEQU31H;187采集高4位寄存器LIGEQU30H;187采集低8位寄存器CSEQUP2.1;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換位SCLKEQUP2.2;串行輸出口DOUTEQUP2.0;轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位ORG0000HLJMPSTARTORG0030HSTART:NOPMAIN:LCALLINTI;調(diào)用初始化;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;MAX187信號(hào)采集程序;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;CAIJI:CLRRS1;選擇工作組0CLRRS0MOVR1,#0AH;低4位最小步進(jìn)值MOVR2,#9CH;中間4位最小步進(jìn)值MOVR3,#0F6H;高4位最小步進(jìn)值低位MOVR4,#09H;高4位最小步進(jìn)值高位MOVHIG,#00;將轉(zhuǎn)換高位寄存器清0MOVLIG,#00;將轉(zhuǎn)換低位寄存器清0CLRSCLKCLRCS ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換JNBDOUT,$ ;等待轉(zhuǎn)換結(jié)束SETBSCLK ;SCLK上升沿MOVR7,#12 ;置循環(huán)初值12LP:CPLSCLK ;發(fā)SCLK脈沖JNBSCLK,LP ;等待SCLK變高M(jìn)OVC,DOUT ;將數(shù)據(jù)取到CMOVA,LIGRLCAMOVLIG,AMOVA,HIGRLCAMOVHIG,A ;將取到的數(shù)據(jù)位逐位移入結(jié)果保存單元DJNZR7,LPSETBCS ;結(jié)束;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;187數(shù)據(jù)處理程序;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;SHUJUCHULI:MOVA,LIGANLA,#0FHMOV32H,AMOVA,LIGSWAPAANLA,#0FHMOV33H,AMOVA,HIGANLA,#0FHMOV34H,AMOVA,32HMOVB,R1MULABMOV40H,AMOV41H,BMOVA,33HMOVB,R2MULABMOV42H,AMOV43H,BMOVA,34HMOVB,R3MULABMOV44H,AMOV45H,BMOVA,34HMOVB,R4MULABMOV46H,AMOV47H,BQIUHE:MOVA,40H;低4位求和ADDA,42HMOV48H,A;存低4位MOV20H,#00HMOV00H,CMOVA,41HADDA,20HMOV41H,AMOVA,44HADDA,48HMOV48H,AMOV20H,#00HMOV00H,CMOVA,41HADDA,20HMOV41H,AADDA,43H;中間4位求和MOV49H,A;存中間4位MOV20H,#00HMOV00H,CMOVA,47HADDA,20HMOV47H,AMOVA,45HADDA,49HMOV49H,AMOV20H,#00HMOV00H,CMOVA,47HADDA,20HMOV47H,AMOVA,46HADDA,49HMOV49H,AMOV20H,#00HMOV00H,CMOVA,47HADDA,20HMOV4AH,A;存高4位LCALLZHUANHUAN0;調(diào)用雙字節(jié)除法除以10000求電壓個(gè)位整數(shù)LCALLZHUANHUAN1;調(diào)用雙字節(jié)除法除以100拆分余數(shù)LCALLZHUANHUAN2;調(diào)用BCD轉(zhuǎn)換程序求第一和第二位小數(shù)LCALLZHUANHUAN3;調(diào)用BCD轉(zhuǎn)換程序求第三和第四位小數(shù)LCALLDISPLAY;調(diào)用1602顯示LJMPCAIJI;返回重新采集數(shù)據(jù)RET5.3MAX187的A/D轉(zhuǎn)換子程序DATBUFDATA30H;定義數(shù)據(jù)緩存單元SCLKBITP2.3CSBITP2.4DOUTBITP2.5;定義MAX187引腳ADC：MOVR5，#0MOV