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1、摘 要现在机务段的检修设备中的电气控制和监控器繁琐，不能有效的显示和控制设备进行精确的操作。大多数设备没有联网，各设备的操作结果必须由操作人员填写表格，递交车间主管，最后才能交给机务段管理人员。手续繁杂，效率低下，不能及时准确的将生产情况反馈到管理部门。“机务段设备管理信息系统”首次在国内对机务段目前使用的各种检修设备进行信息化改造，对所有检修数据进行处理并发送上网，做到无纸化作业，保证了检修数据的科学性和可靠性，并实现了数据共享。该系统对于实现机务段的科学管理、保证检修质量、降低检修成本都起到了关键的作用。该系统以AT89C51单片机为主控器，通过扩展A/D接口，键盘输入，数据处理，数据显示
2、以及系统报警等相关设备实现多路数据采集和监测的原理与结构。本系统采用双CPU控制方式，多路数据采集方式有远端CPU控制，本地单片机控制远端CPU，双机间通讯以RS-232C标准进行通讯。实践证明，系统设计是可行的，并且系统性能可靠, 实时性好, 实用性强。关键词：数据采集 A/D转换 RS-232C目录一系统的设计概述21.1开关量的检测21.2数字量采集与处理31.3模拟量的检测3二传感器的选用4三硬件系统的设计53.1 AT89C51与存储器芯片2764和6264的扩展53.1.1单片机AT89C51的性能及特点53.1.2扩展芯片（2764和6264）的性能及特点73.1.3地址锁存器选
3、择93.1.4 A/D 转换器选择103.2 开关量的输入设计113.3 脉冲量的输入设计113.4 MAX232实现串行通信12四软件设计134.1主程序134.3开关量采集程序154.4 脉冲量采集程序154.5 A/D转换程序16（4） PC机与单片机AT89C51的串行通信初始化程序17总 结18参考文献19一系统的设计概述本系统是一个基于网络通信（包括以太网通信和485总线网络通信）的设备数据采集和监控系统，主要有服务器、以太网络、上位机监控系统、485总线网络、设备数据采集以及通信系统和系统管理对象组成。该系统还是集网络通信技术、单片机技术、数据库技术和汇编语言程序设计于一体的工程
4、，这些技术相互联系，相互交叉共同作用于此项任务。本次设计的主要任务是为了实现机务设备检修数据采集。设备数据采集部分要求采集的数据分三类：1. 开关量的检测；2. 脉冲量的检测；3. 模拟量的检测。1.1开关量的检测 开关量采集包括事件顺序记录（SOE）型开关量和普通型开关量两种。SOE型开关量信号指事故信号、断路器分合及重要继电保护的动作信号。监控系统采用中断方式迅速响应这些信号并进行记录优先传递。普通型开关量信号是指除SOE型开关量信号以外的那部分开关量信号，包括各类故障信号、隔离开关的位置信号、设备运行状态信号、手动自动方式选择的位置信号等。监控系统对这些信号的采集为扫查方式。对开关量信号
5、的处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断、启支相关量处理功能（如启支事件顺序记录、发事故报警、画面自支推出以及自支停机等），最后经格式经处理后存入实时数据库。1.2数字量采集与处理数字量信号主要指水位等BCD码输入量。采用多点开关量并行采集，然后转换为相应模拟量数值。对数字量的处理包括光电隔离、数字滤波、码制变换、数据有效性合理性判断、标度变换等，以格式化处理后存入实时数据库。1.3模拟量的检测模拟量分为电气模拟量、非电气模拟量及温度量。对模拟量信号的处理包括回路断线检测、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判断、标度换算、梯度计算、越复限判断及越限报警，最后经格
6、式化处理后存入实时数据库。数据采集系统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、显示、绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。在这个过程中主要用到信息采集板，信息采集板包括CPU、RS2
7、32讯通接口、RS485通讯网络接口等，信号采集获得开关量和经过标准化处理的传感器信号，进行信号采集，并经过数学处理，然后进行图文显示、储存和网络通讯。系统硬件总体框图如图1-1所示：AT89C51并行接口芯片隔离电路脉冲量开关量A/D转换多路开关传感器信号调理LED显示器矩阵键盘图1-1 系统硬件总体框图二传感器的选用铂金温度传感器具有高精确度及高安定性，在-200600之间亦有很好的线性度。一般而言，铂电阻温度传感器pt100感温电阻在低温-200-100间其温度系数较大；在中温100300间有相当良好的线性特性；而在高温300500间其温度系数则变小。由于在0时，铂金pt100电阻值为1
8、00，已被视为金属感温电阻的标准规格。铂电阻Pt100感温电阻值与温度间之关系式，可表亦为：(1)低温-2000间：(2)高温0500间而对于铂电阻Pt102感温电阻与温度间之关系式，由于其在0时之电阻值为R(0)=10102 W=1 kW故 图2-1 0500温度测量电路三硬件系统的设计3.1 AT89C51与存储器芯片2764和6264的扩展3.1.1单片机AT89C51的性能及特点AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称
9、单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51的逻辑电路如图3-1-1所示。1主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM两个16位定时器/计数器 可编程串行通道 5个中断源 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 图3-1-1 AT89
10、C51的逻辑电路2管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八
11、位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写
12、入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG
13、：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储
14、器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部
15、时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作.但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.2扩展芯片
16、（2764和6264）的性能及特点读方式是 2764A 通常使用的方式，此时两个电源引脚VCC 和VPP 都接至+5 V，PGM接至高电平，当从2764A的某个单元读数据时，先通过地址引脚接收来自CPU的地址信号， 然后使控制信号和CE、OE 都有效，于是经过一个时间间隔，指定单元的内容即可读到数据总线上。下图3-1-2是2764ROM电路连接原理图。图3-1-2 2764连接原理图6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造。A12A0（address inputs）：地址线，可寻址8KB的存储空间。D7D0（data bus）：数据线，双向，三态。（output
17、enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。（write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。（chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。CE2（chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。VCC：+5V工作电压。GND：信号地。6264RAM电路连接原理图如图3-1-3所示图3-1-3 6264RAM电路连接原理图3.1.3地址锁存器选择选用74LS373锁存器，373 的输出端 O0O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态
18、，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。74LS373管脚图如图3-1-4所示。图3-1-4 74LS373 管脚图引出端符号：D0D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端O0O7 输出端3.1.4 A/D 转换器选择AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少
19、，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下： 分辨率：12位非线性误差：小于1/2LBS或1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种电源电压：15V和5V数据输出格式：12位/8位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式AD574A的引脚说明： 1.Pin1(+V)+5V电源输入端。2.Pin2()数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。3.Pin3()片选端。4.Pin4(A0)字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式
20、。须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接 5.Pin5()读转换数据控制端。6.Pin6(CE)使能端。7.Pin7(V+)正电源输入端，输入+15V电源。8.Pin8(REF OUT)10V基准电源电压输出端。9.Pin9(AGND)模拟地端。10.Pin10(REF IN)基准电源电压输入端。 11.Pin(V-)负电源输入端，输入-15V电源。12.Pin1(V+)正电源输入端，输入+15V电源。13.Pin13(10V IN)10V量程模拟电压输入端。14.Pin14(20V IN)20V量程模拟电压输入端15.Pin15(DGND)数字地端。16.Pin16Pin27(DB
21、0DB11)12条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。17.Pin28(STS)工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明AD574A的接口电路下图3-1-5是8051单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由(、和A0)有8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051，所以接地。当8051的p
22、3.0查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低4位读进8051。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连。图3-1-5 8051单片机与AD574A的接口电路3.2 开关量的输入设计对开关量的采集电路相对比较简单，因为开关量的状态只有0和两种，所以只要用一个单片机的并口就可以了，这里用的是P1口。 3.3 脉冲量的输入设计脉冲量经光电耦合器去除干扰后送入AT89C51单片机。脉冲量的输入电路如图3-1-6所示：图3-1-6 脉冲量
23、的输入电路 3.4 MAX232实现串行通信 此本系统采用美国电子工业协会EIA制定的串行总线的物理接口标准RS-232-C，其逻辑电平对地是对称的，采用负逻辑。完全与TTIMOS电平不同。逻辑0电平规定为+5V+15V之间，逻辑1规定为-5V-15V之间，因此RS -232C驱动器与TIZ,电平连接必须经过电平转换。该标准最大传输率是20Kb/s，最大传输距离为1 s/m。此本系统采用MAX232芯片进行RS-232-C和TTL之间的电平转换。MAX232线路驱动器接收器适用于噪声严重环境下的RS-232通信，它有2个驱动器和2个接收器，每个发送器的输入和接收器的输入无需封闭均可抗士15kV
24、的静电放电冲击。通讯电路。其“R1 OUT”和“T l IN”分别接在AT89C51的RXD和TXD脚上。MAX232的接线图如图3-1-7所示。图3-1-7 MAX232的接线图 四软件设计4.1主程序 ORG 0000HAJMP MAINORG 1000HMAIN: NOP NOP NOP NOP MOV 03H,#00H MOV 04H, #00H MOV 05H,#00HKGLPD: JB 03H, CJKGL SJMP KGLPDMCLPD: JB 04H, CJMCL SJMP MCLPDMNLPD: JB 05H, CJMNL SJMP MNLPD开始系统初始化采集模拟量采集完否
25、？NY采集开关量采集完否？NY采集脉冲量采集完否？NNY结束Y图4- 1 主程序流程图4.2 模拟量采集程序8路的模拟量采集系统，由单片机AT89C51，8路模拟开关DG508、模数转换器AD1674完成数据的采集及转换。模拟量的采集流程图如图4-2所示。Y启动A/D（=R/=0,CE=1）读STS状态转换结果允许输出（=0,CE=R/=0）通过8051P0口分别读出12位转换结果存入缓冲地址指针赋值置起始通道数开始NMOV DPTR, #0700MOVX DPTR, ASETB P3.3LOOP: JB P3.3 LOOPINC DPTRMOVX A, DPTRMOV 41H, AINC D
26、PTRINC DPTRMOVX A, DPTRANL A, #OFH MOV 40H, A RETI返回图4- 2 模拟量的采集流程图4.3开关量采集程序开关量的采集流程图如图4-3所示：开始=0 74LS24工作？开关信号集返回YN图4- 3 开关量的采集流程图CJKGL: NOP ;延时 CLR EA ;关中断 MOV DPTR,#BF00H ；数据指针指向BF00H CLR C ;计数器置0 MOVX A, DPTR ;DPTR所指地址中的数送A中 MOV 03H, A ;A中的数放入内部RAM中 RLC A ;循环左移， JC PDIKG ;有进位则到PDIKGPDIKG: RLC A
27、 JC PDIKG SETB 03H LJMP PDIKG 4.4 脉冲量采集程序由于脉冲量可以直接被单片机识别，所以不需要任何转换环节，仅需要进简单的隔离处理即可进入单片机。其处理程序如下，PAUSEE0:JNB P3.2, PAUSE0 ; 若=0,往下执行；PAUSE1:JB P3.2,PAUSE ; 若=1,不往下执行；RET ; 返回主程序执行下一条指令； 4.5 A/D转换程序 LCALL DELAY SETB P3.3D2: MOV A,41H MOVC A+DPTR MOV P1,A CLR P3.4 LCALL DELAY SETB P3.4D1: MOV A,40H MOV
28、C A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.5 LCALL DELAY STEB P3.5 RETTAB: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DH, 7DH, 07H DB 7FH, 6FH, 77H, 7CH, 39H, 5EH, 79H, 71HDELAY: MOV R7,#3DD1: MOV R6,#3DD2: DJNZ R6,DD2 DJNZ R7,DD1 RET END （1） A/D转换程序 ORG 0000H SJMP MAINMAIN: MOV A,#00H MOV 40H,A MOV 41H,A MOV 42H,ASTART: LCALL A
29、D LCALL DISP SJMP STARTAD: MOV R0，#0FCH MOVX R0，AWAI0： JB P2.3，WAI0 INC R0 INC R0 MOVX A,R0 MOV 30H,A RETDISP: MOV DPTR,#TAB MOV A,30H ANL A,#0F0H SWAP A MOV 42H,A MOV A,30H ANL A,#0F0H MOV 41H,A MOV A,32H ANL A,#0F0H SWAP A MOV 40H,A D3: A,42H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.3（4） PC机与单片机AT89C51的串行通信初
30、始化程序RECIVE: MOV A, SBUFCLR RI CJNE A,#52H,RE MOV A,#59H MOV SBUF,A SJMP ENDTRRE: MOV R1，A INC R1 SJMP ENDTRSEND: MOV A,R0待添加的隐藏文字内容3 MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI INC TI INC R0ENDTR: RETI ORG 0000HAJMP STARTORG 0023HLJMP S&RORG 0100H START: MOV TMOD,#20H MOV PCON,#00H MOV TL1，#0FDH MOV TH1，#0FDH SETB E
31、A CLR TI SETB ES MOV SCON,#50H SJMP $ S&R: MOVC RI JCREIVE SJMP SEND总 结从前面的设计说明书中，我们得到了如何从进行数据采集和监控计算机通讯模块设计，然后通过传感器再将其输入AD 转换器中，经过系统内部的处理最终得到结果。在设计的过程中我们需要处理模拟量、数字量和脉冲量以及它们的编程，数据处理和串口通讯的设计。经过一段时间的课程设计，虽然这次是一个子系统的课程设计，由于本人在做的时候是本着对自己有实际应用价值的角度考虑的，所以其中也涉及到一些系统以外的设计，我只是想学一门真正能用到实处的课程，却意外的收获到如此多的东西。通过本
32、次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了，为以后的工作积累了经验，增强了信心。再次感谢耐心指导的老师和积极帮助的同学们，感谢大家参考文献1 周佩玲、彭虎、傅忠谦. 微机原理与接口技术D 电子工业出版社 20052 万福君、潘松峰、刘芳.MCS-51单片机原理、系统设计与应用 清华大学出版社 20083 吴炳胜、王桂梅,80C51单片机原理与应用 冶金工业出版社 20014 赵茂泰.智能仪器原理及应用（第三版） 电子工业出版社 20095 江世明.基于Proteus的单片机应用技术 电子工业出版社 2009
