论文(5 - 23)- 终结版 - 图文(2)

盐城工学院本科生毕业论文（毕业设计说明书） 2012

基于单片机的数字采控器设计

1 概 述

在现实中要通过计算机对现实世界中的信息进行处理和显示，首先必须将计算机和现实世界联系起来，这需要将真实世界中的各种信号（称为模拟信号）转化为计算机可以识别、存储的信号（称为数字信号），这一过程即是数据采集。数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理和计算机控制技术等高科技为基础而形成的一门综合技术。它在许多领域得到了广泛的应用。数字技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数据采集系统提出了愈来愈高的要求。一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：数据测量、数据采集、数据传送、数据存储、数据处理、数据分析和数据显示等。

简而言之，数字采集技术的发展离不开计算机控制技术，网络化测量、采集和控制是其发展的必然趋势。 1.1 课题研究的背景

在计算机广泛应用的今天，数据采集在多个领域有着十分重要的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。利用串行或红外通信方式，实现对移动数据采集器的应用软件升级，通过制定上位机（PC）与移动数据采集器的通信协议，实现两者之间阻塞式通信交互过程。在工业、工程、生产车间等部门，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。例如：在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据采集，如液位、温度、压力、频率等。现在常用的采集方式是通过数据采集卡，常用的有A/D卡以及232、422、485等总线板卡。卫星数据采集系统是利用航天遥测、遥控、遥监等技术，对航天器远地点进行各种监测，并根据需求进行自动采集，经过卫星床书到数据中心处理后，送给用户使用的应用系统。

1.2 课题研究的意义

随着科学技术的发展和社会的进步，现场监控系统已越来越广泛地应用于金融、交通、商业、工农业生产等领域。数字采控器作为现场监控系统中数字量采集和控制的主要设备，其性能对整个系统的现场监控工作的稳定性具有十分重要的作用。因此，研制结构简单、性能稳定、可靠性高且成本低廉的新型数字采控器具有十分重要的意义。

在现实中要通过计算机对现实世界中的信息进行处理和显示，首先必须将计算机和现实世界联系起来，这需要将真实世界中的各种信号（称为模拟信号）转化为计算机可以识别、存储的信号（称为数字信号），这一过程即是数据采集。数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理和计算机控制技术

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等高科技为基础而形成的一门综合技术。它在许多领域得到了广泛的应用。数字技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数据采集系统提出了愈来愈高的要求。一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：数据测量、数据采集、数据传送、数据存储、数据处理、数据分析和数据显示等。

总而言之，数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术、网络化测量。采集和控制室器发展的必然趋势。 1.3 课题研究的内容

本论文主要对基于单片机的数字采集控制系统的结构和功能进行了分析及设计。分别从硬件和软件结构上进行了研究。以STC89C52为控制核心，通过RS-485总线的串口通信实现单片机与PC机之间的通信。进行了本机地址和波特率的设置。

本课题主要研究内容如下：

A. 根据课题要求，确定了系统硬件结构，完成了系统方案设计，。 B. 根据电路功能要求，完成硬件电路的设计。

C. 完成软件部分的设计，首先设计流程图，其次进行编程。 D. 进行软件仿真，并绘制原理图和PCB图。 E. 对实物进行硬件的调试。

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2 系统方案设计

2.1 系统的设计要求

A. 数字量输入路数：16路

B. 数字量输出路数及负载规格：16路，220V/5A或24V/10A C. 通信：RS-485通信

D. 附加功能：地址设置——0~255；波特率设置：2400/4800/9600/19200 2.2 总体方案设计论证及选择 2.2.1 总体方案设计

本数字采集控制器硬件是以单片机为核心的，只要是实现通信、波特率设置、本机地址设置、16路数字量采集和16路数字量控制等功能。其系统的硬件组成框图如图2-1所示。

最小系统最小系统系统电源系统电源单片机单片机通信电路通信电路数字量采集电路数字量采集电路数字量输出数字量输出波特率设置波特率设置本机地址设置本机地址设置 图2-1 系统整体硬件结构框图

本系统主要是由微控制器主控系统、通信接口、通信波特率和本机地址设置、

16路数字输入电路、16路数字量输出电路、单片机最小系统和系统电源等组成。 2.2.2 单片机选型

A. 方案一：PIC单片机

由美国Micro chip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISG结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。PIC 8位单片机具有指令少、执行速度快等优点，其只要原因是PIC系列单片机在结构上与其他单片机不同。该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。这种结构与一般采用CLSC（复杂指令集计算机）的单片机在结构上是有不同的。

PIC系列的单片机是一种用来开发去控制外围设备的集成电路（IC）。一种具有

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分散作用的（多任务）功能的CPU。与人类相比，大脑就是CPU，PIC共享的部分相当于人的神经系统。PIC单片机是一个小的计算机，PIC单片机有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制运行。然而，处理能力一存储器容量却很有限，这取决于PIC的类型。但是它们的最高操作频率大约都在20MHz左右，存储器容量用做写程序的大约1~4K字节。

B. 方案二：AVR单片机

AVR单片机是ATMEL公司1997年推出的精简指令集（RISC）单片机系列。ATMEL公司通过AVR把RISC技术带到了8位单片机世界里，这种全新的结构带来了很多优势。该系列的程序存储器是在片内的Flash存储器，可以反复修改上千次，这对新产品开发、产品升级都是很方便的。单片机的指令基本上都是单个晶振周期，能够到1MIPS/MHz的性能。该系列单片机针对应用C语言编程做了优化。这一系列单片机好多型号都是宽电压工作的，同时有各种睡眠模式，有利于降低系统功耗。再加上内部的振荡器、看门狗、上电复位、A/D输入、PWM输出等功能，它也可以称为“零外设”的单片机，具有片上系统的锥形。因此，AVR单片机适用于很多领域，表现出卓越性能。

C. 方案三：STC单片机

STC系列单片机价格最便宜（从性价比方便讲）功能多，抗干扰能力最强，EEPROM大，串口编程很方便，出厂时程序引导区就已经加密，并且STC解密的市面价格在1.5w~2.5w之间，可见解密难度大，在一定程度上保护了单片机工程师的利益和产品开发商的利益。生产时就已经考虑到与传统51的兼容问题，兼容做的很好，又增加了许多功能。STC89C52单片机学习版功能强大，具有报警、跑马灯、串行通信（MAX485）等十七种功能，供学习者你学习开发使用。

综上所述，由于PIC单片机解密容易，单片机价格较贵，性价比不高。而且PIC系列的单片机指令数量比较少。而AVR系列的单片机没有类似累加器A的结构，它只要是通过R16~R31寄存器来实现A的功能。在AVR中，没有类似51系列单片机的数据指针DPTR。STC系列单片机价格最便宜，性价比比较高、功能多、抗干扰能力最强、EEPROM大、串口编程很方便，出厂时程序引导区就已经加密，并且STC解密难度大，生产时已经考虑到与传统51单片机的兼容性问题，又增加了许多复位功能，所以本次设计选STC89C52作为控制核心。

STC89C52单片机概述： STC89C52是低功耗、高性能CMOS 8位的微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，片内含4KB的可反复擦写的程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

A）主要性能参数

a. 与MCS-51产品指令系统完全兼容 b. 4KB可反复擦写Flash闪速存储器

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c. 1000次擦写周期

d. 时钟频率范围：0Hz—24MHz e. 3级加密程序存储器 f. 128*8B内部RAM

g. 32个可编程I/O接口线 h. 2个16位定时/计数器 i. 6个中断源

j. 可编程串行UART通道 k. 低功耗空闲和掉电模式 B）功能特性概述

STC89C52提供以下标准功能：8KB的Flash闪速存储器，512B内部RAM,32个I/O接口线，三个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

C）引脚性能概述

STC89C52芯片引脚图如图2-2所示

图2-2 STC89C52芯片引脚图

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