1、南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 赵晓婷 指导教师： 朱清慧 完成日期 2014 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）单片机实时数据采集显示系统设计Design of Real Time Data Acquisition and Display SystemUsing MCU总 计： 29 页表 格： 2 个插 图： 18 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）单片机实时数据采集显示系统设计Design of Real Time Data Acquisition and Display S
2、ystemUsing MCU学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 赵晓婷 学 号： 1209614012 指 导 教 师（职称）： 朱 清 慧 （教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology单片机实时数据采集显示系统设计I单片机实时数据采集显示系统设计电气工程及其自动化专业 赵晓婷摘 要 本文介绍了单片机控制的实时数据采集系统的硬件和软件设计与仿真过程。硬件部分设计采用单片机 AT89C51、字符液晶显示器（HD44780 控制器） 、图形液晶显示器（KS0108 控制器）以及 A
3、/D 转换器 AD1674 等组成一个完整的单片机控制系统，并且使用 8255A 芯片对 AT89C51 的 I/O 口进行了扩展。系统程序采用模块化的编程思路，通过 C 语言进行编程设计，主要程序为 A/D 转换模块和液晶显示模块。最后，在 Proteus 平台上进行了软件与硬件交互仿真，实现了系统各项性能指标要求。关键字 实时数据采集；AT89C51；液晶显示；C 语言Design of Real Time Data Acquisition and Display System Using MCUElectrical Engineering and Automation Specialty
4、 ZHAO Xiao-tingAbstract: This paper introduces the design and simulation of hardware and software of real time data acquisition system controlled by single chip microcomputer. The hardware design uses a single chip AT89C51, character liquid crystal display (HD44780 controller), LCD display (KS0108 c
5、ontroller) and A/D converter AD1674 to form a complete microcomputer control system, and using the 8255A chip has expanded the AT89C51 I/O port. System uses a modular design concept, through the C programming language, the main program for the A/D conversion module and liquid crystal display module.
6、 Finally, system conducts the software and hardware simulation on the Proteus platform, realizing the requirements of performance indicators about the system.Key words：Real time data acquisition； AT89C51；LCD；C language 单片机实时数据采集显示系统设计II目 录1 引 言 .12 系统方案设计 .22.1 系统设计框图 .22.2 器件的选择 .23 系统硬件组成及接口电路设计 .
7、33.1 系统硬件组成 .33.2 系统接口电路设计 .43.2.1 AD1674 与 AT89C51 的接口电路.43.2.2 8255A 与 AT89C51 的接口电路.73.2.3 KS0108 与 8255A 的接口电路.83.2.4 HD44780 与 8255A 的接口电路.104 系统软件设计 .114.1 系统主程序 .114.2 AD1674 转换程序.124.3 LCD12864 显示程序.124.3.1 温度曲线显示程序 .124.3.2 汉字显示程序 .134.4 LCD1602 字符显示程序.145 系统仿真.145.1 软件介绍 .145.2 Proteus 仿真.
8、15结束语 .17参考文献 .18附录 .19致谢 .29单片机实时数据采集显示系统设计11 引 言数据采集系统起始于 20 世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在科学实验、地震数据采集等领域已经得到应用。 我国的数字地震观测系统主要采用 TDE-124C 型 TDE-224C 型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C 型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D 数字化，A
9、/D 采用同时采样，采样数据经 DSP 数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备 24 位 A/D 转化位数，采样频率有 50Hz、100Hz、200Hz。由美国 PASCO 公司生产的 “科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由三部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为 25 万次每秒；（3）软件：中文及英文的应用软件。同时工业生产控制系统中离不开显示，而液晶显示控制器的应用越来越广泛。此课题结合工业控制系统中常用的几种液晶显示控制器，用单片机对其进行控制。以Pr
10、oteus 为设计和仿真平台，对字符液晶显示器和图形液晶显示器进行各种显示控制设计，目的在于扩展单片机控制系统知识，熟练掌握几种常用的液晶显示器的控制原理和使用方法，为日后综合控制系统中液晶显示器的使用打下坚实基础。本设计分为 A/D 转换部分和 LCD 液晶显示部分两部分设计：A/D 转换部分是通过选择一路模拟通道输入，进入 A/D 转换器进行转换，转换后送入单片机进行处理，同时通过滑动变阻器进行数值的变换。LCD 液晶显示部分分曲线图显示部分和数值字符显示部分，通过其控制器与单片机的接口编程实现正确显示。而本设计具体的技术要求如下： 双液晶屏显示，一个显示数值字符，一个实时绘图（二维） ，
11、温度用一位小数和两位整数表示，并能显示负值； 要求 A/D 转换器的精度在 12 位； 单片机采用 AT89C51，在 Keil 中用汇编或 C 语言进行编程； 在 Proteus 对系统进行仿真并调试出结果。要做到以上要求就需要对设计需要的每一个元件其作用十分清楚，进行正确的单单片机实时数据采集显示系统设计2片机接口电路的设计，再通过软件编程实现实时数据的显示。2 系统方案设计2.1 系统设计框图系统设计框图如图 1 所示。图 1 系统设计框图系统是以单片机为核心器件，控制 LCD 进行图形和字符的显示。采用 A/D 转换器将输入的模拟信号转换成数字信号后送入单片机进行处理，后由单片机送出，
12、通过 I/O 扩展芯片将采集转换后的数据分别送入字符液晶显示器和图形液晶显示器进行显示。当然两个液晶显示器的一些引脚还要受单片机的控制，这样不断改变采集数值，实现实时采集系统的设计。2.2 器件的选择 （1）单片机的选择单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。此系统是由 CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路（I/O 口） ，还有可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路（LCD 和 LED 驱动电路） 、脉宽调制电路、模拟多路转换器及 A/D 转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机系统。单片机要使用特定的组译和编译软
13、件编译程序，再用Keil C 把程序下载到单片机内。考虑到应用的灵活性，方便性，在此设计中选择AT89C51 单片机 1。（2）A/D 转换器的选择A/D 转换器根据需要有 8 位、10 位、12 位、16 位等，位数越多分辨率越高，价格也就越昂贵，因此就有了以下几种分类： 逐次逼近型： 它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。 积分型：此类型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。采集信号A/D转换器单片机I/O 扩展LCD 显示字符LCD 显示图形单片机实时数据采集显示系统设计3 并行比较型：此类
14、型采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称Flash(快速)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，一般情况下不建议使用。根据以上几种分类的介绍以及所了解的实际应用情况，在此采用逐次逼近型的。又考虑到设计所需要的精度要求在此选择了 12 位 A/D 转换器 AD1674。（3）LCD 显示器的选择由于设计技术的要求和应用广泛性的要求在此选择了采用 LGM12641BS1R （KS0108 控制器）进行汉字和图形的显示，采用 LM016L（HD44780 控制器）进行数值字符的显示，即为温度数值的显示。这部分采用 8255A 芯片来扩展单片机的输入输出
15、口，从而实现将同一数据进行字符和图形的显示，同时显示的汉字和图形所用的代码是通过点阵取模软件获得的。3 系统硬件组成及接口电路设计3.1 系统硬件组成本设计中采用单片机 AT89C51、12 位 A/D 转换器 AD1674、字符液晶显示器（HD44780 控制器）LM016L、图形液晶显示器（ KS0108 控制器）LGM12641BS1R、可编程扩展 I/O 口芯片 8255A、74LS373 地址锁存器， 74LS138 译码器等器件组成。通过对各自的控制，实现系统的设计。系统硬件接线原理图见附录所示。AT89C51 是硬件电路组成的核心器件，所有的器件都要通过它来工作，所以在此先简单介
16、绍一下。 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，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。片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大。 AT89C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数： 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器； 1000 次擦写周期； 全静态操作：0Hz 24MHz ； 1288 字节内部 RAM； 32 个可编程 I/O 口:P0P3，每一个 I/O 口都有 8 位； 2 个 16 位定时/计数器；
17、5 个中断源； 可编程串行 UART 通道； 低功耗空闲和掉电模式；单片机实时数据采集显示系统设计4除此之外它本身具有振荡器和时钟电路，掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位；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 2。AT89C51 引脚结构图如图 2 所示。图 2 AT89C51 引脚结构图如图所示它共有 40 个引脚，其中 40 和 20 引脚分别为 VCC 和 GND,在此隐藏了。P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也是地址 /数据总线复用口；P1 、P2 和 P3 全是内
18、部带上拉电阻的 8 位双向 I/O 口；P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，还可以作控制端口；在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址数据；RST：复位输入；ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节； ：程序储存允许输出,是外部程序存储器的读选通信号；PSEN：外部访问允许使能端；AXTAL1：反相振荡放大器及内部时钟发生器的输入端；XTAL2：反相振荡放大器的输出端。3.2 系统接口电路设计3.2.1 AD1674 与 AT89C51 的接口电路AD1674 是美国 AD 公司推出的一
19、种 12 位带并行微机接口的逐次逼近型模/ 数转换芯片。该芯片内部自带采样保持器（SHA） 、10 伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器 3。AD1674 的基本特点和参数如下： 采样频率为 100kHz； 转换时间为 10s；单片机实时数据采集显示系统设计5 具有1/2LSB 的积分非线性（ INL）以及 12 位无漏码的差分非线性（ DNL） ； 满量程校准误差为 0.125%； 内有+10V 基准电源，也可使用外部基准源； 四种单极或双极电压输入范围分别为5V，10V，0V 10V 和 0V20V ； 数据可并行输出，采用 8/12 位可选微处理器总线接
20、口； 采用双电源供电：模拟部分为12V/15V，数字部分为+5V； 使用温度范围: AD1674A/B 为-4085（I 级） ； 采用 28 脚密封陶瓷 DIP 封装形式。AD1674 的引脚结构图如图 3 所示。图 3 AD1674 的引脚结构图12/ ：数据输出位选择输入端。当该端输入为低时，数据输出为双 8 位字节；当8该端输入为高时，数据输出为单 12 位字节；CS：片选信号输入端；CE：操作使能端；输入为高时，芯片开始进行读/ 转换操作；STS：转换状态输出端。输出为高时表明转换正在进行；输出为低时表明转换结束。VCC：+12V/+15V 模拟供电输入；VEE：-12V/-15V 模拟供电输入；AGND：模拟接地端； R/ ：读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高时为读状态；输入为低C时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。A0：位寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若 A0 为低，则进行 12 位数据转换；若 A0 为高，则进行周期更短的 8 位数据转换；当 R/ =1 且 12/ =0 时，C8若 A0 为低，则在高 8 位（DB4DB11）作数据输出；若 A0 为高，则在 DB0 DB3和 DB8DB11 作数据输出，而 DB4DB7 置零；
