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1、论题程控放大数据采集系统摘 要本次课题设计了一个利用程控放大技术对数据进行采集的系统。该数据采集系统包括信号的获取、放大、调理、变换、存储与处理等几个环节。系统通过两次采样完成一次数据采集过程。在第一次采集（即预采样）后，单片机对接收到的数据进行检测，确定在较小放大倍数下数据的幅值范围，从而选择相应的二次采样放大倍数，并输出到程控放大电路完成数据放大。在第二次采样中取得精确的数据，从而完成一次数据采集。放大倍数和A/D转换结果构成一个完整的数据。检测得到的数据可以暂存于扩展的数据存储器中进行简单的处理，也可以通过串口实时传送到上位机。系统的控制由简单的人机接口完成。关键词：程控 数据采集 单片
2、机 A/转换DABSTRACTThe main task of designed subject is to date with the technology of programmed-control amplifier. The system can used to gather coordinate, convert and preserve signals. CPU complete a sample process by two samples. In the fitrst sample, micro control unit checked received data for ch
3、osen properly amplifier, then output to programmed-control amplifier circle.In the next sample system get precise data preserved and tackled in extended data preserved temporately or communicated with PC. System control completed by simple person-machine interface.keyword: programmed-control data co
4、llect micro-control unit A/D目 录摘 要ABSTRACT第一章 前 言1第二章 系统构成1第三章 硬件设计 2 3.1 可控放大滤波 2 3.1.1一般放大滤波 2 3.1.2 程控放大滤波 2 3.2 AD转换3 3.2.1 ADC0809的内部结构3 3.2.2 ADC0809主要特性43.3 单片机部分 5 3.3.1 MCS51系列单片机结构53.3.2 静态存储器RAM6264 53.4 串口通讯7 3.4.1 串行口的工作原理7 3.4.2 波特率的设定7 3.4.3 电平转换MAX2328第四章 软件设计8第五章 结语8参考文献 9附 录10致 谢14
5、声 明15第一章 前 言随着微电子技术和计算机技术的发展，数据采集系统在各行各业都有广泛的应用。目前，已有各种各样高速高精度、多通道的数据采集卡问世。计算机通过卡上的模数转换器采入数据，然后进行数据存储、数据处理和图形显示等工作。其中以单片机在控制系统当中的应用最为常见，而在很多控制系统当中，特别是在工控场合，都要对模拟量进行检测1。设计一个完整，理想而又适用的数据检测系统，对实现计算机的自动控制有重要的作用。对于要设计的数据检测系统，我们应考虑该系统的实时性，准确性，通用性，同时应使性价比尽可能高。以单片机为核心的数据采集系统体现了采集对象与系统相互联系。系统有以下三方面的特点：一、数据采集
6、系统主要进行被测试对象的状态，量值的检测，故系统要与被检测信号直接相连。因此，现场条件直接影响到系统的结构选择；二、由于目前的传感器多数为模拟量输出型，也有少数的频率量或数字量输出型，所以对于多数系统对输入模拟量需要经过放大，变换，隔离，整形等处理，才能与微机系统相连；三、数据采集系统直接与现场相连，是干扰信号串入的主要渠道，因此抗干扰是设计的主要环节1,3。一般数据采集系统均具以下几个单元，信号发生电路单元，放大电路单元，滤波电路单元，A/D转换单元，数据存储处理单元，数据显示。图1所示是一般数据采集系统的框图，本次设计使用串口通信模式，单片机串口通过RS232与PC机连接3。在系统中，对于
7、拾取到的模拟小信号，一般需要前置放大，以使模拟电压适合于A/D转换器的电压转换范围，对于不同的模拟信号必须采用不同增益的放大器，才能使A/D转换前的信号规范化（如15V）。如果用一个固定增益的放大器对各路信号放大，则既不能兼顾各种动态范围的信号放大，也不能满足不同模拟信号的要求。信源放大滤波数模转换器单片机串口通信PC机RAM 图1 数据采集系统框图第二章 系统构成 在一般数据采集系统中，信源发出的信号经放大滤波、A/D转换后，由单片机将其存入存储器，再经D/A将其转换后显示所采集的数据，或者与PC机相通讯在WINDOWS下对所采集的数据进行处理2。在实际应用中，因8位A/D转换器对弱小信号的
8、转换存在精确度的问题，不利于对数据的准确描述，因此采用程控放大技术即由单片机来控制弱信号的放大倍数，再通过多路模拟开关来实现放大，即而提高了对采集信号描述的准确性，以及A/D转换的效率。系统流程如图1所示，整个系统分为信源，滤波，程控放大，A/D转换，数据的接收与存储，串行通讯等模块。 信号 源滤波路电程控放大A/D转换数据的接收检测、存储、与处理 串行通讯反馈控制PC机 图2 系统整体框图 第三章 硬件设计3.1可控放大滤波3.1.1一般放大滤波在数据采集系统中，A/D转换之前需要对信号进行调节，以使达到A/D转换芯片输入信号的规范。信号调节的主要方式是滤波和放大。对低频弱信号的采集，滤波电
9、路只需采用简单的一阶低通滤波电路，其截止频率设为1000kHz。而放大电路就是运用通用放大器进行两级放大，放大倍数是一定的3。其电路图如图2所示： 图3 一般放大滤波电路3.1.2程控放大滤波在数据采集的过程中，对弱小信号采集存在着一定的困难。幅值过低的信号，经过A/D转换后的二进制数值，有效数值位数较少，造成转换精度过低，降低了系统的性能。基于此，本次设计中采用了可控放大技术，通过软件来控制信号的放大倍数，这样就可以充分的得到精确的采样和数据转换，从而极大地提高系统的性能。实际的数据采集中，实时信号的幅值是难以预见的，所以必须通过程序对它进行检测来控制开关的闭合，从而改变信号预处理部分的放大
10、倍数，尽可能地增加A/D转换后的二进制数据的有效位数。系统需要的程控开关有两种方案可供选择：其一、由单片机控制的继电器组，理论上只需三个继电器，即可实现上述功能；其二、选用芯片CD4016BC，这种芯片里有集成的多路开关，可由高低电平来控制其闭合，正好符合要求，相对继电器具有经济、实用、体积小、功耗低等优点。因此确定了第二种方案，该芯片里集成有四路开关电路，各有一个控制端，控制端高电平有效，即得到如图3所示的原理图。用四级放大对不同等级的小信号实现不同的倍数的放大，其放大倍数由单片机对数据检测后通过程序来选择。图 4 程控放大电路图在图3中将每个运放的输出端接入芯片CD4016BC的I/O端，
11、同时接入单片机的P1口，用以检测信号的强弱，来决定放大倍数，将检测结果送给CD4016BC的control端口。放大器中反相端电阻为10欧，反相端的反馈电阻分别为10欧、100欧、1k欧、10k欧，这样根据放大器的运算法则，所以得到放大倍数为1，10，100，1000，这样就实现了可控放大的目的。从分析中看到，这种可控放大在很大程度上都依靠单片机，通过软件来实现，所以软件是其核心部分，具体的设计方案在软件设计中详细阐述。3.2 A/D转换在数据采集系统中，A/D转换是不可缺少的一个环节，目前，A/D转换技术得到广泛的应用，利用A/D转换技术制成的各种测试仪器，因其测量的结果准确而受到欢迎。在实
12、际中用的是A/D转换器来实现的，常用的有ADC0804，ADC0809，MAX1177/1188等4。在本次设计中考虑到A/D转换速率和单片机接收存储数据速率的匹配问题，选用了的ADC0809。 3.2.1 ADC0809的内部结构ADC0809是最常用的8位A/D转换器。内部结构如图4所示，从图中可以看到，它的内部结构总体看来由四大部分构成：8位模拟多路开关，地址锁存与译码器，八位A/D转换器，三态输出锁存器。ADC0809由单一+5V电源供电，片内带有锁存功能的8路模拟电子开关，可对05V8路输入模拟量分时进行转换，完成一次转换约100us,输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接与MCS-5
13、1数据总线相接，通过适当的外围电路，还可对05v的双极性模拟信号进行A/D转换。5图5 0809内部结构3.2.2 ADC0809主要特性在数据采集系统中，A/D转换是不可缺少的一个环节，目前，A/D转换技术得到广泛的应用，利用A/D转换技术制成的各种测试仪器，因其测量的结果准确而受到欢迎。在实际中我们用的是A/D转换器来实现的，常用的有ADC0804，ADC0809，MAX1177/1188等。在本次设计中考虑到A/D转换速率和单片机接收存储数据速率的匹配问题，选用了经济实用的ADC0809。分辨率为8位；总的不可调误差为+_1/2LSB或+_1LSB；转换时间为100us无零点和满刻度调整
14、；单一+5V供电，带锁存控制逻辑；具有锁存的三态输出，输出与TTL兼容；功耗为15mW。7 0809的接法比较固定，因为引脚的功能比较单一，数据采集系统中也是如此，在本实验中采用的是单路模拟量输入，因此地址输入端全部接地，用IN0作为输入端，D0D7作接单片机的P0口，图5所示为设计中的硬件图。 图6 A/D转换电路设计图 3 .3单片机部分3.3.1 MCS51系列单片机结构信号经A/D转换后的数据须送入单片机加以处理和存储，MCS51系列的单片机常用的有8031，8051，8052，8032，8751，AT89C51，AT89C52。MCS51系列单片机的其结构方块如图6所示，其一般特点如
15、下： * 一个8位CPU；* 一个片内振荡器及时钟电路；* 4KB ROM程序存储器；* 128B RAM数据存储器* 两个16位定时器/计数器；* 可寻址64KB外部数据存储器和64KB * 外部程序存储器空间的控制电路； * 32条可编程全双工串行口； * 五个中断；* 两个优先级嵌套中断结构.图7 MCS51结构方块图 单片机内部虽然设置了一定的容量存储器，但是显然这种存储器容量较小，远远满足不了实际需要，因此从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器，我们在选择这些存储器时应该根据实际的需要进行扩展，以达到资源的合理利用。常用的数据存储器有静态RAM和动态RAM两种在本
16、次设计中选用的是最常用的8051，共有四个I/O端口，为P0，P1，P2，P3，都是双向的，且每个口都具有锁存器，每个口都有8条线。内部自带存储功能，其存储器包括：（1） 内部数据存储器（RAM）：8051为128字节，8052为256字节。（2） 内部程序存储器（ROM）：8051为4KB，8052为8KB。（3） 外部扩充程序存储器（ROM）：最大可扩充至64KB（含内部ROM）。（4） 外部扩充数据存储器（ROM）：最大可扩充至64KB（不含内部RAM）。这里遇到的问题就是存储器的扩展问题，单片机内部虽然设置了一定的容量存储器，但是显然这种存储器容量较小，远远满足不了实际需要，因此从外部
17、进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器，我们在选择这些存储器时应该根据实际的需要进行扩展，以达到资源的合理利用8 。常用的数据存储器有静态RAM和动态RAM两种。在本系统中，用6264即8k8的静态外部数据存储器进行扩展，以便我们对采集数据的存储和处理。在扩展存储器时除了将单片机的地址和存储器的相映地址端相接外，就是片选端的接法，存储器必须实现的是两种功能，一方面对接收的数据进行写操作；另一方面要求单片机能读取其中的数据，所以存储器的输出端D0D7和单片机的P0口连接，这样存储器的扩展就完成了，其电路图如图7所示：图8 单片机电路图3.4串口通讯3.4.1串行通讯概述微型计算机系
18、统中，主机与外部的基本通讯方式有两种：并行通讯数据的所有位同时传输；串行传输数据的各位一位一位的传输。在单片机内部或与极近距离的外部一般都采用并行传输方式，其特点是传输速度快，效率高，但须多根传输线。在与外部距离较远的数据传输时多采用串行通讯，其特点是只须一对传输线，大大节省传输线及有关设备，成本低，但传输速度慢，效率低8。串行通信的应用已经非常普遍，从传输方式上有远距离有线传输、短距离有线传输、远距离无线传输、短距离无线传输。用单片机也可实现串行通信，AT89C51的串行口是全双工的UART，它可同时发送和接受数据，是使用特殊寄存器的SBUF寄存器及SCON串行控制寄存器7。3.4.2串行口
19、结构简介MCS51系列单片机的串行口结构如图11。 由图可见它主要由两个数据缓冲器SBUF和一个输入移位寄存器组成,其内部还有一个串行控制寄存器SCON和一个波特率发生器(T1或内部时钟及分频器).接收与发送缓冲器占用同一个地址99H,其名称亦同样为SBUF，CPU写SBUF操作,即修改发送寄存器,同时启动数据串行发送;CPU读SBUF,就是读接收寄存器,完成数据的接收.特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD为串行口波特率的倍增控制位.特殊功能寄存器SCON用以存放串行口的控制和状态信息.以下是其格式与各位含义：SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0，SM1按组合确定串行通讯的工作
20、方式。SM2:允许方式2或方式3多机通讯控制位。REN：允许/禁止串行接收控制位。TB8：在方式2和方式3，它为要发送的第九位数据。TI：发送中断请求标志位。RI：接收中断请求位。8051串行口正是通过对专用寄存器的设置、检测与读取来管理串行通信的9.图9 MCS51系列的单片机的串行口3.4.3串行口的工作原理串行通信中，发送时，CPU向SBUF写入数据就启动了发送过程，在发送控制器的控制下按照设定波特率的速率由低位到高位一位一位发送,当一帧数据发送完毕,置位发送中断标志T1(SCON.1)，该位可作为查询标志，如果设置允许中断，将引起中断，CPU再发送下一帧数据。接收时，需预先置位REN(
21、SCON.4)即允许接收，接收方按设定的波特率将对方发来的数据有低位到高位顺序进入移位寄存器，当一帧数据到齐接收缓冲器满，置位接收中断标志RI(SCON.0)，该位可作为查询标志，如设置为允许中断，将引起接收中断，通过读SBUF，CPU即可将这帧数据读入6。3.4.4波特率的设定在串行通信中，收发双方对发送和接收数据的速率(即波特率)要有一定的约定，8051的波特率发生器的时钟来源有两种，一是来自系统时钟的分频值,由于系统时钟的频率是固定的，所以次种方式的波特率是固定的，另一种是由定时器1提供，波特率是由定时器的溢出率控制，T1的计数初值是可以通过软件来改写的，因此是一种可变波特率方式，此时T
22、1工作于定时方式2(8位自动再装入方式)。波特率是否提高一倍由PCON的SMOD值确定，SMOD=1时波特率加倍。串行口的工作方式中，方式1和方式3采用可变波特率。我们选取方式1，其计算公式如下：MODE 1= （2/32）*振荡频率/12*256-（TH1） 波特率为2400bps。本实验通信线的连接如图8所示。 图10 通信线的连接在本实验中，选用方式1，故PCON设置为80H、SCON设置为50H，定时器1工作在方式2，波特率为9600位/秒，故TMOD设置为20HTH1=TL1=0F3H。3.4.3电平转换MAX232在很多应用场合，需要由PC机和MCS-51单片机组成多机系统，单片机
23、的串口与之相接时必须考虑到电平转换的问题，因为单片机中高低电平被定义为3V以上和1V以下，在PC机中也是如此，在传输线路中的高低电平是+-15v，因此必须考虑到电平转换的问题，然后其他的接法通常比较一致。在这里选用电平转换工具MAX232来完成。硬件结构图 第四章 软件设计本系统的软件设计采用结构化模式。主程序先初始化，其程序分为三大块，分别为模数转换存储子程序，单片机检测数据子程序，串口通讯发送端子程序。下面将这三大部分分别阐述：模数转换与存储 在此程序块中，最关键的是通过硬件图找出0809的端口地址，其次是将采集到的数据直接存于外部存储器的过程。要着重考虑的是外部存储器容量有限（我们采用的
24、是8K*8的RAM6264）因此不能无限制的存储，因此解决这样的问题，一是定时：即确定采集时间；二是定量：即存储到一定量的数据后，自动停止采集。本次实验采用后者。其流程、原代码见附录。单片机检测数据 此程序用以检测单片机接受到的小信号，将接受的信号分别与11111111、00111111、00001111、00000000进行四次比较，将小信号分为四个不同的等级，分别由单片机的P1.0至P1.3选中多路开关的四个控制端,再由放大器实现四个不同等级的放大，其流程见附录。串口通讯发送数据端 单片机与PC机通讯的发送端程序在单片机中完成，主要用到单片机串行通讯口和控制寄存器SCON，关键是波特率的设
25、定：我们的发送端选用方式1，它传送的是8位数据，波特率可变。我们用MOV SCON，#50H确定此方式。根据波特率=2/32*震荡频率/12*（256-（TH1），用MOV TH1，0F3H将TH1定为F3。波特率则为2400位/秒；其流程图见附录。第五章 结语经过这一次的课题设计，我比以往更清晰明了地掌握了单片机的基础知识，也锻炼了自己的逻辑思维能力和钻研精神。在课题设计中，我明白到自己的知识还是很有限的，应该不断地学习，才能使自己的头脑更充实。同时我也体会到团体合作的重要性。作为计算机家族的重要成员之一的单片机，结构简单，用途广泛，是我们应该很好地掌握的一门知识，一种工具。我们本次设计的课
26、题MCS51系单片机组成一个数据采集系统的设计。MCS51系列单片机是功能极强的8位高档单片微机，它既可用于简单的测控系统，又适用于复杂的测控系统，特别使用逻辑控制。由于它功能/价格比高，组成应用系统灵活、方便，是当前国内普遍选用的机种。如工业过程控制系统,数据采集系统等。一开始以为只是简单的程序设计方面的内容,后来在设计的过程中,才发现涉及的范围相当广,比如说微机控制及单片机方面均有不同程度的涉及。虽然说单片机等均属于我们的专业课,但是以前所学的均为书面知识,而且还有很多地方均还是特别清楚。通过本次设计,在把书面知识应用到实际过程中时,首先要有较高的自学能力,自学获取知识及相关信息的能力,而
27、我认为在大学中所真正应该掌握的就是这种能力。在以后的工作中,还需要我们不断地汲取新的东西,而其中绝大部分都需要我们靠自学去解决。其次是要有较强的动手能力,实际的东西往往与理论的东西不同,尤其是很多书本上的东西,往往在实际应用中行不通。这就需要我们在实际中进行运行、调试、制作,在实际应用进行检验,直至得出正确的答案。在设计的过程中,我曾遇到过不少困难，如前所述，后来在老师和同学的帮助下，都得到了解决。对于本次设计总体上来说,应该是属于较为成功。参考文献1 孙育才： MCS-51系列单片机微行计算机及应用 (第三版) 东南大学出版社 ，2000年3月2 姜苇、李刚、李宁：WINDOWS下智能数据采
28、集系统，天津大学精密仪器及电子 工程学院，2003年5月3 周立功等：增强型80C51单片机应用速成与实践，广州周立功单片机发展有限公司，2003年1月。4 张凯等：单片机应综合系统及其设计开发，科学出版社，1996年2月。5 李群芳 黄建 ：单片微行计算机与接口技术，电子工业出版社，2001年9月。6 张红润 蓝清华 ：单片机应用技术教程 清华大学出版社，1997年11月。7 李华 孙晓民 李红青 徐 平 张新宇 ： MCS-51系列单片机实用接口技术北京航空航天大学出版社 ，2002年2月。8 张毅刚 彭喜源 谭晓昀 曲春波： MCS-51单片机应用设计 哈尔滨工业大学出版社，2001年1
29、月。附 录1、模数转换 外部中断1初始化启动IN0输入将结果存于外部存储器存了8K字节的数？停止采集开始 Y2、串口通信 开始定时器串行口初始化地址指针DPTR，长度计数器R7，校验寄存器R6等置初值发送呼叫信号06等待乙机回答发送字节长度发送数据等待乙机回答返回是00H传输正确吗？发送完否？ 3、数据检测是否大于00111111P1.1=1P1.0=0NP1.3=1P1.2=0.3=1P1.2=0是否大于00000000是否大于00001111P1.2=1P1.1=0YN是否大于11111111YN启动0809转换存 储P1口清零P1.0=1YY YYY4、原程序#include #incl
30、ude #define uchar unsigned char#define AD0809 XBYTE0xffff#define XRAM XBYTE0xfffbvoid ad0809();main() P1=0X01; ad0809(); void ad0809() EA=1; IT1=1; EX1=1; AD0809=0; void service_int1() interrupt 2 uchar result; result=AD0809; if(result=0xfc) XRAM=AD0809; XRAM+; if(XRAM0x1fff) EA=0; IT1=0; EX1=0; els
31、e if(result=0xf0) P1_1=1; P1_0=0; else if(result=30) P1_2=1; P1_1=0; else P1_3=1; P1_2=0; void time(void) SCON=0x50; PCON=0x80; TMOD=0x21; TH1=0xff; TH0=0x63; TL0=0xc0; EA=0x85; IP=0X01; 致 谢在这次毕业设计的实际动手操作过程中，经过谢勤岚老师的悉心指导，我感到自己学到了很多东西，以前我很注重理论的学习，实际动手比较少，这次我自己动手构思，设计硬件电路，写源程序，调试程序，并最终将毕业设计完成。 这次毕业设计的具体实践，将在以后的工作和学习过程中给我很大帮助，因为它使我学会了独自动手操作，主动去获取自己所需要参考资料，学会了充分利用资源。最后，对在做毕业设计过程中指导我的谢勤岚老师以及钱德良、杨雪峰同学表示衷心的感谢。声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
