多路数据采集与图形显示-微机原理课程设计

1、（单片机与微机原理课程设计）多路数据采集与图形显示学生姓名： 朱万雄 学生学号： 03114223 班 级： 0311402 0311401、02、03、04班制 二一四年六月 目录目录1一、绪论.21.1一数据采集技术的分类21.2.基于单片机的数据采集系统.3二、 课程设计内容4三、设计方案论证5（一）AD转换器的选择5（三）中断控制器的选择9（四） 并行接口选择11四、 硬件电路连接11五、软件编程 （C语言）15六、 误差分析16七、 设计完成后提交的文件和图表16八、主要参考资料17一、绪论. 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，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。总之f不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。1.1一数据采集技术的分类 工业上使用的数据采集系统大致可分为四类i(1)基于通用微型计算机(

2、如Pc机)的数据采集系统， 这种系统主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和AD转换后的数字信号通过接口电路送入微机进行处理，然后再显示处理结果或经过DA转换输出。它主要有以下几个特点： 系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系统进往工作。 具有自主开发能力。 系统的软硬件的应用配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时，软硬件扩展能力较好。 在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高。程序在RAM中运行，易受外界干扰破坏。(2)基于单片机的数据采集系统 它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，具有如下特点： 系统不具有自主开发能力。因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。 系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统的软硬件应用，配置比接近于1，具有最佳的性价比；系统的软件一般都有应用程序。 系统的可靠性好，使用方便。应用程序在ROM中运行不会因外界的干扰而破坏,而且上电后系统立即进入用户状态。(3)基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统DSP数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式，DSP数字信号

3、微处理器与通用微处理器相比，除了它们的机构不同以外，其基本差别是：DSP数字信号微处理器有能力响应和处理采样模拟信号得到的数据流，如乘法和累加求和运算。常用的，数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯片，另一种是通用DSP芯片。基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下：精度高、灵活性好、可靠性高、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。(4)基于混合型计算机采集系统 这是-种近年来随着8位单片机出现而在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机(PC机)与单片机通过标准总线(例如RS-485标准)相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形显示等任务固。混合型计算机数据采集系统有以下特点： 通常具有自开发能力。 系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。 主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部CPU时间。1.2.基于单片机的数据采集系统. 基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、

4、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。1.2.1基本组成基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件，结合外围电路所构成。基本组成如图11所示。 图11数据采集系统的组成采集系统硬件主要包括传感器、AD转换器、单片机、输入，输出接口电路等。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断；数据输出是将处理结果送给输出设备，进行显示、储存等操作。1.2.2采集方式。 一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。(1)单通道数据采集单通道数据采集是：被采集的模拟信号只有一个，(2)多通道数据采集多通道数据采集是：被采集的模拟信号有两个或两个以上。多路模拟信号的采集有以下几种结构形式:多路AD转换方式 这种结构由多个AD转换芯片构成。对每路输入信号都有独立的采样

5、保持电路SH、 AD转换电路及IO接口电路，每一路占有一个通道。 这种方式通常用于高速数据采集和需要同时采集多路数据的情况。其优点是通道数增加时，最高采样频率不会受到影响，并可同时采集多路信号，保持了各信号之间的同步关系。缺点是成本较高、体积较大。多路共享AD转换方式 输入信号进入各路采样保持电路，然后由多路开关可选择地将各路信号送入AID转换器进行转换。 这种转换方式较上一种方式慢，并且得到的各通道信号是断续的。在通道数增加时，采集频率受到影响。当采样保持电路用同一个信号控制时，既可保证同_时刻采集到各通道参数，又可保证信号间的同步关系。这种方式主要用于对采集频率要求不高的多路信号的采集多路开关方式 这种方式轮流循环采样的转换速度比以上两种方式都慢，但是节省硬件。 它常用于采集多路变化缓慢的信号，如温度变化、应变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。二、课程设计内容设计一个数据采集系统基本要求：输入信号为0500mV 采用数码管8位，显示十进制结果 对8路模拟输入实行循环采集，每路连续采集16次，取平均值； 输入量与显示误差1%； CPU以中断方式读取采

6、集数据。发挥部分： 1、速度上实现高精度采集 2、提高系统精度 3、设计抗干扰性三、设计方案论证考虑本数据采集系统要求，该系统的功能框图如下：图1 系统功能框图（一）AD转换器的选择1、根据AD转换器基本原理及特点，可以分为以下类型：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。1）积分型（如TLC7135） 积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。2）逐次比较型（如ADC0809）逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格很高。3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速

7、)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。串行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。4）-(Sigma?/FONTdelta)调制型（如AD7705） -型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的

8、值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。6）压频变换型（如AD650）压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。考虑到设计指标要求8路模拟输入，可采用的A/D转换器有多种如：AD574、ADC0809、ADC0804等，但是ADC0809本身具有8路模拟输入端，不需要多路开关，考虑节省硬件开支故采用ADC0809作为模数转换器。2、ADC0809的技术指标如下 ：（1）主要特性 1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s 4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。 （2）内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图2所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8路开关树型D/A转换、逐次逼近型寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。图2 ADC0809内部结构框图图3 ADC0809管脚图（3）外部引脚功能 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3所示。下面说明各引脚功能 IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位

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