课程设计（论文）多路数据采集系统.doc

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1、多路数据采集系统吉林工程技术师范学院电子信息工程 摘要高精度AD转换、海量数据存储与便携技术，是目前数据采集研究领域一个比较关注的热点，这些技术的实现和应用，可以很好的解决传统数据采集中精度低、数据不易保存等一些问题。 本套数据采集装置由主控单元与数据采集单元两部分构成，主控单元具有数据显示、实时时钟、数据存储功能，数据采集单元可采集8路模拟量信号、8路开关量信号，与主控单元用SPI接口进行数据传输。关键词：AD转换、8路、数据采集Abstract: High-accuracy AD conversion, and portable mass data storage technology,

2、data acquisition is a field of research attention, the realization of these technologies and applications, can be a very good solution to the traditional low accuracy of data collection, data preservation, such as some of the problems is not easy. This set of data acquisition device from the main co

3、ntrol unit and data acquisition unit constituted of two parts, main control unit with the data show that real-time clock, data storage, data acquisition unit can capture 8 analog signals, 8-way switch signal, and the main SPI interface with control unit for data transmission.Keyword: AD conversion 、

4、8-way switch 、data transmission目 录第一章 绪论.11.1 背景11.2 方案论证与比较2第二章 系统设计.52.1 总体设计52.2 总体流程图8第三章 理论分析和说明103.1 各部分电路原理说明.103.2 理论分析.13第四章 调试154.1 出现的问题154.2 解决方法与改进15第五章 测试数据及分析16第六章 结论及展望.17参考文献附 录第一章 绪 论1.1 背 景数据采集是指通过查看数据库中存储的大量数据来发现有意义的新关系新模式和新趋势，以及使用模式识别技术和精确的统计技术的过程。 通过数据采集用户可以发现模式并自动建模而无需确切知道用户所要

5、寻找的内容， 数据采集有助于避免处理数据时人脑的不足以及分析问题的盲目性。 数据采集系统在工业测控以及实验室研究方面的应用非常广泛， 随着科学技术的发展数据采集技术成为现代科学研究和技术发展的一个重要方面并向着高精度高速度稳定可靠和集成化的方向发展。一种应用在工业控制系统中的数据采集远程无线传输模块,由模拟数据采集电路,模拟数据输出电路,AD转换电路和GPRS模块四个功能电路构成。其中，模拟数据采集电路采集探测器输出的模拟信号,将其分成两路进行输出，一路传输至模拟数据输出电路,另一路传输至AD转换电路。模拟数据输出电路将模拟数据采集电路采集到的模拟信号透明输出给工业控制系统，AD转换电路将模拟

6、数据采集电路采集到的模拟信号转换成可编译的数字信号,并输出至GPRS模块，GPRS模块将来自AD转换电路的数字信号发射到互联网服务器上,进行远程无线数据传输。本实用新型能与现有工业控制系统无缝联接,在不影响现有系统正常功能的条件下而使系统的数据进行无线远传,将数据上传到指定的服务器上。1.2 方案论证与比较设计要求：自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz2kHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应15V直流电压（200Hz对应1V，2kHz对应5V）。数据采集器第1路输入自制15V直流电压，第27路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V直流电压，第8路备用。

7、将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。 主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。 图1-1 整体要求方案一：该方案的系统原理框图如图1-2所示,它能完成所要求的功能。但是存在不足之处是：编程不方便,主要是A/D接口和RS485接口编程不方便。 图1-2 方案一系统框图 方案二：该方案的系统原理框图如图1-3所示,图1-3 方案二系统框图 方案三：用ICL8038为函数信号发生器模块，用ADC0809为数据采集模块，AT89C51为控制模块，串行口加74LS164组合的LED数码管位显示模块，不同按键触发中断式为设置模块。模拟信号发生器频率

8、电压变换电路ADC0809数据采集键盘控制采集方式数码管显示采得电压值图1-4 方案三系统框图 比较这三种方案，从可行性、严谨性、安全性及经济效益多方面来看，第三种方案均为最佳，故我们选择第三种方案。第二章 系统设计2.1 总体设计 总体设计分五部分，用ICL8038接为函数信号发生器，模拟信号发生，LM331接成一个频率电压变换电路，产生05V电压，ADC0809进行数据采集，74164与数码管为显示电路，另外还有键盘控制部分。 ICL8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.1 300 kHZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波

9、形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。故可以用它来接为正弦波信号发生器电路，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz2kHz范围变化。 图2-1 正弦波信号发生器电路LM331 为单片 V/ F转换器，V/ F转换器是把输入的电压转换为脉冲输出的一种电路。输出脉冲的频率能与输入的电压成线性关系 ,并可通过测量其输出端的脉冲频率来间接测量输入的电压值。它实际上也是一种 A/D转换器，且具有应用简单、精度高、线性度好、频率动态变化范围宽、抗干扰能力强、价格较低等诸多优点。故可用它来接为电压05V可调的频率转换电路。图2-2频率电压变换电路ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入、8路数字

10、量输出的A/D转换器。ADC0809通过其内部的模拟开关切换，分时处理8路模拟量输入信号。在某一时刻，模拟开关只能接通一路模拟量通道，之后，AD转换器对该通道的模拟量进行转换。当地址锁存信号ALE为高电平时，A、B、C三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道，并进行数据采集。图2-3 ADC0809采集电路显示电路采用6 位数码管静态显示方式 ,以74LS164作为锁存驱动芯片。把AT89C51的RXD作为数据输出线 ,TXD作为移位时钟脉冲。74LS164为TTL单向8 位移位寄存器 ,可实现串行输入 ,并行输出，故可用与6位数码管相接并显示测得的电压

11、值。图2-4 74LS164与数码管显示电路按键P1-0可实现循环采集，按键P1-4为通道选择开关，按几下即可显示对应通道采集的电压值，按键P1-7为关通道开关，按下后数码管无显示。2.2 总体流程图 图 2-5 主程序 图2-6 选择采集子程序 图2-7 循环采集子程序第三章 理论分析和说明3.1 各部分电路原理说明 正弦波信号发生器ICL8038函数信号发生器由开关SW、恒流源I、恒流源II、比较器I、比较器II、触发器、缓冲器、三角波/正弦波变换器和外接电容C等组成。其工作原理参见图3-2的ICL8038时间图。ICL8038的基本应用电路示于图3-3。图3-2中ICL8038的2端产生

12、正弦波的频率是由恒流源I对外接电容C的充电时间t和恒流源II对外接电容C的放电时间t决定的。恒流源对外接电容C充电，单位时间内电压的增量为： (1)电容C上电压从V/3增至2V/3的时间为： (2)恒流源II对Cr 的放电时间为： （3）由于图3-3中ICL8038的7端和8端短接，因此，电路中R上电流对于充电电流I为： (4)其中，为ICL8038的内阻。图3-2 ICL8038时间图图3-3 使用ICL8038的基本电路 频率电压变换电路另外还有一个频率电压变换电路,它的输入信号为正弦波信号。正弦波信号经放大,变为方波信号作为LM331芯片的输入信号。调节滑动电阻，使得200Hz对应1V输

13、出,2kHz对应5V输出。LM331控制输出的单稳态定时器产生的时间，带入下式中：当时，输入010V电压所对应的输出频率为0100KHZ。 ADC0809数据采集过程单片机的ALE引脚输出为地址锁存允许信号，经单片机ALE的2MHZ二分频后得到1MHZ的时钟提供给ADC0809。ADC0809通过ALE选通八路通道，A、B、C编码000111对应8个通道IN0IN7的地址，可在此改变输入通道电压的大小，采集数据，8路通道的电压值可在6位数码管上显示出来。 转换启动信号START的上升沿将ADC0809复位，当被选中通道的模拟量到达A/D转换器时，A/D转换器并未对其进行转换，只有当转换启动信号

14、START出现下降沿并经延迟后，才会启A/D转换器进行转换.ADC0809的转换过程是在时钟信号的协调下进行的，ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入，时钟频率的典型值为640KHZ,在这个频率下，ADC0809的A/D转换时间为100us.由于ADC0809片内没有时钟，因此，当 ADC0809用于AT89C51单片机系统时，ADC0809的时钟信号可由AT89C51单片机的地址锁存允许信号ALE经过一个二分频电路获得。一般情况下，ALE信号在每个机器周期出现两次，因此其频率为AT89C51单片机的1/6.若单片机采用12MHZ的晶振，则ALE的输出频率为2MHZ,再经二分频后为1MHZ

15、,这个频率符合ADC0809对时钟频率的要求。 ADC0809的输出通过锁存器74LS373后接在AT89C51的P0口，通过串行口输出，数码管与移位寄存器连接显示通道07的测得电压。按键按下几次表示选通哪一通道，还可实现循环采集。数据采集电路系统由硬件和软件两大部分组成。软硬件协调完成多路信号选通和 D/A转换、信号处理及串口通信的数字信号传输和控制等功能。根据所需完成的功能及技术指标 , D/A 转换电路系统采用AT89C51单片机实现。单片机依次选通 8路模拟电压信号输入 ,通过 A/D转换成数字信号 ,再由单片机对数字信号进行处理，同时,单片机通过串行口输出在6位数码管上显示电压值。

16、数码管与74164显示过程每个时钟信号的上升沿加到 CLK端时 ,移位寄存器移一位 ,8个时钟脉冲过后,8位二进制数全部移入74LS164中。MR为复位端 ,当MR为0时 ,移位寄存器各位复0 ,只有当MR为1时,时钟脉冲才起作用。Q0Q7并行输出端分别接LED显示器的 HA各段对应的引脚上。6片74LS164首尾相串 ,而时钟端则接在一起,这样,当输入1个脉冲时 ,从单片机 RXD端输出的数据就进入到了第 1 片 74LS164中了,而当第 2 个8个脉冲到来后 ,这个数据就进入了第 2 片74LS164,而新的数据则进入了第1片74LS164 ,这样 ,当第6组8个脉冲完成后 ,首次送出的

17、数据被送到了最左面的74LS164 中 ,其他数据依次出现在下面的74LS164中 ,经6位数码管显示出测量结果。3.2 理论分析ADC0809前端有一个正弦波信号发生器，其中ICL8038V/F转换芯片,该ICL8038属于积分型施密特压控多谐振荡器,完全可以达到设计要求，调节滑动电阻可改变正弦波的输出频率。通常芯片的地址线只能进不能出 ,ADC0809 的数据线有一特点，只能出不能进，可以在把51单片机的 8 位数据线接到 ADC0809 的 8 位数据线的同时 ,又把其中的 3 位直接接到 ADC0809 的 3 根地址线以确定通道号.通常把 51 单片机的 8位数据线中的低 3 位D2

18、 ,D1 ,D0 直接接到 ADC0809 的 3 根地址线 A2 ,A1 ,A0 以确定通道号.采用这种连接方式特点是 ,单片机要把最低 3 位二进制数据通过数据总线写入 ADC0809 的地址锁存器 ,然后作为通道地址使用。74LS164为TTL单向8 位移位寄存器 ,可实现串行输入 ,并行输出。其中 A、B 为串行数据输入端 ,2 个引脚按逻辑与运算规律输入信号 ,只有一个输入信号时可并接。CLK为时钟输入端 ,可连接到串行口的 TXD端，74LS164与数码管接即可实现电压值的显示。第四章 调试4.1 出现的问题 在调试过程中会出现只显示采集通道的编号而并未显示通道的电压值。 在调试过

19、程中会出现只显示某一通道的电压值而并未显示通道的编号。 在调试过程中会出现通道编号与通道电压值并不相符合或出现并不存在的数据。 在调试过程中还出现了按下几次按键数码管并不显示数据，而多按几次后才会正常显示。4.2 解决方法与改进 出现上述问题我们应该首先检查电路，接线有无错误，是否漏线和接错，地线和电源线接线是否正确，仔细检查芯片管脚连接是否正确。如检查电路无错误后，应该检查程序是否完整严谨，因为程序在用软件仿真和实际硬件操作是有区别的，我们应仔细检查程序中的采集、延时及显示部分，发现不妥及时改正然后重新下载调试。第五章 测试数据及分析第一路测试结果如表5-1所示表5-1显示值(v)50332

20、61805实测值(v)5033261805第二三四五六七路测试结果如表5-2所示表5-2通道数二三四五六七显示值(v)504030201000实测值(v)504030201000采集部分1、采集通道数：8路2、采集精度：10位A/D转换通讯部分1、传输信号电平幅度：+0V+ 5V2、传输线数目：2根主控制器部分1、数据显示状态：2种（循环和手动）2、循环显示周期：2秒3、显示精度：0.1V通过理论分析计算和实际测试，在用软件仿真和硬件调试时数码管显示的数据都非常精确，即从ADC0809输入通道采集的是某一电压值在数码管上显示的即为此数据，误差在0.1V。通道编号也能一一对上。这说明我们所做的这

21、套多路数据采集系统符合设计要求，能完成所需功能，能精确采集传输并显示。第六章 结论及展望本设计详细地阐述了八路数据采集器的功能，系统具体可分为五大功能模块,函数信号发生器模块、数据采集模块、数据处理模块、键盘控制模块和显示模块。核心以单片机控制，加上串行口和6个LED数码管为显示模块，不同按键触发中断为设置模块。 充分展示了利用AT89C51芯片制作八路数据采集器的优点。所介绍的八路数据采集器适用于电压的采集和显示。具有性能稳定、可靠性高、响应速度快等优点。三态输出锁存器用于锁存A/D 转换完的数字量，我们所采用的模块可以快捷地对设计要求中的问题都能成功的实现,同时针对某些实验又增加了特殊功能

22、,方便实验后期的数据处理，解决了以前的繁琐工作,而且方便操作人员进行数据分析。在功能上我们可以通过按键来控制由哪路来输出电压，也可以控制电压的循环显示，把很多功能都集成在一起，为我们实验提供了极大便利。 由于现有的实验设备和环境离我们理想中的实验目的还有一段距离，但是完成的还算成功。 误差是不可避免的，为了设计的需要，整个电路板由手工焊接完成，其余器件在单面板上完成布局和布线，无法避免线路之间与外界的电磁干扰，从而导致了一定的误差。数据采集技术对人类未来的发展提供了巨大的机遇, 也为教育开辟了广阔的前景, 高校中应树立科学与技术统一的整体发展观，顺应学科交叉融合的大趋势， 建立高校教育的新理念，重视当代科技发展的大科学特征，是正确定位21世纪人才培养目标的关键。参考文献【1】吴运昌著.模拟电子线路基础.广州：华南理工大学出版社， 2004年【2】阎石著. 数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1997年【3】李建忠著.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学，2002年【4】模拟电子技术基础.清华大学电子学教研组编（董诗白主编）.高等教育出版社.2004【5】全国大学生电子设计竞赛1994年获奖作品选编 【6】ICL8038数据书册 【7】LM331数据手册【8】ADC0809数据手册