摘 要

數(shù)據(jù)采集技術是信息科學的重要分支，結合了傳感器、信號獲取、存儲與處理等信息技術。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是模擬領域與數(shù)字領域之間必不可少的紐帶，在自動控制、電氣測量、航空航天等工程實際中有著極為廣泛的應用。

本文主要完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序設計。硬件部分是以單片機為AT89C52核心，A/D模數(shù)轉換模塊采用AD7862，顯示模塊采用LCD液晶顯示，串口通信采用USB實現(xiàn)上位機與下位機的通信。被測信號通過模數(shù)轉換器進行模數(shù)轉換，并將轉換后的數(shù)據(jù)通過串行口USB傳輸?shù)缴衔粰C，由上位機負責數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示。軟件部分包括下位機程序設計與上位機程序設計，上位機應用VB6.0編寫控制軟件，下位機采用C語言對數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信等進行編譯。

本系統(tǒng)人機界面友好，結構簡單、穩(wěn)定性高、使用方便、價格低，可實時的顯示、存儲和處理采樣數(shù)據(jù)。是進行多路數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，具有很高的應用價值和現(xiàn)實意義。

Data mining technology is an important branch of information science, is a combination of sensors, signal acquisition, storage, and handling information technology, etc. Data acquisition system is to simulate field with indispensable link between digital domain, in automatic control, electrical measurement, aerospace and other engineering practice has the extremely widespread application.

The hardware and software design data acquisition system are mainly completed in this paper. AT89C52 micro controller is the core in the hardware , A / D analog-digital conversion module AD7862, the display module LCD display, USB serial communication applies the host computer to communicate with the next crew. The signal is measured through the ADC analog to digital conversion, and the converted data USB serial port transmitted to the host computer, is received by the host computer is responsible for data processing and display. Software includes lower computer programming and PC programming, PC application written in VB6.0 control software, the next bit machine using C language for data acquisition, analog to digital conversion, data display, data communication to be compiled.

The system has many advantages, friendly interface, simple structure, high stability, ease to use, low price, real-time display, storage and processing of sampling data are included. It is a multi-channel data acquisition, processing and transmission of the ideal solution, they have high value and practical significance.

目 錄

摘要        I

Abstract        II

第1章 緒 論        1

1.1 課題研究的背景及意義        1

1.2 國內外發(fā)展的現(xiàn)狀        2

1.3 本文的主要工作        4

第2章 整體方案設計        5

2.1 系統(tǒng)設計內容和功能        5

2.2 系統(tǒng)總體方案的設計        5

2.3 小結        6

第3章 單元電路設計        7

3.1 單片機最小系統(tǒng)電路        7

3.1.1 單片機功能介紹        7

3.1.2 最小系統(tǒng)電路設計        9

3.2 電源電路設計        10

3.3 信號采集電路設計        11

3.3.1 AD7862芯片介紹        11

3.3.2 數(shù)據(jù)采集電路設計        12

3.4 數(shù)碼顯示電路設計        14

3.4.1 顯示驅動芯片介紹        14

3.4.2 顯示電路設計        15

3.5 串口通信電路設計        15

3.5.1 PL2303接口轉換器芯片介紹        15

3.5.2 串口通信電路設計        17

3.6 小結        18

第4章 系統(tǒng)軟件設計        19

4.1 下位機軟件程序的設計        19

4.1.1 系統(tǒng)主程序流程圖        19

4.1.2 信號采集部分程序設計        20

4.1.3 數(shù)據(jù)傳輸程序設計        21

4.2 上位機軟件程序設計        22

4.2.1 系統(tǒng)進入界面設計        22

4.2.2 密碼修改界面設計        23

4.2.3 系統(tǒng)主界面設計        24

4.3 小結        27

第5章 系統(tǒng)調試        28

5.1 硬件調試        28

5.2 軟件調試        28

5.3 實物圖        29

第6章 結論        31

參考文獻        32

致 謝        33

附 錄I        34

附 錄II        43

附 錄III        44

附 錄Ⅳ        46

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀50年代，1956年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng)，目標是測試中不依靠相關的測試文件，由非成熟人員進行操作，并且測試任務是由測試設備高速自動控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(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)采集和測試任務，因而得到了初步的認可。大概在60年代后期，國內外就有成套的數(shù)據(jù)采集設備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。

20世紀70年代后期，隨著微型機的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計算機溶為一體的數(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，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(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)展過程中逐漸分為兩類，一類是實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

20世紀80年代隨著計算機的普及應用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動測試系統(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、通用接口總線和計算機組成。這類系統(tǒng)主要應用于實驗室，在工業(yè)生產現(xiàn)場也有一定的應用。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標準總線和計算機構成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場應用較多。20世紀80年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了很大的變化，工業(yè)計算機、單片機和大規(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。

20世紀90年代至今，在國際上技術先進的國家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運用到軍事、航空電子設備及宇航技術、工業(yè)等領域。由于集成電路制造技術的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。數(shù)據(jù)采集技術已經成為一種專門的技術，在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊式結構，根據(jù)不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結合系統(tǒng)編程，就可擴展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個新的系統(tǒng)。

國外數(shù)據(jù)采集技術較上世紀有了很大的發(fā)展，從最近國外公司展示的新產品可以看出，主要的發(fā)展方向可以概括為使用方便、功能多樣和體積減小三個方面。國內數(shù)據(jù)采集技術起步比較晚，國內的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與國外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，在技術上仍然存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：

(1) 由于整個國內的微電子技術還與世界水平有一定差距，模數(shù)轉換芯片的速度還不能達到世界先進水平，同時高速PCB設計方面的人才比較稀少，所以國內較少研制出速度非常高同時性能又非常好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內存不大，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的信號處理功能不強，在現(xiàn)場只能做一些簡單的數(shù)據(jù)分析，大多數(shù)的處理要離線到計算機上去做。

(3) 系統(tǒng)的軟件水平以及人機界面方面的水平還不是很高，設備操作起來有很多不人性化的地方。

雖然國內與國外在數(shù)據(jù)采集技術上存在差距，但是總體來看這個差距在不斷縮小，在不久的將來中國的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)肯定會晉升國際一流的水準。隨著數(shù)字化步伐的不斷加深，數(shù)據(jù)采集技術作為走進數(shù)字世界的一把鑰匙，必須要緊跟數(shù)字化的腳步，只有掌握了尖端的數(shù)據(jù)采集技術才能在這個飛速變化的世界具有競爭力。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常見的結構有三種：多通道分時復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主流設計結構。在現(xiàn)代信號處理系統(tǒng)中，多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應用于各種軍用、商用和工業(yè)領域中，如雷達系統(tǒng)、彈上設備及通信系統(tǒng)等。為了更快速更全面地分析系統(tǒng)，在采集系統(tǒng)主要信號時，往往需要對一些相關信號進行測量。早先的多通道分時復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能實現(xiàn)循環(huán)采集多路信號，不能得到多個通道同一時刻的采樣點，并且數(shù)據(jù)采集的速率也不是很高，而多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)恰恰彌補了分時復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足。

目前針對多通道數(shù)據(jù)采集體統(tǒng)的研究主要集中在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐�步性、系統(tǒng)容量及低能耗等特點。有些研究雖然在同步性上有所突破，但在系統(tǒng)容量或者能耗方面仍需改進，或者在能耗方面取得一定的成就，但系統(tǒng)的精度或分辨率等均達不到要求。可見本課題在一定的程度上還是有很大發(fā)展空間的。

下面針對幾種常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行簡單介紹：

1、多類型多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

以基于PXI總線的虛擬儀器為平臺所構建的信號采集系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短，體積小，配置靈活的優(yōu)勢，可方便在現(xiàn)場完成最高采樣率為3MS/s、采樣通道最多為64路的模擬量信號，以及采樣通道32路的數(shù)字信號采樣工作。系統(tǒng)設計中采用了DMA，高速磁盤流，同步觸發(fā)，多線程等技術，較好的解決了信號采集時間長，存儲容量大，時間精度要求高的問題。

2、高速大容量多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設計方面充分利用 PIC單片機自身的軟硬件資源， 大大降低了軟硬件設計的復雜度和整個系統(tǒng)開發(fā)、維護的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。相比其它實現(xiàn)方案，具有使用器件少、節(jié)約成本、調試方便等特點，很好地滿足了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實時性、同步性、高速性的要求。此系統(tǒng)在應用時配上不同的傳感器及相應的處理電路，稍加改動，便可在許多領域得到廣泛應用，因而具有較高的實用性和開發(fā)價值。

3、基于CPLD和USB的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

本虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以完成多路雙極性輸人模擬量的采集， 輸出多種信號波形，實現(xiàn)以CPLD為核心，USB為接口的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可適合于高速、實時性信號的數(shù)據(jù)采集和處理。由于具備計算機的強大資源，虛擬儀器有利于產品的開發(fā)和研制。文中介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，只需配置測量所需的傳感器，設計相應的信號調理電路，就可以對各種模擬量進行采集。所采集到的數(shù)據(jù)可以在計算機上實現(xiàn)存儲，計算，控制，從而具有廣泛的使用價值。并且所采用的USB接口符合微機接口高速、串行的發(fā)展方向。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個趨勢：

首先，在專業(yè)測控方面基于PC計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越成熟和智能化。在過去的二十年中，開放式架構PC機的處理能力平均每十八個月就增強一倍。為了充分利用處理器速度的發(fā)展，現(xiàn)代開放式測量平臺結合了高速總線接口。如PCI和PXI/CompactPCI 以便獲得性能的進一步提升。計算機的性能提升和由此引起的基于計算機的測量技術的創(chuàng)新，正在持續(xù)不斷地模糊著傳統(tǒng)儀器和基于計算機的測量儀器之間的界線。其次，在通用測控方面，采用嵌入式微處理器的方案也由早期的采用A/D器件和4標準單片機組成應用系統(tǒng)發(fā)展到在單芯片上實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集與分析，即目前極為熱門的SOC（System On Chip），通常在一塊芯片上會集成一個可以采樣多路模擬信號的A/D轉換子系統(tǒng)和一個硬CPU核，比如增強型8052內核，而且其CPU的運算處理速度和性能也較早期的標準CPU內核提高了數(shù)倍，而且有著極低的功耗。這種單芯片解決方案降低了系統(tǒng)的成本和設計的復雜性。

此外，為了解決SOC方案中數(shù)據(jù)處理性能的不足，采用DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CPU的研究與應用目前也逐漸引起業(yè)內重視，如TI近年設計的TMS320C240x系列芯片就是一款較為完整的數(shù)據(jù)采集與控制單片系統(tǒng) 但是這類產品目前僅僅處于發(fā)展的初級階段 在精度、速度或其它性能指標上并不能很好的滿足要求。因此，國內外以DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣控制和分析運算的研究與應用正在展開。

詳細分析課題任務，對微機數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，并對A/D轉換器技術、串口通信技術和單片機控制原理進行了深入的研究，并將其綜合。然后根據(jù)課題任務的要求設計出實現(xiàn)控制任務的硬件結構及其原理圖和相關軟件程序。下面對本設計的主要研究工作做個簡述。

(1) 根據(jù)設計要求，提出幾種方案，對它們進行了全面的論證；

(2) 根據(jù)系統(tǒng)需要，合理選擇A/D轉換器，并且詳細地闡述了它的基本功能特性；

(3) 介紹了相關現(xiàn)代傳感技術，選擇出信號采集的最佳方案；

(4) 詳細分析了AT89C52的工作原理，并對其軟件的讀寫原理進行了詳細的討論；

(5) 應用LCD顯示技術，可實時讀取電壓、電流信號的具體數(shù)值；

(6) 改進了普遍應用電源方案；

(7) 對整個系統(tǒng)的軟、硬件進行了深入的分析，并且繪制了相關硬件電路圖、軟件流程圖，還編寫了相關軟件程序。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高速模數(shù)轉換器作為數(shù)據(jù)采集單元和AT89C52單片機來對其進行控制,采集到的電壓、電流將模擬轉換成數(shù)字量實時的送到單片機里處理，進而在LCD顯示屏上顯示出采集電壓、電流具體數(shù)值，還可以通過USB串口實現(xiàn)單片機與PC機的通信，在上位機上通過VB編寫的可視化程序界面看到波形的還原及顯示，完成電壓、電流數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制。

（1）可采集周期或非周期的交、直流電壓信號及電流信號。

（2）采集卡測量信號頻率范圍為0-1MHZ。

（3）輸入信號范圍：電壓有效值0-20V，電流有效值：0-500mA。

（4）測量精度0.2%。

（5）上位機管理程序具有波形還原顯示及頻譜分析功能。

本系統(tǒng)分為五大部分：傳輸信號部分、模數(shù)轉換電路部分、單片機最小系統(tǒng)部分、串口通信電路部分和顯示電路部分。

傳輸信號部分：包括數(shù)據(jù)采集、信號調理電路。其中數(shù)據(jù)采集由Header 2兩腳插針完成，電壓采集的信號調理電路采用4個電阻完成電壓衰減，以便實現(xiàn)AD數(shù)據(jù)轉換。電流采集的信號調理電路主要由運算放大電路和電壓跟隨器組成。核心運算放大器為LM358。

模數(shù)轉換電路部分：由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和實時性對于與整個控制系統(tǒng)的性能至關重要，所以必須合理設計使其能提供預期的采樣速度、達到一定的轉換精度，并能做到電路簡單、抗干擾性能強。為了和本設計的指標一致，本采集系統(tǒng)采用ADI公司生產的12位模數(shù)轉換器AD7862，它是一款高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉換器（ADC），采用+5 V單電源供電。AD7862內置兩個4 微秒逐次逼近型ADC、兩個采樣保持放大器、一個+2.5 V內部基準電壓源和一個高速并行接口。4個模擬輸入組成兩個通道（A和B），通過A0輸入選擇通道。模擬輸入均具有過壓保護，采樣的電壓范圍、精度及速度滿足本設計的要求，芯片可應用于光電傳感器、電機電流／電壓傳感器、醫(yī)療檢測儀器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

單片機最小系統(tǒng)：單片機最小系統(tǒng)包括AT89C52單片機、晶振電路、復位電路。單片機是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計算機中的一個重要的分支。此系統(tǒng)是由CPU、隨即存取數(shù)據(jù)存儲器，還包括定時/計數(shù)器、串行通信口、顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一個單塊芯片上，構成了一個最小但完善的計算機任務。而本設計選用的是AT89C52。晶振的作用是選頻，要求運算速度快的電路選用諧振頻率高的晶振，要求省電的電路則選用諧振頻率低的晶振。復位電路使單片機初始化操作，作用是使CPU和系統(tǒng)中其它部件在通電的瞬間都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。

串口通信電路：該串行口我選用了標準USB接口，它是電平與TTL電平轉換驅動電路。USB在速度上遠比并行端口與串行接口等傳統(tǒng)電腦用標準總線快上許多。USB 2.0的最大傳輸帶寬為12Mbps，USB是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設備的連接和通訊。是應用在PC領域的接口技術。

顯示電路部分：液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。本文選用的是LCD1602液晶顯示塊，用戶可以從顯示器上觀察電壓、電流數(shù)值和相關設備工作狀態(tài)。

整體框圖如圖 2.1所示。

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圖2.1 微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案結構

本章首先介紹了微機數(shù)據(jù)采集卡的組成，各部分功能做了簡要介紹，對系統(tǒng)主要技術指標及各部分組成芯片作了簡要介紹。系統(tǒng)設計方案主要側重于系統(tǒng)簡潔方便，性能可靠穩(wěn)定等特點。

本次設計的微機數(shù)據(jù)采集卡具有實時采集并顯示電壓、電流信號的功能，系統(tǒng)總體電路主要由最小系統(tǒng)電路、電源電路、信號采集電路、A/D轉換電路、數(shù)碼顯示電路與上位機通信電路等組成。

單片機是本系統(tǒng)的核心部件，一方面它要接收來自AD轉換器的數(shù)字信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。AT89C52引腳圖如圖3.1所示。

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AT89C52 是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程。AT89C52具有以下標準功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位可編程I/O口，1個看門狗定時器，1個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，具有8個中斷源，6個中斷向量，2個中斷優(yōu)先級，1個全雙工串行口。另外，AT89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。AT89C52的電源工作電壓4.0～5.5V。

二、引腳功能：

P1口（1腳～8腳）：P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準雙向I/O接口使用。對于MCS-52子系列單片機，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2；P1.1用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。

RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機復位到初始狀態(tài)。

P3口（10腳～17腳）：P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能如表3.1所示。

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XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機內部，接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。

XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHOMS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。

VSS（20腳）：接地。

P2口（21腳～28腳）：P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準雙向I/O接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O接口且尋址范圍超過256個字節(jié)時，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P2口接收輸入的8位地址。

PSEN(29腳):片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個機器周期PESN兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間，PESN信號將不出現(xiàn)。

ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址和數(shù)據(jù)。

EA/Vpp（31腳）：EA為訪問外部程序儲器控制信號，低電平有效。當EA端保持高電平時，單片機訪問片內程序存儲器4KB（MS-52子系列為8KB）。若超出該范圍時，自動轉去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當EA端保持低電平時，無論片內有無程序存儲器，均只訪問外部程序存儲器。對于片內含有EPROM的單片機，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。

P0口（39腳～32腳）：P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。當不接外部存儲器與不擴展I/O接口時，它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O口時，P0口為地址/數(shù)據(jù)分時復用口。它分時提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。對于片內含有EPROM的單片機，當EPROM編程時，從P0口輸入指令字節(jié)，而當檢驗程序時，則輸出指令字節(jié)。

VCC（40腳）：接+5V電源正端。

綜上所述，MCS-51系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點：

1).單片機功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳具有第2功能；

2).單片機對外呈3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時復用作為數(shù)據(jù)總線。

時鐘電路的設計：單片機內部有一個高增益、反相放大器。內部時鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHz～12MHz之間，本設計選用12MHz，通過XTAL這兩個引腳在芯片外并接石英晶體振蕩器和兩只電容（電容一般取30pF）。這樣就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。

復位電路的設計：復位是單片機的硬件初始化操作。經復位操作后，單片機系統(tǒng)才能開始正常工作。AT89C52復位信號引腳RESET，用于從外界引入復位信號。本系統(tǒng)采用手動復位，通過專用的復位電路實現(xiàn)。在單片機系統(tǒng)中，若遇到死機、死循環(huán)或程序跑飛等情況，手動復位是擺脫這種尷尬局面的最常用的方法。        單片機最小系統(tǒng)如圖3.2所示。

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圖3.2 單片機最小系統(tǒng)電路

直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變成為直流電；經過濾波后，穩(wěn)壓器在把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉�(wěn)定的直流電流輸出。本設計主要采用單路輸出直流穩(wěn)壓，構成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電變?yōu)榉�(wěn)定的直流電，并實現(xiàn)固定輸出電壓5V。集成穩(wěn)壓電源具有可靠性高、穩(wěn)壓精度高、體積小、重量輕等優(yōu)點。

本文設計了一種簡單實用的直流穩(wěn)壓電源。本設計用以三端固定式集成穩(wěn)壓器LM7805為核心構成的直流穩(wěn)壓電源，這類穩(wěn)壓器有輸入，輸出和公共端3個端子。輸出電壓固定不變,本設計就是應用上述原理實現(xiàn)了直流穩(wěn)壓電源的設計。用LM78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的LM78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如LM7805表示輸出電壓為正5V，LM7909表示輸出電壓為負9V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經常采用。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經常采用。

在實際應用中，應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器(當然小功率的條件下不用)。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。

當制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應用時需注意:并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應采用同一廠家、同一批號的產品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。電源電路如圖3.3所示。

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圖3.3 電源電路

AD7862是美國ADI公司出品的12位高速、低功耗轉換器，單電源5伏供電。它包含兩個4us的延時的ADC,兩個鎖存器，一個內部的+2.5V參考電壓和一個高速并行輸出端口。有四個模擬輸入通道，分為兩組，由A0選擇。每一組通道有兩個輸入(VA1 & VA2 or VB1 & VB2)，它們能同時的被采樣和轉化，保存相關的信號信息，對高噪聲環(huán)境中的輸入噪聲抑制起到非常重要的作用。

AD7862的數(shù)據(jù)轉換讀取過程：AD7862通過多路選擇控制信號A0來對輸入模擬通道進行選擇。當A0=0時,AD7862將對A組兩路信號VA1、VA2同時進行模數(shù)轉換;當A0=1時,AD7862將對B組兩路信號VB1、VB2同時進行模數(shù)轉換。器件在CONVST信號的脈沖下降沿作用下跟蹤/保持兩路輸入信號,并開始對2路信號同時進行轉換。在經歷4us以后,轉換完成,BUSY腳電平變低,數(shù)據(jù)存放到輸出鎖存器中。

AD7862包含一個芯片內部的+2.5v的參考電壓。當用這個作為參考源時，簡單地連接一個0.1uf的陶瓷電容在VREF和AGND管腳當中就可以了。這時應用在AD7862的參考電壓是內部緩沖區(qū)的電壓。如果AD7862需要用外部的參考電壓，這部分有一系列的FET開關在緩沖區(qū)，從而切換成外部的參考源輸出，這樣的話它將帶來3k的輸出電阻。在25度時內部參考的波動范圍是+10mv，典型的溫度系數(shù)是25ppm/度和由溫度導輪大最大的波動電壓是+25v。  

如果應用需要很小的波動的參考源或AD7862需要被用在系統(tǒng)的參考時，用戶這時可以連接一個外部的參考到VREF管腳上即可。外部的參考將有效而內部的參考沒有效，它提供AD的參考源。參考輸入在被應用到AD之前被放到緩沖區(qū)去，允許的最大的輸入電流為+100uA。

AD7862 特性:

（1）2個快速12位ADC；

（2）4個輸入通道；

（3）同時采樣和轉換；

（4）吞吐時間：4 μs；

（5）單電源供電；

（6）高速并行接口；

（7）低功耗：60 mW（典型值）；

（8）輸入范圍選擇：±10 V （AD7862-10）、±2.5 V （AD7862-3）、0 V至2.5 V （AD7862-2）；

（9）省電模式：50 μW（典型值）；

（10）模擬輸入過壓保護；

（11）14位引腳兼容升級版（AD7863）。

AD7862芯片如圖3.4所示。

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圖3.4  AD7862電路圖

本設計使用的是LM358運算放大器。LM358是雙運算放大器，內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)?/font>雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。

數(shù)碼顯示是很多智能儀器的必備部分，傳統(tǒng)的數(shù)碼顯示驅動方式是經過微處理器的串口送出顯示數(shù)據(jù)至數(shù)碼顯示驅動電路，這種顯示方式雖然顯示成本相對較低，但是要占用微處理器的串口，而在很多智能儀器中，具有串行通信方式是設備的一個重要功能，因此就造成顯示部分和通信部分的沖突。而LCD1602可以像微處理器的其它并行接口一樣直接掛接在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上，通過微處理器編程而實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)顯示。

工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。

1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。

目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。

一、LCD1602的引腳功能：

1602采用標準的16腳接口，其中：

第1腳：VSS為電源地；

第2腳：VCC接5V電源正極；

第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高；

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器；

第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作；

第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令；

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端；

第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。

二、LCD1602的主要特性：

(1)  3.3V或5V工作電壓，對比度可調；

(2) 內含復位電路；

(3) 提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能；

(4) 有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM；

(5) 內建有192個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM；

(6) 8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。

本文中顯示電路選用的是LCD1602液晶顯示模塊。具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點。在系統(tǒng)功能中，外部輸入的數(shù)據(jù)采集成功后由模擬量轉化為數(shù)字量，就被傳送到系統(tǒng)的顯示模塊，讓人們更直接地觀察到相關數(shù)據(jù)。

LCD顯示電路如圖3.7所示。

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圖3.7  LCD1602顯示電路

PL2303 是Prolific 公司生產的一種高度集成的RS232-USB接口轉換器，可提供一個RS232 全雙工異步串行通信裝置與USB 功能接口便利連接的解決方案。

PL2303的高兼容驅動可在大多操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM 端口，并允許基于COM 端口應用可方便地轉換成USB接口應用，通訊波特率高達6 Mb/s。在工作模式和休眠模式時都具有功耗低，是嵌入式系統(tǒng)手持設備的理想選擇。該器件具有以下特征：完全兼容USB1.1協(xié)議；可調節(jié)的3～5 V 輸出電壓，滿足3V、3.3V和5V不同應用需求；支持完整的RS232接口，可編程設置的波特率：75b/s～6 Mb/s，并為外部串行接口提供電源；512字節(jié)可調的雙向數(shù)據(jù)緩存；支持默認的ROM和外部EEPROM存儲設備配置信息,具有I2C總線接口，支持從外部MODEM 信號遠程喚醒，支持Windows98、Windows2000、WindowsXP、Windows Vista、Windows7等操作系統(tǒng)；28引腳的SOIC封裝。PL2303芯片引腳圖如圖3.8所示。

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圖3.8 PL2303芯片引腳圖

一、PL2303的引腳功能

PL2303采用標準的28腳接口，其中：

第1腳：TXD的功能是將數(shù)據(jù)輸出到串口；  

第2腳：DTR_N的功能是將數(shù)據(jù)終端準備好，在低電平時有效；

第3腳：RST_N的功能是發(fā)送請求，在低電平時有效；  

第4腳：VDD_232是RS232的電源，為串行端口信號的電源引腳；

第5腳：RXD的功能是將串口數(shù)據(jù)輸入；  

第6腳：RI_N的功能是輸入/輸出串行端口（環(huán)指示器）；  

第7腳：GND為接地引腳；

第8腳：VDD引腳連接電源；   

第9腳：DSP_N的功能是輸入/輸出串行端口(數(shù)據(jù)集就緒)；  

第10腳：DCD_N的功能是輸入/輸出串行端口(數(shù)據(jù)載波檢測)；  

第11腳：CTS_N的功能是輸入/輸出串行端口(清除發(fā)送)；  

第12腳：SHTD_N的功能是控制RS232收發(fā)器關機；  

第13腳：EE_CLK的功能的輸入/輸出串行EEPROM時鐘；  

第14腳：EE_DATA 的功能是輸入/輸出串行EEPROM 數(shù)據(jù)；  

第15腳：DP 的功能是輸入/輸出USB端口D+信號；  

第16腳：DM 的功能是輸入/輸出USB端口D-信號；  

第17腳：VDD_3V3是常規(guī) 3.3V電源輸出；  

第18腳：GND_3V3引腳接地；  

第19腳：RESER引腳連接電源；   

第20腳：VDD引腳連接電源；  

第21腳：GND引腳接地；   

第22腳：TRI_STATE 輸入/輸出 通用 I/O 引腳 0；  

第23腳：LD_MODE 輸入/輸出 通用 I/O 引腳 1；  

第24腳：VCC_PLL引腳接電源；   

第25腳：GND_PLL引腳接地；   

第26腳：PLL_TEST的功能是控制晶體振蕩器輸入；  

第27腳：OSC1的功能是晶體振蕩器輸出；  

第28腳：OSC2的功能是晶體振蕩器輸出。

PL2303的特性：

完全符合 USB 規(guī)范 2.0（全速兼容）、片內擁有 USB 1.1 收發(fā)器，5V 轉 3.3V 的穩(wěn)壓器，12 MHz 的晶體振蕩器、支持 RS232 這樣的串行接口、全雙工發(fā)送器和接收器（TXD 和 RXD）、六個調制解調控制引腳（RTS，CTS，DTR，DSR，DCD 和 RI）、內容可以為 5，6，7 或 8 個數(shù)據(jù)位、支持自動握手各種模式、一、一個半，或兩個停止位、奇偶錯誤，幀錯誤和串行中斷檢測、可編程波特率從 75bps 到 6 Mbps、外部的 RS232 驅動下降控制、獨立的串行接口電源、寬廣的流量控制機制、自動與 CTS / RTS 流控制、自動使用的 XON / XOFF 流量控制、入站數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出檢測、可配置的512個字節(jié)雙向數(shù)據(jù)緩沖器、256 字節(jié)的輸出緩沖區(qū)和 256 字節(jié)的輸入緩沖區(qū)、128 字節(jié)的輸出緩沖區(qū)和 384 字節(jié)的輸入緩沖區(qū)、支持從遠程輸入相關調制信號進行喚醒功能、兩個通用的 I / O（GPIO）引腳、啟動時可以將配置存儲于外部的 EEPROM、提供支持 Windows 和 Mac OS，Linux 和 Win CE 的驅動程序、具有專為 Windows XP 驅動程序認證的標志、該 IC 是 SSOP 封裝的小尺寸 28 引腳。

USB最初是由英特爾與微軟倡導發(fā)起，其最大的特點是支持熱插拔和即插即用。當設備插入時，主機枚舉到此設備并加載所需的驅動程序，因此在使用上遠比PCI和ISA總線方便。

USB(Universal Serial Bus2.0，通用串行總線)是一種應用在計算機領域的新型接口技術。USB接口具有傳輸速度更快，支持熱插拔以及連接多個設備的特點。目前已經在各類外部設備中廣泛的被采用。

電腦的原有的串口，叫作RS232接口，這是一種CMOS接口，接口電壓從-15到+15v之間，而51系列單片機都是TTL電平，電平電壓只有0V 或是 5V兩種。用這個串口做出來的就是單片機上用的TTL電平，所以可以不用再接MAX232芯片。這是采用PL2303芯片的好處。

電路可以提取出USB接口的+5V電壓，正好用于51系列單片機的使用，非常方便。另外PL2303還能對外提供一個+3.3V的電壓，這個電壓，對于AVR單片機，非常合適。串口通信電路如圖3.9所示。

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圖3.9  串口通信電路

本章設計了系統(tǒng)的各部分硬件電路，包括單片機控制電路、數(shù)據(jù)信號采集電路、A/D轉換電路和LCD顯示電路等部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹，整個系統(tǒng)的核心是單片機控制電路和數(shù)據(jù)信號采集電路，由單片機控制數(shù)據(jù)信號采集電路，提高數(shù)據(jù)采集能力能力。

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