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1、前 言数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。在本数据采集系统的设计中为了提高系统智能化、可靠性和实用性，采用单片MCU和上位机传输的方法，即MCU运行在数据采集系统的远端，完成数据的采集、处理、发送和显示，上位机则完成数据的接收、校验及显示，同时上位机可对远端MCU进行控制，使其采集方式可选。本实验采用8051系列
2、单片机，8051系列单片机基于简化的嵌入式控制系统结构， 具有体积小、重量轻，具有很强的灵活性而且价格不高本系统现场模拟正弦波信号以及其他6路分压信号以供系统进行多路采样，采用ICL8038精密信号发生芯片产生频率可变的正弦波，然后由LM331芯片实现频率到电压的转换，之间还需对信号进行调理以符合系统要求。1 数据采集系统的基本介绍1.1数据采集系统的结构原理数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。数据采集系统的输入又称为数据的收集；数据采集系统的输出又称为数据的分配。1.2 数据采集系统的分类数据采集系统的结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见的分类方法有以
3、下几种：根据数据采集系统的功能分类：数据收集和数据分配；根据数据采集系统适应环境分类：隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统的控制功能分类：智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号的性质分类：电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入(SE)和差动输入(DE)，单极性和双极性；根据信号通道的结构方式分类：单通道方式，多通道方式。1.3 数据采集系统的基本功能数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得
4、到的数根进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视 。 1.4 数据采集系统的结构形式从硬件力向来看，白前数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散型数据采集系统。微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样保持器、AD转换器、计算机及外设等部分组成。集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成。位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。1.5数据采集系统设计的基本原则对于不同的采集对象，系统设计的具体要
5、求是不相同的。但是，由于数据采集系统是由硬件和软件两部分组成的，因此，系统设计的一些基本原则是大体相同的 。 1.6 数据采集系统的发展趋势微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面：(1)新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。(2)高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系统的广泛应用。(3)智能化传感器(Smarts nor)的发展，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的影响。(4)与微型机配套的数据
6、采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。(5)分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。2系统功能介绍系统的结构框图如图1所示。本系统执行的过程如下：传感器把采集的非电量信号转换成电压（0-5V）或电流（4-20mA）的标准信号，通过信号调理电路把模拟信号送到单片机内部的A/D 转换器，CPU 根据设定的采样周期，对多 路通道信号进行循环采集，并读取A/D 转换器转换的数字信号，进行分析计算后将实测值送到液晶上指定的位置显示，同时通过键盘控制把有用的数据及采样时间存储在ROM中。最后通过串行通讯把ROM中的数据传送到PC 机，利
7、用VB提供良好的界面和串口通信功能。图1系统的结构框图21 方案的论证2.1.1模数转换的选择A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位，10位，12位和16位等。位数越高分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器的型号很多，在精度和转换速度上差异很大。双积分A/D转换器：双积分式是一种间接式A/D转换器，优点是转换精度高，速度快缺点是转换时间长，一般要4050ms，适用于转换速度不快的场合。逐次逼近式A/D转换器：逐次逼近式的属于直接式A/D转换器，转换精度高，速度高，价格适中，是目前种类最多，应用最广的A/D转换器，典型的8位模数转换器有ADC0809。鉴于逐次逼近式A/D转换器的转换速度比
8、双积分A/D转换器快，价格适中，各类繁多，应用广泛，故本设计采用ADC0809。2.1.2 87C51的选择单片机是属于Embedded System(嵌入系统)，此系统的是把CPU 加上一些少量的内存和输出入组件(I/O)，都嵌入在一颗芯片内，再使用特定的组译和编译软件编辑程序，利用烧录器把程序储存到单芯片，如此加上一些简单的周边电路，即可变成一个控制系统。本设计中选用87C51其中内部已内建程序存储器ROM，不必再去外扩程序存储器，使用更加方便。2.1.3 显示电路LED数码管以发光二极管作为发光单元，单色，分段全彩管可用大楼，道路，河堤轮廓亮化，LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，
9、可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频文件。通过电脑下flash、动画、文字等文件，或使用动画设计软件设计个性化动画，播放各种动感变色的图文效果。LED的优点：1.体积小2.耗电量低3.使用寿命长4.高亮度、低热量5.环保 6.坚固耐用。所以在本系统中采用低功耗的LED4561A。2.1.4 电压/频率转换器 电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。所以在本系统中采用性能价格比高、外围电路简单、可单电源供电、低功耗的LM331。3 数据采集系统的硬件设
10、计3.1 数据的采集部分传感器的分类及特点:传感器根据被测物理量的不同分为温度传感器，压力传感器，湿度传感器，流量传感器等。传感器把采集的非电量信号转换成电压（0-5V）或电流（4-20mA）的标准信号，本系统采用温度传感器。 温度传感器测量物体温度的方法可分为接触式和非接触式。接触式测温法是将传感器置于与被测物体相同的热平衡中，使传感器与物体保持同一温度的测温法。实现这种方法有两种途径，一是利用介质受热膨胀的原理来检测温度，二是利用敏感元件电气参数随温度变化的特性来检测温度。非接触式测温法不必将传感器与物体接触而检测物体辐射热的测温法。实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来
11、检测温度。3.2 信号放大电路正弦信号发生模块主要采用集成函数发生器ICL8038，ICL8038函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，具有电源电压范围宽、稳定度好、精度高等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波。ICL8038及外围电路如图2所示，由8脚输入外部控制电压，调节电位器P1即可使2脚输出的正弦波信号频率发生变化，实现外部压控振荡。10，11脚之间接0.01F的振荡电容，4，5脚接电阻和电位器，调节正弦波失真度。3.2.1 ICL8038芯片简介ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯
12、片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。3.2.2 性能特点具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，298之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。3.2.3 管脚功能图2为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。脚1、12（S
13、ineWaveAdjust）：正弦波失真度调节；脚2（SineWaveOut）：正弦波输出；脚3（TriangleOut）：三角波输出；脚4、5（DutyCycleFrequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V）：正电源10V18V；脚7（FMBias）：内部频率调节偏置电压输；脚8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入；脚9（SquareWaveOut）：方波输出，为开路结构；脚10（TimingCapacitor）：外接振荡电容；脚11（V orGND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚。图2 ICL8038管脚图3.3 频率变换电路频率电压变换模块的
14、设计采用集成芯片LM331，LM331采用新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到5O V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100 dB；线性度好，最大非线性失真小于O01，工作频率低到01 Hz时尚有较好的线性度；转换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成VF或FV等变换电路，并且容易保证转换精度。本系统中的所设计的频率电压变换电路如图所示。 LM331是美国NS公司生产的性能价格比高、外围电路简单、可单电源供电、低功耗的精密电压/频率转换器集成电路。LM331动态范围宽达100dB，工作频率低到01Hz时尚有较好的线性度
15、，数字分辨率达12位。LM331的输出驱动器采用集电极开路形式，因此可通过选择逻辑电流和外接电阻来灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同逻辑电路。LM331可工作在40V40V之间，输出可高达40V，而且可以防止VCC短路。LM331的特点：保证线性：0.01（最大）；低功耗：15mW 5V；广泛的全面频率：1Hz to 100kHz ；脉冲输出兼容所有的逻辑形式；宽动态范围：100db；所以本设计选择LM331。3.4 AD转换电路A/D转换器芯片ADC0809简介 8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100
16、s左右。3.4.1 ADC0809的内部结构ADC0809的内部逻辑结构图如图3所示。图3 ADC0809内部逻辑结构 图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表1为通道选择表。表 1 通道选择表3.5单片机模块87C51采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。它结合了HMOS的高速和高密度技
17、术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，电改写光擦除的片内4kB EPROM。87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。快速脉冲编程，如编写4kB片内ROM仅需12秒。此外，87C51还可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。87C51的引脚图与功能介绍引脚说明：VCC：电源电压GND:地P0口：P0口是一组8位漏极
18、开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（II
19、L）。P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX R1），P2口输出特殊功能寄存器的内容。当Flash编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。P3口：P3是一带
20、有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表3-1所示。端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2 (外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0）P3.5T1（定时器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器都选通）表3-1RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期
21、的高电平将使单片机复位。ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（）。一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期两次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。/VPP:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，必须同GND相连接。需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA
22、端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，应该接到VCC端。XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。本系统中，采用AT89C52作为CPU处理器，充分利用其硬件资源，结合74ls373锁存器，7404 、7402、74138等数字处理芯片，连接了各个硬件模块。地址分配如下：ADC0809地址: 0111 1000 0000 0000B-0111 1111 XXXX XXXXB4 软件部分4.1 KeilUvision2简介Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UV
23、ISION）将这些组合在一起。Keil有以下几个特点：(1)全功能的源代码编辑器；(2)器件库用来配置开发工具设置；(3)项目管理器用来创建和维护用户的项目；(4)集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；(5)所有开发工具的设置都是对话框形式的；(6)真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器；(7)高级GDI(AGDI)接口用来在目标硬件上进行软件调试以及Monitor-51进行通信。4.2 主机程序设计4.2.1主程序主程序对系统进行初始化，主要是进行定时/计数的初始化，然后调用键盘扫描程序Keys_Scan()，再根据按下的键来调用向串口发送数据子程序putc_to_ser
24、ialport（）将相应的数据发送给串行口。当没有键按下时，则送一个数F给LED显示器。4.2.2向串口发送数据子程序 该程序首先将数据发送到串行口，当T1=0时，表明传送结束。4.2.3键盘扫描子程序 该程序是先将行选好，然后再选定列就可以确定到具体的哪一个按键。4.2.4 LED显示程序该子程序用的数码管动态显示方式。先将单片机的P2.7口选通进行位选,然后将位选的值发送给单片机P1口。接着将单片机的P2.6口选通进行段选，然后将要显示的数字的值发送给P0口。然后调用延时，接着将P2.7、P2.6口置0，下面是重复上面的过程，直到要显示的数字全部显示在数码上。4.2.5 主机串口接受中断子
25、程序当RI =1时，接受串口过来的数据，并对该数据进行X*05H/0FFH的处理，接下来用处理过的数据调用LED显示程序Display_Result(int d)。4.3 从机部分程序设计该部分的程序包括一个主程序、三个子程序，三个子程序分别为从机串口接受中断函数Serial_INT() interrupt 4、向串口发送数据子程序putc_to_SerialPort(uchar c)和模数转换子程序ADCON。(1)主程序主程序是进行系统的初始化，由于主从两个单片机要进行通信，所以两个单片机的初始化应该是相同的，并调用A/D转换。其流程图如图4.6所示(2)从机串口接受中断函数Serial_
26、INT() interrupt 4因为发送完成和接受到新字节都会触发串口中断，因此串口中断程序里用if(RI)来表示接受中断，然后将RI清0。再判断接受到的数据第4位是否为1，如果为1，则按照主机发送过来的通道进行采集，如果为0，则调用循环采集程序。如图4.7所示(3)模数转换子程序ADCON先要选通ADC0809，又因为ADC0809具有8个通道，利用For循环进行8次采集,接下来选择转换通道，F8HFFH用以选择输入模拟信号的通道IN0IN7的选择，首先从第一个通道开始，然后执行一条读取转换结果的指令，再将转换得到的结果送给串行口，再依次循环，将通道号自增1，直到8个通道全部转换完。其流程
27、图如图4.8所示(4)向串口发送数据子程序putc_to_SerialPort(uchar c)程序首先将数据发送到串行口，当T1=0时，表明传送结束。如图4.2所示开始初始化启动定时器1开中断调用Adcon()结束图4.6 主程序开始接收串口数据判断接受到的数据第4位是否为1YN按选定的通道号采集选定循环采集方式结束图4.7 从机串口接受中断函数Serial_INT() interrupt 4开始选定通道号开始转换转换结束将得到的数据发送给串口结束图4.8模数转换子程序ADCON5 调试结果 这个系统是一个主从式的数据采集系统。系统调试以程序为主，硬件调试应先检测电路的焊接是否正确，然后用外
28、用表检测或通电检测其是否有短路或断路。软件调试包括调试程序和对硬件准确性的调试。在整个系统中，主机用到了9个按键，按键0按下后，发送一个00H的数据给从机，而从机接收到这个信号就开始调用一个循环采集方式，然后从机采集完数据后再将转换好的数据和采集线路的通道号发送给主机并用LED数据显示器显示出来；按键1-8用于选择采集方式，分别送相应的采集线路的通道号给从机，然后再将从机转换好的数据和采集线路的通道号发送给主机并用LED数据显示器显示出来；当主机没有按键按下时，则发送一个数0给LED。结 论本系统采用集成函数发生器ICL8038产生一正弦信号，用于模拟现场需要采集的数据，产生的模拟信号精度较高
29、。87C51属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，电改写光擦除的片内4kB EPROM。87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。快速脉冲编程，如编写4kB片内ROM仅需12秒。此外，87C51还可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。系统中单片机与上位机之间采用RS 485标准接口方式进行通讯，也可采用RS 232差分方式进行传输，以改善通讯速率和传输距离。 参考文献1 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社.2009；2 杨居义，杨晓琴，王益斌等.单片机课程设计指导.清华大学出版社.2009；3 刘刚，秦永左，朱杰斌.单片机原理及应用.北京大学出版社.2006；4 林祝亮，武林.基于双单片机的多路数据采集系统设计.仪器仪表学报.2006；5 元增民，张文希.单片机原理与应用基础.国防科技大学出版社.2006；6 王琳，商周，王学伟.数据采集的发展及应用.电测与仪表.2004。
