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电力远动系统中遥信量的采集与处理分析

摘要

数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。

数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

本设计采用A/D转换器和MCS-51单片机组成数据采集系统，该设计具有结构简单、操作方便、高性价比、具有显示、记录存储功能，能够适应油田野外恶劣环境,；具有性能稳定、可靠性高、响应速度快操作简单、费用低廉、回放过程的信号可以直观的观察。

它与有线数传相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动等性能。

数据采集器的市场需求量大，以数据采集器为核心构成的小系统应用广泛，因此开发高性能的数据采集器具有良好的市场前景。

随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。

数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。

同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。

数据采集系统具有广阔的市场前景，在工业生产和日常生活中已越来越必不可小。

因此本课题设计无论是研究意义还是市场前景都具有很高的价值。

关键字：

数据采集，数据处理，A/D转换器，单片机

一、概述

（一）数据采集和数据处理

数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。

数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

比如条码机、扫描仪等都是数据采集工具

数据处理系统是指运用计算机处理信息而构成的系统。

其主要功能是将输入的数据信息进行加工、整理，计算各种分析指标，变为易于被人们所接受的信息形式，并将处理后的信息进行有序贮存，随时通过外部设备输给信息使用者。

（二）系统研究开发的价值和意义

经调查,目前数据采集器的市场需求量大，以数据采集器为核心构成的小系统应用广泛，因此开发高性能的数据采集器具有良好的市场前景。

随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。

随着工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。

在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。

本文以实验室数据采集、工业现场数据采集、野外数据采集为主要方向,设计一款结构简单、操作方便、高性价比、具有显示、记录存储功能的数据采集系统。

单片机构成的数据采集处理系统适用于各种现场自动化监测及控制，能够适应油田野外恶劣环境,；具有性能稳定、可靠性高、响应速度快操作简单、费用低廉、等优点。

回放过程的信号可以直观的观察。

它与有线数传相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动的优点

（三）课题的意义及发展状况

数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。

相应的系统称为数据采集系统。

从严格意义上说，数据采集系统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。

总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。

数据采集领域正在发生着重要的变化。

首先,分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展。

其次,总线兼容型数据采集插件的数量正在增大,与个人计算机兼客的数据采集系统的数量也在增加。

数据处理对数据（包括数值的和非数值的）进行分析和加工的技术过程。

包括对各种原始数据的分析、整理、计算、编辑等的加工和处理。

比数据分析含义广。

随着计算机的日益普及，在计算机应用领域中，数值计算所占比重很小，通过计算机数据处理进行信息管理已成为主要的应用。

如侧绘制图管理、仓库管理、财会管理、交通运输管理，技术情报管理、办公室自动化等。

在地理数据方面既有大量自然环境数据（土地、水、气候、生物等各类资源数据），也有大量社会经济数据（人口、交通、工农业等），常要求进行综合性数据处理。

故需建立地理数据库，系统地整理和存储地理数据减少冗余，发展数据处理软件，充分利用数据库技术进行数据管理和处理。

近年来出现的短时傅立叶变换（STFT）、维纳分布（Wigner-Ville）、小波变换（WT）等时频分析法将信号同时变换到时域和频域，对非稳态信号处理中获得了较好效果。

小波分析方面，国外近年做了较多的研究工作，如采用小波变换提取齿轮运行中早期故障信号的微弱特征；利用小波包变换算法给出振动信号在部分频带围的小波包分频带分布；采用半正交3次B样条小波包分析得到了有效区分动静碰摩故障与不平衡不对中复合故障的小波谱能量特征。

在故障的非线性振动特征方面，国有人进行了故障相关维数、分叉、拟周期、分形等混沌特征的非线性振动理论研究。

这些研究现今仍处于试验阶段，距离工程实用还有相当距离。

（四）市场前景

数据采集是目前一种流行且实用的技术。

经调查,目前数据采集器的市场需求量大，以数据采集器为核心构成的小系统广泛应用医药、化工、食品、等领域，因此开发高性能的数据采集器具有良好的市场前景

二、系统设计

（一）设计要求

以MCS-51单片机系统作为核心器件，采用A/D转换器把模拟信号转换为相应的数字信号，并通过MCS-51系列单片机对数字信号进行一系列的采集与处理并利用KeilC编译环境对MCS-51进行编程，使其经处理的信号最终在数码管上显示出来。

（二）设计思想

数据采集在科技研究和实际应用中的作用日益重要。

传统的数据采集器采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且对于多种不同的信号不宜直接使用。

单片机的数据采集系统具有采集速度快，稳定高，结构简单、操作方便、具有显示、记录存储功能。

同时数据采集在工业和日常生活中越来越必不可小，因此本设计采用MCS-51系列单片机和A/D转换器相关硬软件实现。

MCS—51单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器，仪表等领域。

我们设计的数据采集系统以80C31和8155芯片组成，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。

实现一个采集频率高，采集速度快，稳定高的数据采集系统。

有效的方法就是用单片机来实现，以前数据采集器采用模拟电路组成，电路复杂且采集信号速度慢，精确度低，抗干扰性不强。

而采用单片机和相关硬软件组成不但结构简单、操作方便、高性价比、具有显示、记录存储功能，能够适应油田野外恶劣环境,；具有性能稳定、可靠性高、响应速度快操作简单、费用低廉、回放过程的信号可以直观的观察。

在基础理论和专业技术基础上，通过对数字采集器的设计，用十进制数字来显示被测信号。

以精确迅速的特点采集数据并处理，在本设计在实践理论上锻炼提高了自己的综合运用知识水平，为以后的开发及科研工作打下基础。

（三）方案论证与确定

近年来，数据采集与处理的新技术、新方法，直接或间接地引发其革新和变化，实时监控（远程监控）与仿真技术（包括传感器、数据采集、微机芯片数据、可编程控制器PLC、现场总线处理、流程控制、曲线与动画显示、自动故障诊断与报表输出等）把数据采集与处理技术提高到一个崭新的水平。

方案一：

采用模拟电路组成，此方法中没有复杂的电子元件，电路易懂，但此方法电路复杂且采集信号速度慢，精确度低，抗干扰性不强。

且不能更方便的处理采集到的数据。

方案二：

采用SMS的单片机数据采集系统电路,但由于此芯片的单片机价格昂贵,且适用围有限,而且对此单片机不怎么了解,SMS单片机与A/D转化器组成的电路处理速度很慢，稳定性较差，实物图是线路复杂，与打印机连接时稳定性较差，故放弃此方案。

方案三：

用MAX187与MCS-51,A/D转换器组成的电路使用方便,MCS-51种类多,价格便宜,我们对MCS-51系列单片机比较了解，适用围广，更加适合数据采集与处理系统的应用.实物图连接电路简单，故最终决定使用此方案.

（四）系统框图

选用设备：

MCS-51单片机一片,A/D转换器,打印机,LED显示器.共同组成整个系统，通过A/D转换器将模拟信号转换为相应的数字信号，再通过MCS-51对数字信号进行采集和处理，再通过LED显示器显示并通过打印机将处理过的信号打印出来，使用户更直观的看到结果。

模

拟

信

号

A/D

转

换

器

MCS-51

LED显示

打印机

图2-1MCS-51图

三、系统硬件设计

（一）元器件的选择

1.A/D转换器的选取

A/D转换器用于将模拟信号转换为相应的数字信号，它是模拟系统到数字系统的的接口电路。

考虑到本系统的功能多，而芯片的I/O有限，选取MAX187/189。

其特点有引脚数少，集成度高（基本上无需外接其他器件），价格低，易于数字隔离，易于芯片升级，廉价。

MAX187/189芯片引脚及功能

MAX187/189是MAXIM公司生产的具有SPI（SerialPeripheralInterface）总线接口的12位逐次逼近式（SAR）A/D转换芯片。

特点如下：

①12位逐次逼近式（SAR）串行A/D转换芯片；

②转换速度为75kHz，转换时间为8.5µs；

③输入模拟电压：

0～5V；

④单一+5V供电；

⑤DIP8引脚封装，外接元件简单，使用方便。

MAX187与MAX189的区别在于：

MAX187具有部基准，无需外部提供基准电压，MAX189则需外接电压基准。

MAX187/189芯片引脚如下图所示。

图3-1MAX187/189芯片引脚

MAX187与MCS-51的连接电路如下图所示。

其中，P1.7为控制片选，P1.6为输入串行移位脉冲，P1.5为接收串行数据端。

MAX187外接4.7µF退耦电容激活部电压基准，接+5V允许使用部基准。

注意：

MAX187/189的片选在转换和读出数据期间必须始终保持低电平。

图3-2MAX187与MCS-51的连接电路

工作流程：

清P1.7，启动MAX187开始A/D转换；读P1.5，等待转换结束；当P1.5变高，转换结束；从P1.6引脚发串行脉冲，从P1.5引脚逐位读取数据。

先将MAX187转换结果存入31H、30H单元，右对齐，31H存高位（高4位补0）。

待显示和打印时再将数据输出。

2.单片机芯片的选择

根据实验要求选择MCS51系列8031芯片即可达到实验目的。

各引脚功能说明如下：

8031提供以下标准功能：

4k字节闪速存储器，128字节部RAM，32个I/O口线，看们狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片震荡器及时钟电路。

同时，8031可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

引脚功能说明

（1）. 主电源引脚

Vcc（40脚）：

接+5V电源正端。

Vss（20脚）：

接+5V电源地端。

图3-3主电源引脚

（2）.外接晶体引脚XTAL1（19脚）：

接外部石英晶体的一端。

在单片机部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片振荡器。

当采用外部时钟时，对于HMOS

单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2（18脚）：

接外部石英晶体的另一端。

在单片机部，它是片振荡器的反相放大器的输出端。

当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。

输入/输出引脚

（1）P0口（39~32脚）：

P0.0~P0.7统称为P0口。

在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。

在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。

（2）P1口（1~8脚）：

P1.0~P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。

对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：

P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

（3）P2口（21~28脚）：

P2.0~P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。

引脚第二功能

P3.0 RXD 串行口输入

P3.1 TXD 串行口输出端

P3.2 INT0 外部中断0请求输入端，低电平有效

P3.3 INT1外部中断1请求输入端，低电平有效

P3.4 T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端

P3.5 T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端

P3.6 WR 外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效

P3.7 RD 外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效

3.LED显示器的选择

系统对没LED并没过高要求，故选择普通4位LED即可。

此LED能够用来满足动态显示,且只需要的4个I/O,占用资源少.

Ｎ位ＬＥＤ显示器

实际使用的ＥＤ显示器通常有多位，多位ＬＥＤ的控制包括字段控制（显示什么字符）和字位控制（哪一位或哪几位亮）．Ｎ位ＬＥＤ显示器包括８＊Ｎ根字段控制线和Ｎ根字位控制线．

由ＬＥＤ显示原理可知，要使Ｎ位ＬＥＤ显示器的某一位显示出某个字符，必须要将此字符转换为相应的字段码，同时进行字位的控制，这要通过一定的接口来实现．Ｎ位ＬＥＤ显示器的接口形式与字段，字位控制的译码方式以及ＬＥＤ显示方式有关．字段．字位控制线的译码方式有软件译码和硬件译码两种，ＬＥＤ显示有静态和动态之分.

下表所示为共阴极LED和共阳极LED显示不同字符的字段码,此表为七段码.它们互为反码.

表3-1LED显示器的字段码（七段码）

显示

字符

共阴极

字段码

共阳极

字码段

显示

字符

共阴极

字段码

共阳极

字码段

3FH

C0H

77H

88H

06H

F9H

7CH

83H

5BH

A4H

39H

C6H

4FH

B0H

5EH

A1H

66H

99H

79H

86H

6DH

92H

71H

8EH

7DH

82H

73H

8CH

07H

F8H

熄灭

00H

FFH

7FH

80H

6FH

90H

图3-1

为了节省I/O口，简化电路，降低成本，采用动态显示方式。

动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器，与各数码管接口的I/O口线是共用的。

4.打印机的选择

一般的单片机应用系统在体积、功耗、可靠性和价格方面有比较严格的要求，而对打印机的要求并不高，故选择微型打印机。

此处选择较为常用的TPμP-40A智能微型打印机。

TPμP-16A/40A是一种超小型的智能点阵式打印机。

其主要技术性能：

①具有2KB控制程序及标准的Centironic并行接口。

②具有较丰富的打印命令，格式简单。

③可产生全部标准的ASCII代码字符，以及128个非标准字符和图符。

④打印格式比较灵活。

⑤字符、图符和点阵图可以在宽和高的方向放大为2、3或4倍。

⑥每行字符的点行数（包括字符的行间距）可用命令更换，即字符行间距及每行字符的空点行在0～255间任选。

⑦带有水平和垂直制表命令，便于打印表格。

⑧具有重复打印同一字符命令，以减少输送代码的数量。

⑨带有命令格式的检错功能，当输入错误命令时，打印机立即打印出错误信息代码。

（二）电路设计

1.主电路图设计

本电路采用8031芯片和8155芯片连接，打印机友8根数据线DB0-DB7，接受单片机送来要打印的数据。

还有两根联络线—BUSY和STB。

BUSY是由打印机发出“忙”的信号，当打印机还没完成计算机送来的数据时，BUSY=1.打印机的数据线接到8155的A口；BUSY,STB分别接到8155的PC7,PC0，PCO提供打印机所需的选通信号，从pc7接收并查询打印机的状态信号，已实现查询式传送。

而8155的数据线D0-D7接8031的数据线P0口，读写控制信号线/RD，/WR和复位信号线RESET对应连接，端口选择线A1,A0和片选信号线/CS接到8031的地址总线P2上.8051单片机部有4KB地址区对于片ROM和片外ROM是公用的。

这4KB的地址为0000H-FFFH而1000H-FFFFH地址为外部ROM专用。

CPU的控制器专门提供一个控制信号EA，用来区分部ROM和外部ROM的公用地址区：

当EA接高电平时，单片机从片的4KB存储区取出指令，当指令地址超过0FFFH后，就自动地转向片外ROM取指令；当EA接低电平时CPU只从片外ROM取指令。

程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：

0000H-0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序；0003H-002A单元均匀地分为五段，用来做五个中断服务程序的入口。

下图为主电路图

图3-4主电路图

2.显示电路

显示电路是指单片机采集到的数据信号经过处理然后在LED显示器上显示出来。

其具体工作原理是8155芯片连接4位LED显示器和MCS—5。

PA口经反向器接到LED的公共端，PA口始终只有一位为高电平。

依次改变PA口输出为高的位，PB口输出对应的显示器的数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符。

将所采集的信号从PB口输出便可以直观的读出说采集的电压值。

下图为显示电路

图3-5显示电路

（三）打印电路

打印电路是指指单片机采集到的数据信号经过处理后通过与打印机连接使其更直观的观察。

TPμP-40A微型打印机的接口时序如下图所示。

选通信号的宽度应大于0.5μs，应答信号可以不使用，而采用BUSY信号进行操作。

TPμP-40A是智能打印机，输入电路有锁存器，输出电路有三态门控制。

可以直接与单片机应用系统的总线（P0口）相连接，如下图所示。

单片机将经采集电路所采集的而存储在部存储器中的数据输出给打印机便可以直接打印出电压值。

下图为打印电路图。

图3-6打印电路

四、系统软件设计

本系统是先A/D转换器所采集的数据存入单片机部数据存储器中，再分别将存储器中的容送入LED显示器和打印机中，已完成显示和打印功能。

根据扫描键盘状态来确定采集和打印方式。

用户态的应用程序是数据采集系统的中心，其主要功能为：

开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输通道、设置A/D状态和数据采集端口、实时从USB接口采集数据、显示并分析数据。

由于MCS-51提供的FIFO不超过64字节，当它存满后，MCS-51自动将数据打包即时请求读入数据，由SIE自动发送数据包。

另外，当系统启动A/D模块后，便会创建两个线程：

采样线程和显示存盘线程。

采样线程负责将采集数据写到应用程序提交的存；而显示存盘线程负责给应用程序发送显示和存盘消息。

当应用程序接收到此消息后，便从它提交的存读取数据并显示存盘。

此处需要注意的是，采样线程和显示存盘线程在读写应用程序提交的存时要保持一致

（一）主程序

本设计中采用定时器T0中断完成，其余状态循环调用显示子程序，当端口开关按下时，转入相应功能程序。

其主程序执行流程如图1所示。

（二）显示子程序

数码管显示的数据存放在70H-75H中。

其中70H-71H存放秒数据，72H-75H存放分数据，74H-75H存放时数据，每一地址单元均为十进制BCD码。

采用软件动态扫描实现数据显示功能，显示用十进制BCD码数据的对应段码存放在ROM表中。

显示时，先取出70H-75H任何一地址中的数据，然后差得对应的显示用断码，并从P0口输出，P2口将对应的数码管选中供电，就能显示该地址单元的数据值。

为了显示小数点等特殊字符，显示采用不同的显示子程序。

（三）中断服务程序

包括定时器T0中断服务程序，A/D转换结束中断服务程序。

（四）各程序流程图如下

1.主程序

主程序从系统初始化开始采集定时器T0中断对采集到的数据进行保护，然后再启动A/D转换程序，（A/D转换程序包括A/D转换、等待A/D转换结束、读取转换结果）对采集到的模拟信号转换成数字信号。

然后接着调用数据采集子程序对数据进行记录。

当采集完数据后再调用时器T0中断服务程序对数据进行记忆与处理。

再返回。

下图为主程序流程图.

开始

系统初始化

TOISR

保护现场

读取ADCRIFO

启动下一次A/D转换

FIR

调用数据采集子程序

开中断

恢复现场

图4-1主程序流程图

2.数据采集程序

数据采集分为单次采集和多次采集。

但单次采集和多次程序相似。

将转换结果单元清除，启动A/D等待结束程序，使之完成对采集到的信号进行转换。

然后调用显示子程序60次，再返回键盘扫描程序。

（数据采集都假设采集量为正。

）先给8155送入方式控制字，并调用有无键闭合子程序。

下面为数据采集程序流程图

开始

系统初始化

单次采集

调显示，360MS

调打印子程序

返回键扫描

图4-2数据采集程序流程图

3.显示程序

入口

写低8位地址数据

写高8位地址数据

写显示存储器地址设置指令

写显示数据

写数据指令

出口

显示包括静态和动态显示两种。

但两者程序一样，数码管显示的数据存放在70H-75H中。

其中70H-71H存放秒数据，72H-75H存放分数据，74H-75H存放时数据，每一地址单元均为十进制BCD码采用软件动态扫描实现数据显示功能，显示用十进制BCD码数据的对应段码存放在ROM表中显示时，先取出70H-75H任何一地址中的数据，然后差得对应的显示用断码，并从P0口输出P2口将对应的数码管选中供电，就能显示该地址单元的数据值。

为了显示小数点等特殊字符，显示采用不同的显示子程序。

下面为显示程序流程图

图4-3显示程序流程图

五、单片机控制系统的调试

（一）单片机开发系统与功能

从元件上工程实训的单片机应用系统，由于自身不具备调试要求，即无法验证所工程实训的硬件和软件的正确性，因此必须借助于其它工具才能完成调试工作，这种工具称为单片机开发系统。

单片机开发系统主要有四方面的功能：

在线仿真，调试，辅助工程实训和固化程序。

1.运行控制功能开发系统的调试功能也就是对目标系统软硬件的排错功能。

检查程序运行的结果，对存在的硬件故障和软件错误进行定位。

运行控制台功能包括：

单步运行，断点运行，连续运行，启停控制。

2.对目标系统状态的读出/修改功能

3.跟踪功能

软件的辅助工程实训功能也是微机开发系统的重要性能，它在很大程度上决定了应用系统的软

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