基于单片机的多通道数据监测系统毕业设计论文.doc

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1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于单片机的多通道数据监测系统A multi-channel data detection system based on MCU年 级:2004级学 号:20041426姓 名: 专 业:机械电子工程指导老师: 院 系 机械工程学院 专 业 机械电子工程 年 级 2004级 姓 名 刘天豪 题 目 基于单片机的多通道数据监测系统 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 茅机 学生姓名 刘天豪 学 号 20041426 发题日期： 2008 年 3

2、 月 5 日 完成日期： 6 月 10 日题 目 基于单片机的多通道数据监测系统 1、本论文的目的、意义 温度压力液位流量是工业自动化常见控制参量，实现其监测与控制是基础性工作，也是机械电子工程专业学生必须掌握的基础内容。本课题要求学生综合利用所学知识，培养动手能力，在前人工作基础上，改进完善，实现多通道模拟工业温度压力液位信号采集和处理显示，实现上下限报警和电磁继电器和开关通断控制。该课题对于机电测控实验中心完善实验建设具备价值。 2、学生应完成的任务（1）查阅收集资料、熟悉设计原始资料、完成相关不少于10000个字符的外文资料 翻译。 （2）完成毕业实习调研以及实习报告的撰写 。 （3）现

3、有温度压力液位流量监测与控制系统调研和资料搜集。 （4）多路参量监测与控制系统方案设计。 （5）接口电路板制作和加工 。 （6）实验程序设计与调试。 （7）完整程序和实物一套。 （8）整理完成不少于24000字的毕业论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 调研准备和资料搜集 （2周） 第二部分 方案设计和元器件采购 （2周） 第三部分 硬件制作 （3周） 第四部分 软件调试 （3周） 第五部分 系统集成，撰写毕业论文 （1周） 评阅及答辩 评阅答辩 （1周） 备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘 要随着电子计算机信息技术的不断发展和完善，采用单片机实

4、现的数据采集系统的应用越来越多。采用单片机实现的数据采集系统具有自动化和无人值守的特点。在许多工业测控机械、医疗仪器以及消费电子产品中，都对数据采集系统的实时性与功耗提出了更高的要求：即在满足微功耗、微型化的总体设计原则基础上，又要能实时反映现场采集数据的变化。这就对系统的功耗、采样速度、数据存储和传输速度等提出了更高的要求。然而，随着半导体与微控制器技术的飞速发展，各种微电子器件的性能不断提高，功耗却不断降低。技术的进步使得高速度、低功耗的数据采集系统得以实现。本文设计的数据采集与显示、处理系统采用TI公司研制的MSP430系列超低功耗单片机作为核心控制元件，实现了8通道模拟量数据的采集、自

5、动循环显示、用户查询、限位设定及报警、外围驱动能力、时间显示、以及和上位机组态软件的通信功能。该系统功能齐全，且具有一定的通用性。主要研究内容如下： 首先，分析了数据采集系统技术领域内国内外的研究现状，以及MSP430系列低功耗单片机的特点和应用情况。其次，分析了研究数据采集系统的现实意义，在此基础上给出了基于MSP430单片机的数据采集系统的总体设计方案。比较详细的介绍了实现该系统的硬件电路设计，包括电源电路、按键电路、复位电路、点阵LCD显示电路、LED指示灯和蜂鸣器报警电路、直流电机驱动电路和USART异步串行通信电路等电路的原理图设计。最后详细的介绍了基于C语言的软件系统实现方案。其中

6、，软件系统的设计是本设计的工作重点。设计过程采用了模块化的软件设计思想。文中第4章前6小节详细介绍了系统中各个模块软件设计过程。其中和组态王的串口通信程序设计是最有创新性的内容；第7小节介绍了这些模块之间的输入、输出等链接关系，并最终给出了主处理程序的结构框架。本设计的最终实验结果表明，下位机的数据采集及显示、查询、报警等功能均能顺利实现；与组态王的串口通信程序设计取得了明显的成果。关键词：数据采集 MSP430 串行通信AbstractWith development of computer and information technology, using of MCU in a data

7、 detection system is becoming more and more popular. Data detection system with MCU has character of automated and unattended.Real-time and lower power consumption is demanded in many industrial measurement and control machinery, medical equipment and consumer electronics products: principle of over

8、all design is not only meet micro-power consumption and miniaturization but also reflect real-time data changes when the scene changes. This make a higher demand of the systems power consumption, sampling speed, data storage speed and transmission speed. With the rapid development of semiconductor a

9、nd microcontroller technology, performance of microelectronic devices is improved but the power consumption is reduced. Advances in technology make high-speed, lower-power data detection system can be realized.The data detection and processing system designed in this paper use TIs MSP430 as the core

10、 element, which achieves the functions such as: 8-channel analog data detection, automatic cycle display, user queries, set the limit and give alarm, to drive the external devices, show time and communicate with PC(through KingView 6.51). The system has enough functions and is commonality. Main cont

11、ents are as follows:First, analyses the research status quo of the data detection system at home and abroad. Second, analyses the practical significance of data detection system, on basis of this, we give a data detection system design programme which based on MSP430.We detail the systems structural

12、 design and hardware circuit design, including power circuit, button circuit, reset circuit, dot-matrix LCD display circuit, LED and buzzer alarm circuit, motor-driven circuit and USART communication circuit, Finally, give a detail introduction to design a software system based on C language to real

13、ize the whole function.The software design is the key work of this design. The whole design processing based on a concept called “modular design”. In Chapter 4 the first six sections detail every modules designing process. Serial communication procedures design between KingView and MSP430 is believe

14、d to be the most innovative content in this paper; in section 7, input and output relations among all the modules is analysed. And finally, I give the main programs structural framework. Final test results show that data detection and display, query and alarm function can runs smoothly; serial commu

15、nication design between KingView and MSP430 have achieved remarkable results.key words：data detection MSP430 serial communication目 录第1章 绪论11.1 数据采集系统概述11.1.1 嵌入式系统概述31.1.2 嵌入式数据采集系统简介31.2 数据采集系统发展方向31.3 本文研究的主要内容及组织结构7第2章 基于MSP430的数据采集系统的系统设计62.1 基于MSP430的数据采集系统的系统构建62.1.1 系统功能分析62.1.2 系统的硬件原理框图72.1

16、.3 系统的工作过程82.2 系统主要功能器件的介绍及选择82.2.1 单片机的选择82.2.2 传感器简介112.2.3 AD转换模块结构介绍112.2.4 LCD显示模块的选择142.2.5上位机处理系统软件的选择15第3章 基于MSP430的数据采集系统的硬件设计173.1 电源电路的设计173.2 复位电路设计183.3 模拟量采集电路的设计183.4 图形点阵LCD显示电路193.5 按键处理电路203.6 串行通信电路设计213.7 报警系统及外围驱动模块电路设计233.7.1 报警电路设计233.7.1 电机驱动电路设计243.8 单片机电路设计24第4章 基于MSP430的数据

17、采集系统的软件设计264.1 系统时钟模块的初始化设置284.2 模拟量采集模块软件设计284.2.1 转换模块的初始化设置284.2.2 转换数据的读取284.2.3 转换数据的格式化304.2.4 ADC12模块的启动314.3 输入模块的软件设计324.3.1 输入模块的初始化设置324.3.2 中断处理程序344.4 显示模块的软件设计424.4.1 LCD初始化设计424.4.2 LCD显示设计434.5 串行通信模块的软件设计454.5.1 组态王与单片机的通信协议464.5.2 单片机通讯程序设计494.6 报警系统及外围驱动电路模块的软件设计564.6.1 报警系统的软件设计5

18、74.6.2 外围驱动模块的软件设计584.7 主处理模块程序设计60第5章 系统的调试及运行635.1 系统实物电路的搭建635.2 下位机设计功能调试635.1 和组态王6.51串口通信的调试63结 论68致 谢69参考文献70附录1：电路原理图71附录2：程序72附录3：实习报告72第1章 绪论1.1 数据采集系统概述数据采集系统是一种应用十分广泛的模拟量线性测量设备。随着计算机技术不断进步和智能化测量技术的飞速发展，其应用前景日趋广阔。许多新型仪器设备，实际上就是高性能的数据采集系统加上相关的辅助功能而成。例如：数据采集系统加上触发功能便构成了瞬态波形记录仪，数据采集系统加上信号频谱分

19、析功能就成了频谱分析仪；数据采集系统与计算机系统相结合，配以信号处理与分析软件，就构成了诸多数字式智能仪表，如：数字多用表、数字存储示波器、失真度分析仪，动态信号分析仪，逻辑分析仪等。既使当今快速发展的虚拟仪器系统，也是数据采集系统与计算机系统相结合，配以相应的软件开发构成的。近20年来，是PC机领导业界潮流的时期，从局域网、广域网到全球互联网，几乎到了登峰造极的地步，现在是将PC机的成熟技术向嵌入式产品转化的后PC机时代。嵌入式产品性能更好，功能更完善。1.1.1 嵌入式系统简介嵌入式系统（Embedded System）根据IEEE（国际电子电气工程师协会）的定义为“Embedded Sy

20、stem is devices used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plants.(http:/www.ieee.org)”这主要是从应用上加以定义，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装备。目前国内大多数资料定义嵌入式系统为：嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可以剪裁，适应应用系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从上面的定义可以看出，嵌入式系统具有以下的特征：1、 系统的内核小。2、 专用性强。3、 系统精

21、简。4、 嵌入式系统的研发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统由硬件和软件组成，其分类也可以按硬件和软件来进行划分。硬件按照嵌入式处理器来划分可以分为：嵌入式微控制器（MCU）；嵌入式数字信号处理器（DSP）；嵌入式微处理器（MPU）；嵌入式片上系统（SOC）。软件按照操作系统来划分，可以分为：实时系统和分时系统。实时系统又可以分为：硬实时系统和软实时系统。在科学技术飞速发展的今天，设计嵌入式系统涉及一系列的难题，其中有三个突出的问题：1、 产品更新换代太快。2、 市场竞争日趋激烈。3、 如何满足用户不同层次和不断变化的要求。针对上述问题，国外近年来在电子工业和嵌入式行业中推行一种不同于传

22、统设计思想的所谓“开放系统”的设计思想。开放系统是指：向未来的VLSI开放，即从当前实际出发又为未来新技术留下余地；向系统的不同配套档次开放，在经营上兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社会的公共参与，为发挥各个方面厂商的积极性和用户的专用要求。推行开放系统的设计思想主要是向未来的VLSI开放；向不同的用户层次开放；向用户的特殊要求开放。开放式系统设计的具体方法是：系统的设计者主要精力用于分析设计目标，确定总体结构，选择系统配件，而不是部件模块设计，以及专用软件的开发设计。开放式体系结构和总线系统技术的发展，导致工业检测系统采用组合化设计方法的流行。即针对不同的应用系统要求，选用成熟的现代硬件模板

23、和软件进行组合。组合化设计的基础是模块化。硬件软件产品的模块化是实现最佳设计系统的关键。它的优点是：1、 将系统划分为若干硬、软件功能模块，由专门的研究机构根据积累的经验尽可能设计完善，并定制其规格系列，选用这些现成的功能模块可以迅速配套成各种应用系统，简化设计并缩短设计周期。2、 结构灵活便于扩展和更新，使得系统的适应性增强，在使用中可根据需要，通过更换一些模块或进行局部的结构改装以满足不断变化的特殊要求。3、 维修方便快捷。模板大量采用LSI和VLSI芯片，在故障出现时，只需更换IC芯片或功能模块便可修复，停机修复的时间可以降低到最低限度。4、 功能模块可以进行组织批量生产，使质量稳定，并

24、降低成本。组合化设计方法中应强调层次化问题。通常分为三种：1、 基础层：这一层指系统的设计者组合应用系统时可以选用的硬件模块和有关软件。最终系统的先进性应从基础层入手。2、 系统层：这一层应考虑被选用的硬件和软件是否兼容，是否完整，即是否能构成完善的系统。质量认证和系统的可靠性应重点考虑。3、 应用层：这一层解决测量系统与工业对象接口关系，如何与工业对象的工艺相结合等问题，重点是应用软件问题。1.1.2 嵌入式数据采集系统简介嵌入式数据采集系统的结构如下图1-1：图1-1 嵌入式数据采集系统结构图传感器输出的模拟信号，经过信号调理电路进行缓冲放大、抗混迭滤波，整形后送入MPU内置式的A/D转换

25、器，将模拟信号进行保持、量化、转换为数字信号，在控制信号控制下，或者直接送去显示和打印，或者送入FIFO存储，USB系统将数据从FIFO存储器中读出后，送入PC机进行数据后处理。1.2数据采集系统的发展方向1、基于GPRS的 远程数据采集系统。根据GPRS通信技术在中低速率数据传输方面的突出优势，使系统具有一定的高可行性和高性价比。可用于工业控制、金融、交通等行业，具有很广阔的发展前景。GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，该技术建立在GSM 网络的基础上，被称为2.5代移动通信技术，它将无线通信与Internet紧密结合。GPRS作为一

26、种高速、高效、经济的无线系统，具有网络覆盖范围广、数据带宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线的优点，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据传输，完全满足数据采集及监控的双向数据信息传输。随着GPRS技术在移动通信领域的发展,已能够实际应用到许多需要无线数据传输的领域，也为数据采集传输及监控提供了一种新的数据传输通讯方式。2、自动数据采集系统。自动数据采集系统能够实时收集生产过程数据，并作出相应的分析和处理。自动数据采集系统具有以下特点：（1）自治性：每一个DA（Data Detection）holon能够监控自己计划和任务的执行。同时对自己的错误或故障

27、采取行动。（2）协作性：DA Holon能够相互之间协作，以完成共同的计划和任务。同时对错误或故障采取相互行动。（3）开放性：HAD（Holonic Data Detection）系统可以允许其它新的DA holon的加入，原有DA holon的移除或功能上的更新对整个HAD不会产生很大的影响，同时只需要很少的人工参与。而这些DA holon可以来自于不同的供应商，具有不同的功能。1.3 本论文研究的主要内容及组织结构本文主要包含两大部分的内容：第一部分，下位机数据采集及其附属部件设计。包括LCD显示，按键处理，声光报警及外驱动电路；第二部分，MCU与上位机组态软件的异步串口通信设计。这个部分

28、的工作主要是根据组态王与单片机的通用通信协议（HEX）开发单片机程序，以实现在组态王中对下位机所采集的数据进行所需要的处理。譬如：实时数据报表、历史数据报表、趋势曲线的绘制、数据网络发布等。针对以上所述，本文结构安排如下：第一章：绪论。简要介绍文章研究的相关内容在国内外的发展情况，以及本文所研究的主要内容。第二章：介绍系统的功能及工作原理，对该监测系统进行总体的结构设计，选择适合本测量系统总体设计方案的相关软件、硬件平台。第三章：将整个检测系统分为几个模块，并详细介绍各个模块的硬件电路设计。第四章：在搭建好的硬件平台上进行软件开发，编写各个模块的驱动程序。根据单片机通用通信协议HEX编写串口通

29、信程序。第五章：总结了该系统的研发工作，并对以后的工作提出了建议。第2章 基于MSP430的数据采集系统的系统设计2.1 基于MSP430的数据采集系统的系统构建2.1.1 系统功能分析该系统主要是一个主要用于结合温度、压力、液位、流量等模拟量输出类型的传感器进行现场数据监测和处理的数据采集系统。具有一定的通用性，除了以上所列的几个传感器类型，其实对于两线制，输出为电压或者电流类型的传感器，都可利用本系统进行数据采集。本系统可以实时监测现场数据，同时如果需要，用户可以设定所监测量的上限和下限，在对应的监测数据超限时发出声光报警；具有外部驱动电路，在必要的时候，可以根据检测值驱动外部大功率器件运

30、作（如直流电机）；也可以通过RS232与PC机进行异步串口通信，实现与上位机组态软件的交互，在“组态王6.51”中进行更进一步的数据处理（如：实时报表、历史报表、趋势图绘制等）。系统的总体结构图如图2-1所示： 图2-1 基于MSP430的数据采集系统的系统结构图根据以上分析，我们得出基于MSP430的数据采集系统主要需要完成的功能有：（1）、借助于温度、压力、液位等传感器及MSP430自身集成的ADC12模块实现现场数据的采集；（2）、采集数据以及其它量的点阵LCD显示： 检测值。无查询时，系统自动循环显示各监测通道的采集值，用户需要快速查时，可以通过指定按键快速查询。 设置门限值。如用户需

31、要，可以设定某个量所需保持的上限以及下限。该设置过程通过按键及LCD显示共同模块实现。 实时时钟。用户可以通过指定按键查询当前时间。包括年、月、日、星期及时间。 （3）、超限报警。如果用户对某个检测量进行了限位设定，并且数据采集系统检测到的实际值超限，系统即发出声光报警：蜂鸣器蜂鸣，同时处于超限通道的LED灯闪烁，使用户可以快速找到发生超限的通道； （4）、外负载驱动能力。主要是指，根据所检测到的传感器信号通过放大和隔离电路驱动直流电动机转动； （5）、和上位机的异步串口通信功能。上位机软件系统基于“组态王6.51”平台，根据单片机通用通信协议（HEX）开发通信程序。组态王接收到数据采集系统M

32、CU传回的数据之可对数据进行实时报表显示、历史报表显示、进行趋势图的绘制等。2.1.2 系统的硬件原理框图 本系统的硬件原理框图如图2-2所示： 图2-2 基于MSP430的数据采集系统硬件框图硬件系统可分为以下几个模块：模块I： A/D转换模块模块II：点阵LCD显示模块模块III：按键处理模块模块IV：USART异步串行通信模块模块V： 外围驱动电路模块2.1.3 系统的工作过程本数据采集模块初始设置有8个模拟量采集通道。通道1和2位温度数据采集；通道3和4为压力数据采集；通道5和6为液位数据采集；通道7和8为流量数据采集。所用传感器既可以是电压输出，也可以是电流输出，只需在采集模块上以指

33、定方法稍作改动即可。传感器连接完毕之后，给模块上电。系统的供电模式可以有两种，第一种为外部电源供电，第二种为自带电池供电。系统供电之后，即进入基本工作状态。开始各个通道的数据采集工作。在无人干预的情况下，LCD循环输出各个采集通道所采集到的数据值。如果用户需要其它要求，可附加其它设置。主要包括三个方面：1、 监测量的门限要求。即如果用户需要控制某个量的检测值在一定的范围之内，超出这个范围需要系统报警告知用户。这时，用户可以按下功能键，选择需要设置门限的监测量，设置所需控制的上限和下限。设置之后，系统自动保存设置值。当系统检测值超限时，蜂鸣器鸣响，同时处于超限通道的LED灯闪烁；2、 外负载的驱

34、动要求。即当所检测值到达某个量，或超出某个范围之后，与该监测量相关的继电器动作，驱动电路驱动相关设备，如电机运转；3、 与上位机通信要求。上位机软件系统基于“组态王6.51”平台开发。主要用于满足用户需要的更高要求。如：历史数据的方便查询、网络发布、远程控制等。这些功能都可以在组态软件中很方便的得以实现。2.2 系统主要功能器件的介绍及选择2.2.1 单片机的选择嵌入式系统的核心是微控制器（MCU），MCU的性能如何将直接影响整个测试系统的性能。在测试系统中MCU的选择主要需要考虑以下几个方面：1、 MCU的字长和处理的速度。MCU的字长直接影响系统的数据处理速度和能力。字长越长，对数据的处理

35、能力越强，处理的速度就越高。但需要根据测量的实际工作情况和性价比综合考虑。2、 芯片内存储器的容量。大多数的MCU的片内存储器的容量都不是很大，需要用户在设计系统时外扩存储器，但有些芯片厂家的产品具有相对较大的存储空间。用户在设计时可以考虑使用片内存储器比较大的MCU以简化系统设计。3、 片内外围电路。目前，很多芯片厂商根据自己生产的芯片使用的不同领域，在芯片内扩展了相关的功能模块，我们称之为片内外围电路。如USB接口电路、LCD控制器、ADC和DAC等。因此，设计者应该尽可能的选用片内外围电路来完成所需的功能，这样既可以简化电路设计，同时又提高了系统的可靠性。我们在选用芯片时应尽量选择片内外

36、围模块丰富的MCU。4、 系统工作环境的影响。对于不同的工作环境应选用不同的MCU。本测试系统既可以采用外部电源供电，又同时具有自带电池供电的功能。因此，应选择低功耗的MCU。综合上述MCU的选择原则，我们在本系统中选用TI公司的MSP430系列单片机。TI公司的MSP430系列单片机是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。本监测系统选用了MSP430F44X系列中的F449作为核心处理器。现将MSP430F44X系列单片机简单情况介绍如下：（1） 特点l 低工作电压：1.83.6V。l 超低功耗：活动模式 280A 1MHz，2.2V； 待机模式 1.1A； 掉电模式（RAM数据保持） 0

37、.1A。l 有5种节电模式。l 从待机到唤醒的响应时间不超过6s。l 12位的A/D转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性。l 16位精简指令结构(RISC)，125ns指令周期。l 具有3个捕获/比较寄存器16位定时器：定时器A和定时B。l 串行通信可软件选择UART/SPI模式。l 片内比较器配合其它器件可以构成斜边A/D转换器。l 可编程电压检测器掉电检测器。l 可在线串行编程，不需要外部编程电压。l 驱动液晶的能力可达160段。l 可编程的保密熔丝保护设计者代码。l FLASH存储器多达60KB，RAM多达2KB。l 该系列常见的的有3个器件：MSP430F447，MSP430F448，MSP430F449。l l l By-gnksguybb（2） 结构MSP430F44X系列单片机的结构如图2-3所示：图2-3 MSP430F44X系列单片机结构框图图2-4 MSP430F44X系列单片机引脚