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1、三 江 学 院 本科生毕业设计（论文）题 目 电气工程及其自动化院（系）电气工程及其自动化专业学生姓名 学 号 指导教师 职 称 起讫日期 2011.2.22011.5.20 设计地点 三江学院 目 录第一章 绪论11.1数据采集技术的分类11.2基于单片机的数据采集系统21.2.1基本组成21.2.2采集方式31.2.3基本要求31.3国内外研究现状41.3.1数据采集与处理的发展趋势41.3.2国内外数据采集器的应用现状5第二章 单片机在数据采集方面的研究62.1 单片机概述62.2 单片机的结构、功能及其应用72.2.1单片机的结构与功能72.2.2 单片机的各个环节的应用8第三章 数据
2、采集系统的具体应用123.1 设计任务123.2 设计方案及工作原理123.2.1 设计方案：123.2.2工作原理：123.3 系统设计要求以及解决方案123.3.1 信号采集分析133.4 硬件系统设计153.4.1 信号调理电路153.4.2 数据采集电路153.5软件系统183.5.1模数转换193.5.2数据采集程序流程图203.6实现的功能21第四章 基于Proteus仿真的软硬件设计224.1 Proteus简介224.2 简单数据采集系统的硬件设计234.2.1复位电路244.1.2 AT89C51单片机254.2.3 ADC0808模数转换器27第五章 总结与展望28结束语2
3、9致 谢30附录一 原理图32附录二 程序流程图33附录三:软件系统设计程序34第一章 绪论引言数据采集是分析模拟信号量数据的有效方法。而实时显示数据是自动化检测系统的现实需求。如在测试空空导弹导引头的过程中，导引头的响应信号包括内部二次电源信号和模拟量电压信号。检测过程中要求检测系统实时显示导引头的工作状态，显示二次电源和模拟量响应电压信号，判断导引头性能，同时保证在非常情况下人为对导引头做出应急处理，保护导引头。对于模拟量电压信号，通常采用模数转换、事后数据标定的方法实现。根据现实需求，研制相应检测系统可作为导引头日常维护和修理的重要工具。1.1数据采集技术的分类目前工业上使用的数据采集系
4、统大致可分为四类：（1）基于通用微型计算机的数据采集系统。这种系统的主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和A/D转换后的数字信号通过接口电路送入微机进行处理气然后再显示处理结果或经过A/D转换输出。它主要有以下几个特点:系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系统进行操作。具有自主开发能力。系统的软硬件的应用/配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时，软硬件扩展能力较好。在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高。程序在ARM中运行，易受外界干扰破坏。（2）基于单片机的数据采集系统。它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，具有如下特点:系统不具
5、有自主开发能力。因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统的软硬件应用/配置比接近于1，具有最佳的性价比。系统的可靠性好，使用方便。应用程序在ROM中运行不会因外界的干扰而破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。（3）基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统。DSP数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式，DSP数字信号微处理器与通用微处理器相比，除了它们的机构不同以外，其基本差别是数据采集系统设计处理器有能力响应和处理采样模拟信号得到的数据流，如乘法和累加求和运算。常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯
6、片，另一种是通用DSP芯片。基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下:精度高、灵活性好、可靠性高、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。(4)基于混合型计算机的数据采集系统。这是一种近年来随着8位单片机出现而在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机与单片机通过标准总线(例如RS85标准)相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形显示等任务。混合型计算机数据采集系统有以下特点:通常具有自主开发能力。系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。主机可远离现场而构成各种局域网
7、络系统。充分利用主机资源，但不会占有主机的全部CUP时间。1.2基于单片机的数据采集系统基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。1.2.1基本组成基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心，控制器件结合外围电路构成。采集系统硬件主要包括传感器、转换器、单片机、输入输出接口电路等。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集,数据处理，数据输出。数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入
8、给单片机;数据处理是由单片机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断;数据输出是将处理结果送给输出设备，进行显示、储存等操作。1.2.2采集方式一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，采集系统可分为以下几种采集（1）单通道数据采集单通道数据采集是:被采集的模拟信号只有一个。（2）多通道数据采集多通道数据来集是:被采集的模拟信号有两个或两个以上。多路A/D转换方式:这种结构由多个户以D转换芯片构成。对每路输入信号都有独立的采样保持电路5用、A/D转换电路及FO接口电路，每一路占
9、有一个通道。它常用于采集多路变化缓慢的信号，如温度变化、应变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。1.2.3基本要求(1)实时性强。系统的主要工作是对大量的过程状态参数实现定时监测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。因此，要求在硬件上必须要有实时时钟和优先级中断信息处理电路。(2)可靠性高。它是系统设计最重要的一个要求。因此，应选用高可靠性的嵌入式系统。由于数据采集系统往往是安装在被控对象的实际工作环境中，所以不仅温度、湿度变化大，而且灰尘多，腐蚀性强，为了确保控制系统的高可靠性，要求嵌入式系统有防潮、防尘、防震的能力。硬件采取冗余技术，隔离屏蔽技术等。在软
10、件设计上要可靠，利用容错技术，自诊断技术等，设置安全保护措施，如各种报警、事故预测与处理对策等。(3)通用性好，便于扩充。一台以嵌入式系统为核心的控制装置，一般可以控制多个设备和不同的过程参数。这就要求系统的通用性要尽可能地好，能灵活地进行功能扩充。如采用通用的系统总线结构。(4)设计周期短、价格便宜。由于计算机技术日新月异，各种新技术新产品不断涌现。在满足精度、速度和其他性能要求的前提下，应缩短设计周期和尽量用价格低的元器件。考虑到以上方面，做为系统核心的计算机的选择就十分关键。对于数据采集系统，单片机以它体积小、功耗小、成本低、价格廉以及控制功能强适应了这个要求，成为现代电子系统中最重要的
11、智能化工具。1.3国内外研究现状1.3.1数据采集与处理的发展趋势数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，并送到计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。 当计算机技术应用到各个领域中并取得不俗表现后，测量技术又经历了一场全面数字化的变革。传统的数据采集过程包括了:测、处、管、控四个部分，应用了计算机技术之后，这四个环节
12、的工作在时间和空间上的界限就不再那么明显了，换句话说当数据采集电路通过传感器将侧量值采集、量化之后，通过计算机接口传入计算机中利用软件来完成对大量测量数据的处理，而这一切，都因为计算机在数字信号处理方面无可比拟的优势而能够瞬间完成，数据采集硬件和软件的集成也就产生了数据采集系统的概念。 作为一个整体而言，数据采集系统的发展将受到多方面的影晌，比如:侧量技术、传感器技术、软件技术、网络技术以及在实践中不断提出的新要求，这些因素都将在很大程度上影响数据采集系统的发展。测量技术在其发展过程中，会不断产生新的测量需求，对测量数据的多样性及准确性的要求也正在逐步提高。作为信息源头的传感器对计量测试技术的
13、发展有着重要作用。在21世纪，传感器在多功能性和智能性方向的发展仍将对测量技术的发展产生深刻的影响。 现代控制技术的发展对测量技术不断提出了新要求，具体表现在:（1）随着科技的快速发展，现代生产的自动化程度在提高，技术难度在增加，采用的控制技术、控制系统的组成和方式都在不断变化，各类控制系统和装置没有完善的检侧手段是不可能适应要求的。（2）从当前世界自动化技术的发展趋势看，现代控制技术趋于全程化。即在生产(或制造)过程的全部时间领域内实现在线控制和管理.这意味着过程控制系统将提供工厂设备在其生产周期内的完整数据，以保证对每日的操作运行的优化。（3）现代控制技术应用人工智能技术(模糊逻辑、人工神
14、经网、专家系统、模式识别、遗传算法和小波分析)对生产过程参数进行测量，以提高控制精度，保证品质.（4）传统的工业控制技术主要是对设备和生产过程的控制。今天，除了复杂生产过程仍然是人们研究应用的重要对象以外，现代控制技术的应用己经扩展到企业产品的设计过程、管理过程以及企业间的资源分配和优化，如现代物流、供需链管理、电子商务等。 可见，现代控制技术对计量测试技术的发展至关重要。现代控制技术的长足发展以及它所产生的测量需求已成为测量技术发展的不竭动力，正不断地促进和推动着计量测试技术的发展.1.3.2国内外数据采集器的应用现状（1）国外数据采集器的现状随着国外徽电子技术、计算机技术、测控技术和数字通
15、信技术的发展，目前国外数据采集技术己经有了很大的发展。从近来国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展可以概括为体积小、功能多样和使用方便等三个方面。此外，数据采集器的应用特点还反映在如下几个方面: 1）它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，不仅有常用的时域分析和频域FAT分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱和时频域分析等功能;2）它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用。如法国迈威公司的MOVIr,OG数据采集器闭，就可作为一台动平衡仪来用，它不但可以做单一平面的动平衡，还可以做六个平面的动平衡;3）储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围。4）
16、可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等，形成多参数监测系统;5）数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器;6）数据采集器已经安装了LCD背光显示屏，并尽量减少了操作键，元器件高度集成化，并减轻了机器的重量，采用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工业环境。 （2）国内数据采集器的现状上世纪80年代末到90年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的有SP201, SC247型，双通道的有EG3300, YE5938型，超小型的
17、有911,902和921型。具有采集静态信号的有SMC-9012型.所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断，基本己经达到了国外数据采集器的初期水平。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距，主要表现在:1）由于振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些高速的机器或轴承的诊断等带来了一定的困难:2）由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱;3）设备的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机
18、器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成本是数据采集三个重要因素，数据采集也正朝着这几个方向发展.高速、实时数据采集在运动控制、爆炸检侧、医疗设备、快速生产过程(如石油化工过程)和变电站自动化等领域都有非常重要的应用，这些行业中，对高速数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度。用户的需求促进了技术的发展和新产品的出现，因此，数据采集仍然会有长足的发展。第二章 单片机在数据采集方面的研究2.1 单片机概述单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU，随机存储器RAM，只读存
19、储器ROM，多种I/O口和中断系统，定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。单片机作为嵌入式系统的核心器件 广泛应用于仪器仪表 家用电器 医用设备的智能化管理和过程控制等领域。单片机具有体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。新型单片机可承担数据与数值分析、信号处理、机器人智能控制, 以及图象处理等复杂任务。目前, 单片机已在自动化装置、智能化仪表、过程控制和家用电器等领域得到日益广泛的应用。单片机的应用领域可概括为以下
20、几个方面：1.自动控制MCS-96和MCS-51系列单片机指令系统极为丰富和高效，而且硬件资源也相当丰富，从而为其在控制领域中应用创造了十分有利的条件。2智能仪器仪表由于单片机具有超微型化的特点，并且具有较高的性能价格比。从而为仪器仪表的智能化提供了可能。a.数据采集系统8位单片机经简单的扩展可接受连续变化的模拟量。16位单片机片内有一个4通道的10位A/D转换器。在许多应用场合下不需要扩展即可满足要求。b.外部设备控制器计算机的外部设备五花八门，随着单片机的发展，许多外部设备都使用单片机作为控制器，使这些外部设备成为智能外部设备。如智能化键盘，智能化显示器，智能化打印机等。c.家用电器家用电
21、器是单片机生产厂家竞争非常激烈的应用领域。这个领域的应用特点是量大面广并且要求价格低廉。如电饭锅、洗衣机、电冰箱、电子玩具等。2.2 单片机的结构、功能及其应用 2.2.1单片机的结构与功能 实验室常见的8051单片机其结构如下： 一个8位中央处理器 片内振荡器和时钟电路 4K或者8KB的ROM 128B或者256B的数据存储器矩阵 32条I/O线 2个或者3个定时器/计数器 5个中断源，2个中断优先级 全双工串口8051的功能主要有：首先它是一个CPU的作用，提供数据总线、地址总线、控制总线（P0作地址/数据复用总线，P1口作I/O用，P2口用地址总线用）和产生时序CLK，起到了处理器的作用
22、；其次它还是一个存储器，还有定时、记数的作用，另外，8051有5个中断源，来完成I/O的要求；然后，8051和其他辅助芯片相连可完成数据采集和处理的作用。2.2.2 单片机的各个环节的应用（1）定时和计数功能8051系列单片机有两个工作方式：定时器、计数器，有4个工作模式，其控制字均在响应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，用户可以方便地选择适当的模式。当处于定时器方式时，定时器的输入来自内部时钟发生电路，每过一个机器周期，定时器加1，而一个机器周期包含12个振荡周期，所以，定时器的计数频率为晶振器的1/12。当处于计数器方式时，计数器对外部事件计数脉冲来自外部输入引脚。当外部输入引脚
23、发生1到0的负跳变时，计数器加1。（2）中断系统中断是指在CPU处理某些事件时，外部发生了某一事件，请求CPU马上处理，CPU暂时停止当前的处理工作，转入处理外部事件，处理完在重新返回原来中断的地方，继续执行原来的工作。串行口中断其实是两个中断：接受中断和发送中断。串行口的中断请求信号是由接受中断标志R1和发送中断标志T1经逻辑或发生的，当其中一个标志被置位时，都可以向CPU发出中断请求，但CPU并不清楚是发送中断还是接受中断，所以，要在中断服务子程序中判断这两个中断，同时需要软件对中断标志位清零。（3）和辅助器件的联合应用首先，A/D转换器的种类有很多种，主要的有；逼近式A/D转换器，双积分
24、A/D转换器忽然V/F变换A/D转换器。双积分型A/D转换器工作原理双积分型A/D转换是一种间接A/D转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制或BCD码输出。因此，双积分型A/D转换器转换时间较长，一般要大于4050ms。图2.1给出了微机控制的双积分型工作波形图。图2-1 双积分型工作波型图逐次逼近型ADC基本原理图（图2.2）：图 1.2 逼近型原理图我们主要用到的是ADC0809和AD574A这两个逼近式的A/D转换器。ADC0809的主要技术指标为；分辨率为8位，模拟电压输入范围：05V；8个模拟通
25、道可以在程序的控制下对任意的通道进行A/D转换；时钟频率为10KHZ1280KHZ，标准时钟频率（640KHZ）下的转换时间为100s;电源电压为5V，功耗为15mW。下面用ADC0809与8031接口电路图(图2.3)和AD574A与8031接口电路图（图2.4）加以说明：图 2.3 ADC0809与8031接口电路图AD574A的不同点有：分辨率为12位，转换时间快，为25s。图 2.4 AD574A与8031接口电路图其次，存储器扩展主要是程序存储器和数据存储器的扩展。紫外线擦除可编程只读EPROM可作为单片机的外部程序存储器，其典型产品有：27系列芯片。其中，CE为片选端，OE为数据输
26、出允许端，来控制是片内还是片外程序存储器；常见的外部数据存储器有静态RAM芯片6264，62128，62256等。CE仍然为片选端，OE为读允许端，WE为写允许端。用74LS373作锁存器锁存低8位地址；8051的WR和RD分别与6264的写允许端WE和读选通端OE连接，以实现读/写控制。最后，单片机在工业测试、自动化控制、仪器仪表等测量控制领域有着广泛的应用，其中的数据采集、显示、实时控制等功能都离不开人机接口技术。这里，我们用8279（可编程键盘、显示器芯片）来完成键盘输入和显示功能。8279的主要功能为：8279可以显示8或者16位LED显示器，可以和具有64个按键或者传感器的矩阵相连，
27、通过编程可以实现多种工作方式。包括：1) 键盘与显示器能同时工作2) 扫描式键盘工作方式3) 扫描式传感器工作方式4) 用选通方式送入输入信号5) 带有8字符的键盘先入先出存储器（FIFO）6) 触点回弹时两键封锁或N键巡回7) 双排8字或单个16字的数字显示器8) 可右入或左入的16字节显示RAM9) 工作方式可由CPU编程10) 可编程扫描定时、键盘送入时有中断输出这些都可以通过8279的命令字（D7、D6D0）来控制。其主要的优点：用锁存器或用8155都可以作键盘显示器的接口。但它们共同的缺点是，需要编制定时扫描显示和扫描键盘的程序，使整个系统软件变得比较复杂。而8279是一个专用的显示
28、器键盘接口，它用硬件完成对显示器和键盘的扫描。在硬件上它只占用两个地址，在软件上省去了显示和键盘扫描，大大方便了用户，使用户变得简洁、易读和模块化。其工作原理可概括为：CS为片选信号，CS=0时，8279被选通；RD、WR为来自CPU的读写信号；A0用于区别信息的特征，当A0=0时，表示输入/输出的信号均为数据；当A0=1时，表示输入/输出的信息为指令，而输出的信息是状态字。SL0SL1为行扫描输出线，用来扫描键盘和显示器，有编码和译码两种方式。RL0RL7为8根数据回复线，有键闭合为低电平。OUTA0OUTA3、OUTB0OUTB3为两组输出线，用于显示。IRQ是中断请求线，高电平有效。扫描
29、输出和回归线可以构成对键的一个扫描矩阵。当有键按下时，该键在行列中的位置加上SHIFT和CNTL的状态一起被送到FIFO存储器中，同时使IRQ变高。FIFO/传感器RAM是一个8*8RAM，在键盘和选通方式工作时，它是FIFO存储器，其输入或读出遵循先入先出的原则。此时FIFO状态寄存器存放FIFO存储器空、满、溢出等状态。当FIFO存储器有数据时，IRQ信号变为高电平。在传感器矩阵工作时，这个存储器是传感器RAM，它的每一位对应着一个传感器的状态，当传感器发生变化时，IRQ信号变为低电平。（4）另外，我们可以采用更加高效的CPU，如8XC196系列单片机。这样的芯片本身集成了A/D转换器、串
30、行接口等，因此就可以使用较少的芯片，很好的提高了系统的集成度，增强了稳定性。原理方框图如图2.5所示：8路模拟输入VER、AGND、HSO或PIS命令8选1模拟开关A/D转换器采样保持AD_TIME逻辑控制AD_RESLTAD_COMMANDMM图2.5 8XC51FX A/D转换器方框图第三章 数据采集系统的具体应用3.1 设计任务1) 一秒钟采集一次。2) 把INO口采集的电压值放入30H单元中。3) 做出原理图。4) 画出流程图并写出所要运行的程序。3.2 设计方案及工作原理3.2.1 设计方案： 1)采用8051和ADC0809构成一个8通道数据采集系统。2)能够顺序采集各个通道的信号
31、。3)采集信号的动态范围：05V。4)每个通道的采样速率：100 SPS。5)在面包板上完成电路，将采样数据送入单片机20h27h存储单元。6)编写相应的单片机采集程序，到达规定的性能。3.2.2工作原理：通过一个A/D转换器循环采样模拟电压，每隔一定时间去采样一次，一次按顺序采样信号。A/D转换器芯片AD0809将采样到的模拟信号转换为数字信号，转换完成后，CPU读取数据转换结果，并将结果送入外设即CRT/LED显示，显示电压路数和数据值。3.3 系统设计要求以及解决方案根据系统基本要求，将本系统划分为如下几个部分：1) 信号调理电路2) 8路模拟信号的产生与A/D转换器3) 发送端的数据采
32、集与传输控制器4) 人机通道的接口电路5) 数据传输接口电路数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC或其它设备）组成。系统框图如图1-1所示图3.1 一般系统框图3.3.1 信号采集分析被测电压为05V直流电压，可通过电位器调节产生。A)信号采集多路数据采集系统多采用共享数据采集通道的结构形式。数据采集方式选择程序控制数据采集。程序控制数据采集，由硬件和软件两部分组成。，据不同的采集需要，在程序存储器中，存放若干种信号采集程序，选择相应的采集程序进行采集工作，还可通过编新的程序，以满足不同采样任务的要求。如图1-3所示。图
33、1-3 程序控制数据采集原理程序控制数据采集的采样通道地址可随意选择，控制多路传输门开启的通道地址码由存储器中读出的指令确定。即改变存储器中的指令内容便可改变通道地址。由于顺序控制数据采集方式缺乏通用性和灵活性，所以本设计中选用程序控制数据采集方式。采集多路模拟信号时，一般用多路模拟开关巡回检测的方式，即一种数据采集的方式。利用多路开关（MUX）让多个被测对象共用同一个采集通道，这就是多通道数据采集系统的实质。当采集高速信号时，A/D转换器前端还需加采样/保持(S/H)电路。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有
34、多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。通常希望输入到A/D转换器的信号能接近A/D转换器的满量程以保证转换精度，因此在直流电流电源输出端与A/D转换器之间应接入放大器以满足要求。本题要求中的被测量为05V直流信号，由于输出电压比较大，满足A/D转换输入的要求，故可省去放大器，而将电源输出直接连接至A/D转换器输入端。多路数据采集输入通道的结构图1-4所示。图1-4 多路数据采集输入通道结构ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻
35、辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。B)单片机系统分析复位电路 单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51的RST引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。本系统中单片机时钟频率为6MHz则复位脉冲至少应为4us。在MCS-51单片机系列芯片中，用8051或8751芯片可以构成最小系统。因为8051和8751是片内有ROM/EPROM的单片
36、机，用这种芯片构成的单片及最小系统简单、可靠。8051构成的最小系统特点：1) 受集成度所限，只能用于小型控制单元。2) 有可供用户使用的大量的I/O口线。3) 仅有芯片内部的存储器，故存储器的容量有限。4) 8051的应用软件要依靠半导体掩膜技术植入，适于在大批量生产的应用系统中使用。3.4 硬件系统设计3.4.1 信号调理电路信号调理的任务 将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。图2-1 信号调理过程对于多通道数据采集系统的输入通道，设置多路选择开关，可降低硬件开销。如图2-1所示。为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出信号过小时，每个通道应设前置放大环节（本文
37、可不加以考虑）。3.4.2 数据采集电路把连续变化量变成离散量的过程称为量化，也可理解为信号的采样。 把以一定时间间隔T逐点采集连续的模拟信号，并保持一个时间t，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号瞬时值的一组方波序列信号，即采样信号。A) ADC0809主要性能ADC0809八位逐次逼近式AD转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。其内部结构如图2-2所示。图2-2 ADC0809内部结构B) ADC0809内部功能与引脚介绍u 逐次比较型u CMOS工艺制造u 单电源供电
38、u 无需零点和满刻度调整u 具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容u 易与各种微控制器接口u 具有锁存控制的8路模拟开关u 分辨率：8位u 功耗：15mWu 最大不可调误差小于1LSB（最低有效位）u 转换时间（）128usu 转换精度：u ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280kHz。典型时钟频率为640kHz引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图2-3所示。各引脚的功能如下：IN0IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入05V待转换的模拟电压。D0D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；
39、当CBA=111时，IN7输入。图2-3 A/DC0809引脚ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100s。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为5V。VCC、GND：供电电源端。ADC
40、0809使用5V单一电源供电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。 ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本题中选用中断接口方式。由于ADC0809无片内时钟，时钟信号
41、可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚得脉冲频率是8051时钟频率的1/6。该题目中单片机时钟频率采用6MHz,则ALE输出的频率是1MHz，二分频后为500Hz,符合ADC0809对频率的要求。由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。通道基本地址为0000H0007H。其对应关系如表2-1所示。表2-1 0809输入通道地址地址码输入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7控制信号：将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P
42、2.7控制ADC的地址锁存和启动转换。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚经或非门后，产生正脉冲作为OE信号，用一打开三态输出锁存器。START信号和OE信号的逻辑表达式为当8051通过对0000H0007H（基本地址）中的某个口地址进行一次写操作，即可启动相应通道的AD转换；当转换结束后,ADC0809的EOC端向8051发出中断申请信号；8051通过对0000H0007H中的某个口地址进行一次读操作，即可得到转换结果。3.5软件系统整个系统软件设计分为两个部分，作为主控的PC端的软件设计及作为数据
43、采集器的单片机终端节点的软件设计。系统采用模块化编程，将各部分功能分别实现，主要的功能子程序有：数据采集、部分中断子程序。主程序流程图如图3-1所示开始系统初始化调用数制转换子程序调用数据采集子程序取相应通道数据调用标度变换子程序调用数据显示子程序调用数据发送子程序图3-1 主程序流程图3.5.1模数转换中断方式使用EOC信号作为向8051的中断申请。在主程序中，向ADC发出首次启动转换信号后，并计数管理转换通道数。当检测到EOC的请求后，转去执行中断服务程序，读取转换结果，并启动下一次转换，后继续执行。图3-2为A/D转换程序流程图。YN开始定义A/D转换缓冲区首地址开中断置通道数置DPTR
44、启动转换等待中断各通道采完？中断处理返回关中断 图3-2 数据采集程序流程图：3.5.2数据采集程序流程图开始取转换量存入A/D转换数据缓冲区通道号+1缓存单元地址+1通道数-1启动下次转换返回图3-3 数据采集中断程序流程图3.6实现的功能数据采集系统，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。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
45、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，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，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物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印，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。本电路采用AT89C52的时钟电路进行数据的定时采集并且把数据上传到AD转换ADC0809转换器进行数据的转换，再把数据转存到30H单元中，实现AD定时采集功能。第四章 基于Proteus仿真的软硬件设计4.1 Proteus简介Proteus软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件， 该软件功能强大，集电路设计，制版及仿真等多种功能于一身。不仅能够对电工，电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能对微处理器进行设计与仿真，并且功能齐全界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一种新型电子线路设计与仿真软件。该软件集成了高级原理布图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动
