【单片机课程设计】数据采集系统的设计与实现

1 设计目的和要求分析

设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。

要求：

① 选择合适的芯片；

② 设计原理电路（包含译码电路）； ③ 编制数据采集的程序段； ④ 编制数据通信程序段；

本次任务是设计一个数据采集系统，系统要采集10路模拟量(10位精度)，20路开关量，采集的数据每隔1秒，通过串行通讯方式RS485向一台工控机传送。由以上要求可知该系统设计可分为四个部分：模拟量采集电路、开光量采集电路、单片机与PC机的串口通讯电路及程序设计部分。下面分别做详细的介绍。

2 模拟量采集电路设计

摸拟量的采集要用到A/D转换芯片，而且要求精度为10位，这里选择TLC1543A/D转换器。同时TLC1543有11路模拟通道输入满足采集10路模拟量的要求。TLC1543是一种低功耗、低电压的10位开关电容逐次逼近模数转换器，最大非线性误差小于1LSB，TLC1543A/D转换芯片有三个输入端和一个3态输出端片选CS、输入/输出时钟（I/O CLOCK）地址输入（ADDRESS） 和数据输出DATA OUT，这样就和主处理器的串行口有一个直接的4线接口。除了高速的转换器和通用的控制能力外， 这些器件有一个片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或 3 个内部自测试（self-test）电压中的一个。采样-保持是自动的。在转换结束时,“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换的完成。。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。TLC1543详细资料如下： （1） TLC1543引脚如下图1所示：

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图1 TLC1543引脚图

（2）TLC1543工作时序图如下图所示：

图2 TLC1543工作时序图

（3）TLC1543A/D芯片的数据读取程序设计

A/D芯片的数据读取程序是根据TLC1543的工作时序来进行设计的。TLC1543工作时序如图2所示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或禁止，工作时CS必须置低电平。CS为高电平时，I/OCLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATA OUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，

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I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脱离高阻状态。随后，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送到采样保持电路。同时，I/O CLOCK端输入时钟时序，CPU从DATA OUT 端接收前一次A/D转换结果。I/O CLOCK从CPU 接受10个时钟长度的时钟序列。前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4个I/O CLOCK的下降沿，而采样一直持续6个I/O CLOCK周期，并一直保持到第10个I/O CLOCK的下降沿。转换过程中，CS的下降沿使DATA OUT引脚脱离高阻状态并起动一次I/O CLOCK的工作过程。CS的上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATA OUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。

TLC1543数据采集子程序流程图如图3所示。该程序通过CPU通道地址的写操作，发出A/D转换启动脉冲，启动以后CPU查询A/D转换是否结束，一旦结束CPU通过对通道地址的读操作读取数值，值得注意的是在TLC1543启动后，从A/D转换时序可知EOC约在启动脉冲之后300ns才变为高电平。

开始 设置通道地址 把通道地址输入1543 发AD转换启动脉冲 A/D转换 取AD值 返回AD值 图3 TLC1543数据采集子程序流程图

（4）模拟量通过TLC1543AD转换芯片与Atmega16单片机的接口电路

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TLC1543的三个控制输入端/CS、I/O CLK、ADDRESS和一个数据输出端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口。TLC1543芯片的三个输入端和一个输出端与单片机的I/O口直接连接。将放大后的模拟电压通过TLC1543与单片机的接口电路输出数字信号。其接口电路如图4所示。

图4 TLC1543AD转换芯片与Atmega16单片机的接口电路图

3 开关量采集电路设计

系统要求实时采集20路开关量，由于单片机I/O接口有限，故采用两片74LS165芯片16路并行输入转换成串行输入，剩余的4路开关量直接由单片机I/O进行采样。74LS165芯片介绍如下： （1）74LS165引脚如下图5所示：

图5 74LS165引脚图

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（2）74LS165引脚功能表如表1所示：

表1 74LS165引脚功能表

74LS165芯片是8位并行输入串行输出移位寄存器, 其中A~H就是8位并行数据的输入端。Qh 和/Qh 是串行数据的输出端，SER是串行数据的输入端，CLK是时钟端，SH/LD是移位和锁存并行数据端。 （3）74LS165时序功能图如图6所示：

图6 74LS165时序功能图

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（4）开关量通过74LS165芯片与Atmega16单片机的接口电路

开关量输入信号如下图所示：

图7 开关量输入信号图

当开关闭合时，经过非门作用开关量输入高电平“1”； 当开关断开时，经过非门作用开关量输入低电平“0”；

20路开关量采集电路图如下所示，16路开关量通过74LS165芯片将并行输入转换成串行输入（PC0和PC1进行16路开关量采样），剩余的4路开关量直接由单片机I/O（PB0~PB3）进行采样。

图8 开关量接口电路

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4 单片机与PC机的串口通讯电路设计

MAX487接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片。采用单一电源+5 V工作，额定电流为120 uA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。其引脚结构图如图9所示。

图9 MAX487引脚图

从图9中可以看出,MAX487芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的PD0/RXD和PD1/TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态。

因为MAX487工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时只需要一个信号控制MAX487的接收和发送即可。

单片机实现与PC机之间的通讯时，必须使用电平转换接口芯片，因为单片机输出的是TTL电平，必须经过电平转换才能和PC机的一致。本文中采用的是RS－485协议，所以单片机需要采用RS－485接口；而在PC机侧使用的是RS－232与RS－485的电平转换接口。单片机与PC机的串口通讯电路如下图所示：

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图10单片机与PC机的串口通讯电路

RS485网络和普通的RS232网络从程序上来讲，维一的区别是就是有方向控制。 数据发送时芯片需要工作在输出方式，这样数据才能被有效发出。 不发送数据时一定要把RS485芯片设置为输入状态，否则会影响网络上其它设备。硬件连接如上图，程序如下： /*串口初始化函数*/ void uart_init(void)

{ UCSRA = 0x02; /*倍速*/

UCSRB = 0x18; /*允许接收和发送*/ UCSRC = 0x06; /*8位数据*/ UBRRH = 0x00;

UBRRL = 12; /*9600*/

DDRD=DDRA|BIT(2); /*设置方向为输出*/

PORTD&= ~PORTA|BIT(2) /*设置RS485为输入状态*/ }

/*数据发送，查询方式*/

void uart_transmit(unsigned char i) {

PORTD&= ~PORTA|BIT(2) /*设置RS485为输入状态*/

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UDR = i; /* 发送数据*/

while (!(UCSRA & (1<PORTD&= ~PORTA|BIT(2) /*设置RS485为输入状态*/ }

/*数据接收，查询方式*/ unsigned char uart_receive( void ) {

while (!(UCSRA & (1<5 程序设计及说明

（1）模拟量采集程序设计

系统要采集10路模拟量(10位精度)，单片机与TLC1543接口如下：引脚PA0连接TLC1543的SDO口接收转换后的数据传入，引脚PA1连接TLC1543的ADDR口用来选择通道数，引脚PA2连接TLC1543的_CS用来控制片选，引脚PA3连接TLC1543的CLK以控制时序。如下图所示：

图11 TLC1543与Atmega16引脚接口图

A/D芯片的数据读取程序是根据TLC1543的工作时序来进行设计的。TLC1543工作时序如图2所示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。读CLK有10个周期，前4个周期进行采样通道号的选择，后6个周期进行模拟量的采集，采集子程序是通过CPU通道地址的写操作，发出A/D转换启动脉冲，启动以后单片机查询A/D转换是否结束，一旦结束CPU通过对通道地址的读操作读取数

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值。

10路模拟量采集程序流程图如下：

过程入口 通道和计数器初值 送通道号，启动A/D 读状态EOC N 转换结束否 Y 读结果，存入寄存器 修改通道号和计数器 10通道完否 N Y 返回 图12 模拟量采集程序流程图

（2）开关量采集程序设计

20路开关量采集电路如图8所示，16路开关量通过74LS165芯片将并行输

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入转换成串行输入（PC0和PC1进行16路开关量采样），剩余的4路开关量直接由单片机I/O（PB0~PB3）进行采样。

20路开关量采集程序流程图如下：

开始 初始化I/O接口 读取PC0、PC1及PB0~PB3数据 数据存储 数据串行输出 结束 图13 开关量采集程序流程图

（3）上位机程序设计

本文中采用的是RS－485协议，所以单片机需要采用RS－485接口；而在PC机侧使用的是RS－232与RS－485的电平转换接口。此次可以采用单片机内部的USART,因此实现串口通讯十分容易，只需要设置适当的寄存器就可以使串口工作起来，串口通讯采用中断机制。上位机程序负责对数据进行收集和处理，由于是下位机是被动传输，和下位机传输是遵循一定的通讯协议，协议已经在下位机中进行了定义。 当上位机发送一个控制字0x78给下位机时，下位机将会返回所有的数据采集量。上位机流程图如下：

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com端 初始化 通过com口发送标志读取字0x78 单片机将数据发送给上位机 读取数据， 显示并处理 结束 图14 上位机流程图

(3) 上位机主程序： #include #include #include

void Init_COM(int ComPortAddr,unsigned char IntVectNum，im Baud， unsigned char Data，unsigned char Stop，unsigned char Parity) // 串口初始化 int ReceiveChar(int port) / / 接收字符 main()

{ int i; char a[500];

void Init_COM(03F8H, 0X0b,9600,8,1,0);

// 定义串口端口地址为COM1口，中断处理号为0X0b,波特率为9600，数据位为8，停止位为1，奇偶校验位为0 for(i=0;i<500;i++)

a[i]=ReceiveChar();//每隔一秒接收一个字节 }

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6 设计小结与体会

这次计算机控制课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计也为我们以后的学习打下基础。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并解决问题。这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。

通过这次计算机课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本汇编程序的设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了RS-485通信原理。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。回顾起此次计算机控制课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。

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7 参考文献

[1]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社，2005 [2]于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社，1999

[3]姚四改Protel 99 SE电子线路设计教程.上海交通大学出版社，2003

[4]朱定华编著.《微机原理、汇编与接口技术学习指导》清华大学出版社，2004 [5]侯玉宝.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真.电子工业出版社，2008

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附录 程序代码

(1) 10路模拟量采集程序如下： //TLC1543 端口定义

#define TLC1543 _SDO PA0 //数据输入 #define TLC1543 _ADDR PA1 //数据输出 #define TLC1543 _/CS PA2 //使能端 #define TLC1543 _CLK PA3 // 时钟端

//read1543() 返回10位AD芯片TLC1543的port通道采样值。

uint read1543(uchar port) //从TLC1543读取采样值,形参port是采样的通道号 {

uint data ad;uint data i; uchar data al=0,ah=0; CLK=0;

for (i=0;i<4;i++) //把通道号打入1543 {

ADDR=(bit)(port&0x80);CLK =1;CLK=0; port<<=1; }

for (i=0;i<6;i++) //填充6个CLK { CLK=1;CLK=0; } /CS=1;

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _CS=0; //等待AD转换 _nop_();_nop_();_nop_(); for (i=0;i<2;i++) //取D9,D8

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{ D_OUT=1; CLK=1; Ah<<=1; if (D_OUT) ah|=0x01; CLK=0; }

for (i=0;i<8;i++) //取D7--D0 { D_OUT=1; CLK=1; al<<=1;

if (D_OUT) al|=0x01; CLK=0; } /CS=1;

ad=(uint)ah;ad<<=8;ad|=(uint)al; //得到AD值 return (ad); }

(2) 开关量数据采集程序 #define SINPUT_PORT PORTA #define SINPUT_DDR DDRA #define SINPUT_PIN PINA #define DIG_PL PD6 // PL脚 #define DIG_CLK PD5 // 时钟脚 #define DIG_CE1 PB1 // 片选 #define DIG_OUT1 PC0 // 串行输出 #define DIG_OUT2 PC1 // 串行输出

#define S_PL() CONTROL_PORT|=BIT(DIG_PL) // 置1 #define C_PL() CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_PL) // 置0

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#define S_CLK() CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CLK) // 置1 #define C_CLK() CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CLK) // 置0 #define S_CE1() CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CE1) / /置1 #define C_CE1() CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CE1) //置0 #define S_CE2() CONTROL_PORT|=BIT(DIG_CE2) //置1 #define C_CE2() CONTROL_PORT&=~BIT(DIG_CE2) //置0

#define DB_INPUT1 (SINPUT_PIN&BIT(DIG_OUT1)) //数据输入电平 #define DB_INPUT2 (SINPUT_PIN&BIT(DIG_OUT2)) void InitDigCap(void) //初始化开关量采集

{ CONTROL_DDR|=BIT(DIG_PL)+BIT(DIG_CLK)+BIT(DIG_CE1)+BIT(DIG_CE2); // 置为输出 }

void LockData(void) //锁定数据 将数据全部锁入到寄存器中 { }

void GetAllDigCap(void) //获取所有通道的开关量 {

unsigned char i,temp=0; LockData(); //锁定所有数据 C_CLK();

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SINPUT_DDR&=~(BIT(DIG_OUT1)+BIT(DIG_OUT2)+); // 置为输入 S_PL(); S_CE1(); S_CE2();

S_PL(); //高电平

Delay_Bus(1); //延时一个总线周期 C_PL(); //低电平

Delay_Bus(1); //延时一个总线周期 S_PL(); //高电平 完成锁存

Delay_Bus(1); S_CLK();

//读取第一片里的数据 C_CE1(); //使能片1 for(i=0;i<8;i++) {

C_CLK(); Delay_Bus(1);

S_CLK(); //上升沿脉冲 Delay_Bus(1); if(DB_INPUT1)

{ temp|=0x01; temp<<=1; }else temp<<=1; }

g_DigCap[0]=temp; S_CE1(); //关闭使能

(3) 定时中断模块

void InitTimer(void) //初始化计数器，使用Timer0 产生1KHz的中断 {

TCCR0=0x00; TCNT0=0x84;;

TCCR1B|=BIT(CS02);//分频

TIMSK|=BIT(TOIE0);//timer0溢出中断开 }

ISR(TIMER0_OVF_vect) //Timer0溢出中断服务程序 {

TCNT0=0x84;

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g_TimerFlag=1; //设置标志 }

(4) 主程序： int main(void) {

InitDevices(); //初始化所有的设备 sei(); //开总中断 程序开始起跑 while(1) //死循环

{ if(g_TimerFlag==1) //如果时间标记为1 { GetAllDigCap(); //获取所有开关量

TLC1543_GetAllValue(); //获取所有模拟量 PutAllDataToBuf(); //将所有数据送入发送缓冲区 if(g_RecFlag==0x78) //如果收到接收标志 { SendAllData(); //发送所有数据 g_RecFlag=0; //置零 }

g_TimerFlag=0; //置零

} } }

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