基于单片机的多路数据采集系统设计毕业设计论文 精品推荐文档格式.docx
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20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。
这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。
第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。
20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。
由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。
数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。
相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。
这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
1.2国内外研究现状
数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。
它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。
各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。
近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。
该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。
该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。
由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：
（1）传感器：
利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；
（2）计算机接口：
将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；
（3）软件：
中文及英文的应用软件。
受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。
如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。
本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。
1.3该课题研究的主要内容内容
数据采集技术是信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。
它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。
数据采集也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。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机（如IBMPC系列）使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用.
传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。
本系统采用下位机负责模拟数据的采集,从单片机负责采集八路数据，并应答主机发送的命令，上位机即主机是负责处理接受过来的数字量的处理及显示，主机和从机之间用RS-232进行通信。
这样用户可以在上位机上编写各种程序对文件中的数据进行有效查询和分析,有利于工业过程的长期正常运行和检查。
该系统采用的是AT89S52单片机，此芯片功能比较强大，能够满足设计要求。
2.方案论证及选择
2.1方案一
本方案采用AT89C52单片机、ADC0809作为A/D转换器、RS-232C作为串行口、LED数码管作为显示部分以及用按键开关作为通道切换，每只按键接单片机的一条I/O线，通过对线的查询可识别各按键状态。
原理图如图2.1所示。
图2.1方案一原理框图
2.2方案二
本方案硬件电路采用AT89C51单片机最小系统、ADC0809模数转换电路、HD7279键盘控制与LED显示电路、RS-232C串行通信电路四部分组成。
该方案较一来说，键盘控制比方案一更加方便，且实现简单。
原理图如图2所示。
图2.2方案二原理框图
2.3方案选择
为了节省资源以及考虑到各器件性价比方面，选择方案一作为最终方案。
89C51市面上已被许多新型单片机取代，故采用现阶段主流的AT89C52单片机。
而ADC0809为逐渐逼近式A/D转换器，它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。
在显示部分采用动态扫描显示法选择性价比更高的LED数码管。
通道选择方面，通过对硬件的优化使得避免使用键盘，而只需两个按键开关去实现通道切换。
3.硬件部分
该系统是一个上、下位式多路数据采集系统，下位机用单片机实现，负责数据处理和显示，上位机负责将采集到的数据用坐标的形式动态描绘出结果。
上位机和下位机之间用RS-232进行通信。
该部分由AT89C52、ADC0809、MAX232、LED数码显示器组成。
3.1单片机
3.1.1单片机的概述
单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。
总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：
集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。
[9]
单片机按内部数据通道的宽度，可分为4位、8位、16位及32位单片机。
它们被应用在不同领域里，8位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。
8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。
随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势：
1、微型单片化
2、低功耗CMOS
3、与多品种共存
4、可靠性和应用水平越来越高
单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。
然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。
它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能。
3.1.2单片机最小系统
AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
[8]单片机最小系统如图3.1所示。
图3.1AT89C52最小系统
它一共有40个引脚，引脚又分为四类。
其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作电源。
工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。
还有两个时钟引脚XTAL1、XTAL2。
还有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引脚构成的单片机的输入/输出（I\O）引脚。
最后一种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位功能。
综上所述，单片机的引脚特点是：
1、单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。
2、单片机具有四种总线形式：
P0和P2组成的16位地址地址总线；
P0分时复用为8位数据总线；
ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX组成控制总线；
而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。
89C52单片机的主要功能
●与MCS-51单片机产品兼容
●8K字节在系统可编程Flash存储器
●1000次擦写周期
●全静态操作：
0Hz～33Hz
●三级加密程序存储器
●32个可编程I/O口线
●三个16位定时器/计数器
●八个中断源
●全双工UART串行通道
●低功耗空闲和掉电模式
●掉电后中断可唤醒
●看门狗定时器
●双数据指针
●掉电标识符
3.2LED数码管显示器
简单的讲，LED数码显示器就是由发光二极管组成的，LED数码显示器有两种连接方式：
（1）共阴极接法：
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。
每个发光二极管的阳极与输入端相连。
（2）共阳极接法。
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字的七段，再加上1个小数点位，共计八段。
各段位码位的对应关系如表3.1所示。
表3.1段位码对应关系
段位码
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位码段
dp
g
f
e
d
c
b
a
本设计用四位共阴数码管作为显示部分。
3.3模数转换器ADC0809
在我们所测控的信号中军事连续变化的物理量，而要对这些信号进行处理,则需要将其转换为数字量，A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量。
按模拟量转换成数字量的原理可以分为3种：
双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转换器。
而该系统选用的是ADC0809，下面就具体的介绍一下ADC0809的工作原理。
ADC0809是八通道的八位逐次逼近式A/D转换器。
由单一的5V电源供电，片内带有锁存功能的8选1的模拟开关。
由C、B、A的编码来决定所选的模拟通道。
转换时间为100us。
转换误差为1/2LSB。
它的引脚的排列及其功能，其引脚图见图3.3。
图3.3ADC0809引脚图
IN7~IN0：
八个通道的模拟输入量。
ADDA、ADDB、ADDC：
模拟通道地址线。
当CBA=000时，IN0输入，当CBA=111时，IN7输入。
ALE：
地址锁存信号。
START：
转换启动信号，高电平有效。
D7~D0：
数据输出线。
三态输出，D7是最高位，D0是最低位。
OE：
输出允许信号，高电平有效。
CLK：
时钟信号，最高频率为640KHZ。
EOC：
转换结束状态信号。
上升沿后高电平有效。
Vcc：
+5V电源。
Vref：
参考电压。
3.4串口通信RS-232C
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。
由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。
在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。
RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。
它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。
（1）接口的信号内容实际上RS-232C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。
RS-232C最常用的9条引线的信号内容。
见表3.2所示
表3.2RS-232C
引脚序号
信号名称
符号
流向
功能
2
发送数据
TXD
DTE->
DCE
DTE发送串行数据
3
接收数据
RXD
DTE<
-DCE
DTE接收串行数据
4
请求发送
RTS
DTE请求DCE将线路切换到发送方式
5
允许发送
CTS
DCE告诉DTE线路已接通可以发送数据
6
数据设备准备好
DSR
DCE准备好
7
信号地
信号公共地
8
载波检测
DCD
表示DCE接收到远程载波
20
数据终端准备好
DTR
DTE准备好
22
振铃指示
RI
表示DCE与线路接通，出现振铃
（2）接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。
即：
逻辑“1”，-5—-15V；
逻辑“0”+5—+15V。
噪声容量为2V。
即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高于—3V的信号作为逻辑“1”。
（3）接口的物理结构RS-232C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端,插座在DTE端。
一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。
所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。
（4）传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。
3.5简介MAX232
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电，可以实现TTL电平与RS-232C电平相互转换的IC芯片。
MAX内部结构图如图3.4所示
图3.4MAX内部结构图
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；
DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
引脚结构图如图3.5所示：
图3.5MAX内部结构图
其中引脚1-6（C1+、V+、C1_、C2+、C2-、V-）用于电源电压转换，只要在外部接入相应电解电容即可；
引脚7-10和引脚11-14构成两组TTL信号电平与RS-232C信号电平的转换电路，对应引脚可直接与单片机串行口的TTL电平引脚和PC的RS-232C电平引脚相连。
4.软件部分
该设计软件部分分为下位机与上位机两部分。
下位机用KeilUvision4编写程序，上位机用VisualBasic6.0编写程序。
4.1下位机软件部分
4.1.1简介KeilUvision4
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（UVISION）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
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