基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

-.z西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Amulti-channeldatadetectionsystembasedonMCU-.z畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕任務(wù)書班級(jí)學(xué)生**學(xué)號(hào)發(fā)題日期：2完成日期：題目基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1、本論文的目的、意義溫度壓力液位流量是工業(yè)自動(dòng)化常見控制參量，實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)與控制是根底性工作，也是機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的根底內(nèi)容。本課題要求學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手能力，在前人工作根底上，改良完善，實(shí)現(xiàn)多通道模擬工業(yè)溫度壓力液位信號(hào)采集和處理顯示，實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警和電磁繼電器和開關(guān)通斷控制。該課題對(duì)于機(jī)電測(cè)控實(shí)驗(yàn)中心完善實(shí)驗(yàn)建立具備價(jià)值。2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)〔1〕查閱收集資料、熟悉設(shè)計(jì)原始資料、完成相關(guān)不少于10000個(gè)字符的外文資料翻譯?！?〕完成畢業(yè)實(shí)習(xí)調(diào)研以及實(shí)習(xí)報(bào)告的撰寫?！?〕現(xiàn)有溫度壓力液位流量監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)調(diào)研和資料搜集?！?〕多路參量監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)?！?〕接口電路板制作和加工。〔6〕實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)與調(diào)試?！?〕完整程序和實(shí)物一套?！?〕整理完成不少于24000字的畢業(yè)論文。3、論文各局部內(nèi)容及時(shí)間分配：〔共12周〕第一局部 調(diào)研準(zhǔn)備和資料搜集 〔2周〕第二局部 方案設(shè)計(jì)和元器件采購 〔2周〕第三局部 硬件制作 〔3周〕第四局部 軟件調(diào)試 〔3周〕第五局部 系統(tǒng)集成，撰寫畢業(yè)論文 〔1周〕評(píng)閱及辯論 評(píng)閱辯論 〔1周〕備注指導(dǎo)教師：年月日審批人：年月日摘要隨著電子計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷開展和完善，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有自動(dòng)化和無人值守的特點(diǎn)。在許多工業(yè)測(cè)控機(jī)械、醫(yī)療儀器以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中，都對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與功耗提出了更高的要求：即在滿足微功耗、微型化的總體設(shè)計(jì)原則根底上，又要能實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的變化。這就對(duì)系統(tǒng)的功耗、采樣速度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸速度等提出了更高的要求。然而，隨著半導(dǎo)體與微控制器技術(shù)的飛速開展，各種微電子器件的性能不斷提高，功耗卻不斷降低。技術(shù)的進(jìn)步使得高速度、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集與顯示、處理系統(tǒng)采用TI公司研制的MSP430系列超低功耗單片機(jī)作為核心控制元件，實(shí)現(xiàn)了8通道模擬量數(shù)據(jù)的采集、自動(dòng)循環(huán)顯示、用戶查詢、限位設(shè)定及報(bào)警、外圍驅(qū)動(dòng)能力、時(shí)間顯示、以及和上位機(jī)組態(tài)軟件的通信功能。該系統(tǒng)功能齊全，且具有一定的通用性。主要研究內(nèi)容如下：首先，分析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，以及MSP430系列低功耗單片機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用情況。其次，分析了研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義，在此根底上給出了基于MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。比擬詳細(xì)的介紹了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，包括電源電路、按鍵電路、復(fù)位電路、點(diǎn)陣LCD顯示電路、LED指示燈和蜂鳴器報(bào)警電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和USART異步串行通信電路等電路的原理圖設(shè)計(jì)。最后詳細(xì)的介紹了基于C語言的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。其中，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)。設(shè)計(jì)過程采用了模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想。文中第4章前6小節(jié)詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中各個(gè)模塊軟件設(shè)計(jì)過程。其中和組態(tài)王的串口通信程序設(shè)計(jì)是最有創(chuàng)新性的內(nèi)容；第7小節(jié)介紹了這些模塊之間的輸入、輸出等關(guān)系，并最終給出了主處理程序的構(gòu)造框架。本設(shè)計(jì)的最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集及顯示、查詢、報(bào)警等功能均能順利實(shí)現(xiàn)；與組態(tài)王的串口通信程序設(shè)計(jì)取得了明顯的成果。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集MSP430串行通信-.zAbstractWithdevelopmentofputerandinformationtechnology,usingofMCUinadatadetectionsystemisbeingmoreandmorepopular.DatadetectionsystemwithMCUhascharacterofautomatedandunattended.Real-timeandlowerpowerconsumptionisdemandedinmanyindustrialmeasurementandcontrolmachinery,medicalequipmentandconsumerelectronicsproducts:principleofoveralldesignisnotonlymeetmicro-powerconsumptionandminiaturizationbutalsoreflectreal-timedatachangeswhenthescenechanges.Thismakeahigherdemandofthesystem’spowerconsumption,samplingspeed,datastoragespeedandtransmissionspeed.Withtherapiddevelopmentofsemiconductorandmicrocontrollertechnology,performanceofmicroelectronicdevicesisimprovedbutthepowerconsumptionisreduced.Advancesintechnologymakehigh-speed,lower-powerdatadetectionsystemcanberealized.ThedatadetectionandprocessingsystemdesignedinthispaperuseTI’sMSP430asthecoreelement,whichachievesthefunctionssuchas:8-channelanalogdatadetection,automaticcycledisplay,userqueries,setthelimitandgivealarm,todrivethee*ternaldevices,showtimeandmunicatewithPC(throughKingView6.51).Thesystemhasenoughfunctionsandismonality.Maincontentsareasfollows:First,analysestheresearchstatusquoofthedatadetectionsystemathomeandabroad.Second,analysesthepracticalsignificanceofdatadetectionsystem,onbasisofthis,wegiveadatadetectionsystemdesignprogrammewhichbasedonMSP430.Wedetailthesystem’sstructuraldesignandhardwarecircuitdesign,includingpowercircuit,buttoncircuit,resetcircuit,dot-matri*LCDdisplaycircuit,LEDandbuzzeralarmcircuit,motor-drivencircuitandUSARTmunicationcircuit,Finally,giveadetailintroductiontodesignasoftwaresystembasedonClanguagetorealizethewholefunction.Thesoftwaredesignisthekeyworkofthisdesign.Thewholedesignprocessingbasedonaconceptcalled“modulardesign〞.InChapter4thefirstsi*sectionsdetaileverymodule’sdesigningprocess.SerialmunicationproceduresdesignbetweenKingViewandMSP430isbelievedtobethemostinnovativecontentinthispaper;insection7,inputandoutputrelationsamongallthemodulesisanalysed.Andfinally,Igivethemainprogram’sstructuralframework.Finaltestresultsshowthatdatadetectionanddisplay,queryandalarmfunctioncanrunssmoothly;serialmunicationdesignbetweenKingViewandMSP430haveachievedremarkableresults.keywords：datadetectionMSP430serialmunication-.z目錄第1章緒論11.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述11.1.1嵌入式系統(tǒng)概述31.1.2嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介31.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開展方向31.3本文研究的主要內(nèi)容及組織構(gòu)造7第2章基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)62.1基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)建62.1.1系統(tǒng)功能分析62.1.2系統(tǒng)的硬件原理框圖72.1.3系統(tǒng)的工作過程82.2系統(tǒng)主要功能器件的介紹及選擇82.2.1單片機(jī)的選擇82.2.2傳感器簡介112.2.3AD轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)造介紹112.2.4LCD顯示模塊的選擇14上位機(jī)處理系統(tǒng)軟件的選擇15第3章基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)173.1電源電路的設(shè)計(jì)173.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)183.3模擬量采集電路的設(shè)計(jì)183.4圖形點(diǎn)陣LCD顯示電路193.5按鍵處理電路203.6串行通信電路設(shè)計(jì)213.7報(bào)警系統(tǒng)及外圍驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)233.7.1報(bào)警電路設(shè)計(jì)233.7.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)243.8單片機(jī)電路設(shè)計(jì)24第4章基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)264.1系統(tǒng)時(shí)鐘模塊的初始化設(shè)置284.2模擬量采集模塊軟件設(shè)計(jì)284.2.1轉(zhuǎn)換模塊的初始化設(shè)置284.2.2轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取284.2.3轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的格式化304.2.4ADC12模塊的啟動(dòng)314.3輸入模塊的軟件設(shè)計(jì)324.3.1輸入模塊的初始化設(shè)置324.3.2中斷處理程序344.4顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)42LCD初始化設(shè)計(jì)424.4.2LCD顯示設(shè)計(jì)434.5串行通信模塊的軟件設(shè)計(jì)454.5.1組態(tài)王與單片機(jī)的通信協(xié)議464.5.2單片機(jī)通訊程序設(shè)計(jì)494.6報(bào)警系統(tǒng)及外圍驅(qū)動(dòng)電路模塊的軟件設(shè)計(jì)564.6.1報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)574.6.2外圍驅(qū)動(dòng)模塊的軟件設(shè)計(jì)584.7主處理模塊程序設(shè)計(jì)60第5章系統(tǒng)的調(diào)試及運(yùn)行635.1系統(tǒng)實(shí)物電路的搭建635.2下位機(jī)設(shè)計(jì)功能調(diào)試635.1和組態(tài)王6.51串口通信的調(diào)試63結(jié)論68致謝69參考文獻(xiàn)70附錄1：電路原理圖71附錄2：程序72附錄3：實(shí)習(xí)報(bào)告72-.zresult8=(int)(((2.5*result8)/4096-0.986)/0.0000355);for(tmp=0;tmp<4;tmp++){results1[iq1]=result1%10;//溫度一iq1=iq1+1;iq1=iq1%4;result1=result1/10;………………results[iq8]=result8%10;//流量二iq8=iq8+1;iq8=iq8%4;result8=result8/10;}}以上處理程序中，result*是實(shí)際要利用的數(shù)據(jù)格式〔兩位整數(shù)局部，兩位小數(shù)局部〕，數(shù)組results[]用來存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的各位數(shù)據(jù)。主要是為了在以后的LCD顯示局部能夠方便的取出逐位顯示。4.2.4ADC12模塊的啟動(dòng)ADC12模塊的啟動(dòng)函數(shù)，用以在程序適當(dāng)位置啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。程序如下：voidstart_ADC12(){ADC12CTL0|=ADC12SC;//啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換adc_Flag=0;//設(shè)置標(biāo)志，表示正在轉(zhuǎn)換中}4.3輸入模塊的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入模塊主要是指行列矩陣掃描鍵盤。在第三章中介紹鍵盤電路設(shè)計(jì)時(shí)候，已經(jīng)較詳細(xì)的說明了鍵盤的電路設(shè)計(jì)以及工作原理。這里再詳細(xì)說明系統(tǒng)對(duì)鍵盤的功能需求以及軟件實(shí)現(xiàn)方法。這里采用定時(shí)器B以0.125s的循環(huán)速度使行線P1.1和P1.3循環(huán)置0，來檢查是否有按鍵按下，假設(shè)檢查到有按鍵按下，則系統(tǒng)進(jìn)入端口中斷復(fù)位程序，根據(jù)按下的鍵值進(jìn)展對(duì)應(yīng)的中斷處理。程序流程圖如下：圖4-3輸入模塊流程圖圖4-3輸入模塊流程圖該模塊主要包括對(duì)定時(shí)器B和端口中斷的處理。下面具體分析該模塊的程序設(shè)計(jì)。4.3.1輸入模塊的初始化設(shè)置該局部主要完成端口的初始化和定時(shí)器B的初始化。下面為初始化局部的代碼程序。1、端口初始化程序：voidInit_INPUTPort(void){//將管腳在初始化的時(shí)候設(shè)置為輸入方式P1DIR=0;P1SEL=0;P1SEL|=BIT2//除P1.2外〔另有所用〕，所有的管腳設(shè)置為一般I/O口P1DIR&=~(BIT4);………………P1DIR&=~(BIT7);//將P1.4P1.7設(shè)置為輸入方向，鍵盤的列線P1DIR|=BIT1;P1DIR|=BIT3;//將P1.1和P1.3設(shè)置為輸出方向P1IE|=BIT4; //管腳P1.4使能中斷P1IES|=BIT4; //對(duì)應(yīng)的管腳由高到低電平跳變使相應(yīng)的標(biāo)志置位………………P1IE|=BIT7; //管腳P1.7使能中斷P1IES|=BIT7; //對(duì)應(yīng)的管腳由高到低電平跳變使相應(yīng)的標(biāo)志置位return;}程序中，鍵盤列線被設(shè)置為輸入方向，只能讀該端口的數(shù)據(jù)；行線被設(shè)置成輸出方向，該端口可讀可寫，可用定時(shí)器B使其循環(huán)輸出上下電平，以監(jiān)測(cè)按鍵事件。2、定時(shí)器B的初始化程序：voidInit_TimerB(void){TBCTL=TBSSEL0+TBCLR;//選擇ACLK=32768HZ，去除TARTBCCTL0=CCIE;//TBCCR0中斷允許TBCCR0=4096; //時(shí)間間隔為0.125sTBCTL|=MC0;//增記數(shù)模式}由以上程序可以看出，通過設(shè)置TBCTL可以設(shè)置定時(shí)器B的時(shí)鐘源選擇，設(shè)置TBCCR0來確定時(shí)間間隔，用戶可以根據(jù)自己的需要調(diào)整相應(yīng)存放器的值以滿足自己的要求。在這里由于選擇的時(shí)鐘源頻率為32768KHz，并為增計(jì)數(shù)模式，所以定時(shí)時(shí)間為4096/32768=0.125s。4.3.2中斷處理程序該局部主要是定時(shí)器B中斷和端口中斷處理兩個(gè)局部。定時(shí)器B中斷主要負(fù)責(zé)設(shè)置行線的電平，使系統(tǒng)處于按鍵輸入狀態(tài)。端口中斷主要是負(fù)責(zé)判斷哪個(gè)列線上有按鍵輸入，從而獲得數(shù)據(jù)。下面給出局部的程序代碼。定時(shí)器B中斷效勞程序。該局部代碼主要完成循環(huán)將相應(yīng)的行線設(shè)置為低電平和高電平，使系統(tǒng)處于按鍵輸入狀態(tài)。*pragmavector=TIMERB0_VECTOR__interruptvoidTimerB_ISR(void){switch(PORT_count){case0:{PORT_count=1;P1OUT|=BIT3;//p1.3設(shè)置為高電平P1OUT&=~(BIT1);//p1.1設(shè)置為低電平break;}case1:{PORT_count=0;P1OUT|=BIT1;//p1.1設(shè)置為高電平P1OUT&=~(BIT3);//p1.3設(shè)置為低電平break;}default:break;}}上面程序中，PORT_count用來標(biāo)記按鍵所按下的行號(hào)，與下面的端口中斷效勞程序配合使用就可以得到按下的鍵的位置。端口中斷效勞程序。該模塊主要用來判斷哪根列線出現(xiàn)了低電平，從而獲得輸入值。下面為局部程序代碼：*pragmavector=PORT1_VECTOR__interruptvoidPORT_ISR(void){Delay_ms(50);//消除延時(shí)抖動(dòng)if(P1IFG&BIT4)//P1.4列線上有按鍵輸入{P1IFG&=~(BIT4); //去除中斷標(biāo)志位Delay_ms(1);//消除抖動(dòng)switch(PORT_count)//獲得輸入值{case0:PORT_INPUT=10;//FUN_Key鍵，功能鍵/*所需要的處理動(dòng)作*/break;case1:PORT_INPUT=11;//T_Key鍵，用以顯示"時(shí)間"/*所需要的處理動(dòng)作*/break;default:break;}}elseif(P1IFG&BIT5)//P1.5列線上有按鍵輸入{}elseif(P1IFG&BIT6)//P1.6列線上有按鍵輸入{}else//P1.7列線上有按鍵輸入{}}//端口中斷效勞程序完畢由以上程序可以看出，鍵值判斷的具體過程是這樣的：進(jìn)入端口中斷效勞程序之后，首先是用if—else語句判斷是哪個(gè)口產(chǎn)生了中斷。判斷出中斷入口之后，去除相應(yīng)的中斷標(biāo)志位P1IFG.*，然后再結(jié)合在定時(shí)器B中斷效勞程序中所記錄的PORT_count值來選擇確定按鍵所處的位置。比方：如果當(dāng)前的中斷入口是P1.4，同時(shí)假設(shè)PORT_count==0，則由定時(shí)器B中斷效勞程序可以得知，當(dāng)前P1.3=0，P1.1=1，則用戶按下的鍵是FUN_Key〔參照鍵盤電路圖〕。其它判斷以此類推。限于文章篇幅，以上程序只簡單給出了P1.4口產(chǎn)生中斷時(shí)鍵值的判斷過程。其余各口P1.5、P1.6、P1.7都與P1.4口的判斷方法一樣。然而，對(duì)于本系統(tǒng)來說，我們的目的不是簡單的判斷是哪個(gè)鍵被按下了，然后獲取鍵值，而是要求當(dāng)有鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)要根據(jù)被按下的鍵做出相應(yīng)的反響〔主要是指LCD的顯示動(dòng)作〕，編寫控制這些反響的程序代碼是編寫端口效勞程序的主要工作。為了比擬清楚的了解本系統(tǒng)輸入中斷效勞程序和主程序之間的構(gòu)造關(guān)系，請(qǐng)先參看下列圖4-4：圖4-4輸入模塊與主程序構(gòu)造關(guān)系圖圖4-4輸入模塊與主程序構(gòu)造關(guān)系圖如上圖所示，主程序是一直處于循環(huán)狀態(tài)的。當(dāng)有按鍵按下，程序進(jìn)入“有輸入分支〞并進(jìn)入中斷承受按鍵輸入信息，接收完畢之后，根據(jù)新信息更新循環(huán)輸出內(nèi)容；假設(shè)無輸入，則程序依據(jù)原有信息不斷循環(huán)。下面將分別說明各個(gè)按鍵的功能及其程序設(shè)計(jì)。FUN_Key鍵：功能鍵。這個(gè)鍵主要是用來設(shè)置各個(gè)檢測(cè)通道的上限和下限的。當(dāng)按下1次時(shí)，LCD進(jìn)入限值設(shè)定頁面；這時(shí)，再用Up_Key鍵和Down_Key鍵選擇所需要設(shè)置的通道號(hào)；選定完畢之后，按FUN_Key鍵確認(rèn)，LCD進(jìn)入該通道的上下限設(shè)置頁面，再用Up_Key鍵和Down_Key鍵選擇所需設(shè)置的限位，F(xiàn)UN_Key鍵確認(rèn)；最后，用Up_Key鍵和Down_Key鍵設(shè)置限位數(shù)據(jù)。設(shè)置完畢后，進(jìn)入主程序循環(huán)。這個(gè)過程可以用下列圖4-5來描述：圖4-5限值設(shè)置流程圖圖4-5限值設(shè)置流程圖由上圖可以看出，F(xiàn)UN_Key鍵的功能是通過FUN_Key的值來判別的，所以就可以在FUN_Key鍵動(dòng)作時(shí)，賦以變量FUN_Key不同的值，其它程序則可以根據(jù)變量FUN_Key的值的不同來判別需要什么動(dòng)作。如上分