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智能仪器设计论文
引言
数据采集系统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。
本次设计中数据采集系统是基于单片机的测量软硬件来实现灵活的测量显示系统，它主要完成数据信息的采集、A/D转换、标度变换、数据显示及实现报警系统。
随着计算机技术的飞快发展和普及，以数据采集系统为核心的设备也迅速在国内外得到了广泛的应用，现代工业生产和科学研究对数据采集的要求也越来越高。
第1章数据采集系统概述
1.1数据采集系统发展概况
数据采集系统起始于20世纪50年代,1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非熟练人员进行操作,并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。
由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性,可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。
大约在60年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
20世纪70年代中后期随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统，由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。
从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。
就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。
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极大的发展，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，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成，第二类以数据采集卡标准总线和计算机构成。
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术工业等领域被广泛应用。
由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统。
1.2数据采集系统的应用
数据采集系统的硬件设备又叫数据采集器，根据数据采集器的使用用途不同，数据采集器大体上可分为两类：
在线式数据采集器和便携式数据采集器。
在线式数据采集器又可分为台式和模块式，台式、便携式数据采集器大部分由交流电源供电，模块式数据采集器大部分由直流电源供电，一般是非独立使用的。
在采集器与计算机之间由电缆联接构成数据采集传输系统，一般不脱机单独使用。
数据采集器的应用涉及到众多的领域，下以介绍数据采集器及系统的几种典型应用。
数据采集器在实验室的应用，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：
⑴传感器，利用先进的传感技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；⑵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；⑶软件，中文及英文的应用软件。
数据采集器在物流供应链管理中的应用，便携式数据采集器的另一种类型是为扫描物体的条码符号而设计的，适合于脱机使用的场合。
识读时，与在线式数据采集器相反，它是将扫描器带到条码符号前扫描，因此又称之为手持终端机、盘点机。
它由电池供电与计算机之间的通信并不与扫描同时进行，它有自己的内部储存器，可以存储一定量的数据，并可在适当的时候将这些数据传输给计算机。
与此同时，数据采集器在海洋站自动监测系统中起到中坚作用，它是海洋站业务化运行能否实现自动化的关键。
第二章总体方案设计
本次智能仪器课程设计的主题是数据采集与显示，这个系统主要有：
数据采集系统、数据处理系统、数据显示系统和键盘控制系统。
数据采集系统是将外部非电量转化成电信号，再将电信号转换成数字量，便于单片机对这些变量做进一步的运算。
当然，这一部分还包括放大、滤波等部分，在这次设计中，我们直接采集的是单片机板上0～5V的电压。
数据处理系统主要是对采集过来的数据进行标度变换。
数据显示系统的作用主要是将处理过的数据通过LED显示出来。
数据采集系统流程如图2-1所示。
图2-1数据采集系统流程图
根据本次课程设计的要求，硬件所需元器件的作用主要是实现采集与显示。
单片机AT89C52是这个设计的核心，它不仅进行数据处理的工作，而且控制这个系统的运行。
现在采集的芯片多种多样，这里我们使用的是采用串行通信方式的ADC0832，ADC0832数据转换器的主要功能是将外部模拟电信号转换成8位的数字量，这个类型的转换器转换精度相对较高，而且可靠性高。
显示部分主要的元器件是74LS164，它接受单片机的显示数据并将其传送给LED数码管。
本次设计数据采集系统主要的元器件如表2-1所示。
表2-1数据采集系统所用元器件
序号
器件名称
参数及说明
数量
1
AT89C52单片机
1
2
ADC0832转换器
1
3
滑动变阻器
1
4
电容
C1、C2为30pF；C3为10µF
3
5
晶振
12MHz
1
6
按钮开关
5
7
74LS164移位寄存器
4
8
LED数码管
4
9
蜂鸣器
1
10
电阻
若干
2.2压力传感器原理
半导体压电阻型
半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。
静电容量型
静电容量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动
极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。
（E8Y的动作原理便是静电容量方式，其他机种采用半导体方式）。
2.3数据采集系统软件设计思路
智能仪器课程设计软件部分采用C51语言设计，整个程序大体可以分为主程序与各种功能的子程序。
其中主程序主要的作用是初始化与调用子程序，程序执行过程的实质就是在执行主程序，在这个过长中通过调用程序，实现要求的功能。
每个子程序都有特定的功能，在本设计中主要有一下程序：
初始化子程序、数据采集子程序、标度变换子程序、数码管显示子程序、键盘扫描子程序、报警子程序、中断程序以及各个端口定义程序。
初始化程序中主要完成的任务有单片机上电初始化、定时器初始化以及各个端口初始化。
数据采集程序主要的作用是完成数据采集功能，将外部电信号转换成数字量。
标度变换程序的作用是将采集来的数字量转换成我们需要的量程范围。
键盘扫描程序是定时扫描K1、K2、K3、K4。
报警程序是当测量值大于报警值时，发出报警铃声。
定时中断程序的任务是在计时时间到时，给计数器赋予初始值，并完成键盘扫描程序及相关变量技术。
显示子程序的作用是从单片机串行接收数据，将接受的数据依次送到LED数码管显示，本次设计中每隔1s显示一次数据。
这个程序实现的流程如图2-2所示。
图2-2程序流程图
第三章硬件设计
3.1数据采集系统硬件设计方案
数据采集系统的硬件系统是由电源、滑动变阻器、模数转换模块ADC0832、单片机AT89C52、晶振电路、复位电路、移位寄存器74LS164、数码管LED、电平转换芯片MAX232、九针串口、按键等组成的。
信号由电源和滑动变阻器分压得到，因为单片机只能接受数字信号，所以要将电压模拟量通过ADC0832转换成数字量，再由单片机对采集过来的数字量进行标度变换等操作。
用74LS164对采集过来的数据进行静态显示。
用按键设置显示的不同界面以及调节报警上限值，当采集的数据高于上限值时，系统便发出报警铃声。
3.2数据采集系统主要硬件介绍
电子计算机是一种高速而精确地进行各种数据处理的机器，俗称电脑。
这是人类生产和科学技术发展的产物，它的出现又有力地推动了生产力的发展。
在微处理器问世不久，便出现了一个大规模集成电路为主组成的微型计算器，即单片微型计算机。
由于单片机面向控制性应用领域，嵌入到各种产品之中，以提高产品的智能化，所以单片机又称为嵌入式微控制器。
典型的单片机内部结构如图3-1所示。
图3-1典型的单片机内部结构
单片机是以一个大规模集成电路为主组成的微型计算机，在一个芯片内含有计算机的基本功能部件：
中央处理器（CPU）、存储器和I/O接口，CPU通过内部的总线和存储器、I/O接口相连。
其中CPU是单片机的核心部件，它包括运算器和控制器，CPU控制数据的处理和整个单片机系统的操作。
单片机的存储器都是半导体存储器，通常程序存储器和数据存储器分布于不同地址区域，类型也不同。
由于单片机的应用多种多样，因此单片机I/O接口的种类也很丰富。
3.2.2ADC0832模数转换器的工作原理
在工业控制和智能化仪表中，通常由微型计算机进行实时控制及实时数据处理。
计算机所加工的信息总是数字量，而被控制或被测量的有关参量往往是连续变化的模拟量，如温度、速度、压力等，与此对应的电信号是模拟信号。
模拟量的存储和处理比较困难，不适合作为远距离传输且易受干扰。
在一般的工业应用系统中传感器把非电量的模拟信号变成与之对应的模拟信号，然后经模拟（Analog）到数字（Digital）转换电路将模拟信号转成对应的数字信号送微机处理。
这就是一个完整的信号链，模拟到数字的转换过程就是我们经常接触到的ADC（AnalogtoDigitalConvert）电路。
本次智能仪表课程设计，我的题目是数字显示仪表，需要将模拟信号转换成数字量，经过LED数码管显示采集的数据。
ADC0832采用串行通信方式，ADC0832是8脚双列直插式双通道A/D转换器，能分别对两路模拟信号实现模—数转换，可以用在单端输入方式和差分方式下工作。
通过DI数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送。
8位的分辨率（最高分辨可达256级），可以适应一般的模拟量转换要求。
具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
ADC0832具有以下特点：
•8位分辨率；
•双通道A/D转换；
•输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
•5V电源供电时输入电压在0～5V之间；
•工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
•一般功耗仅为15mW。
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时使用并与单片机的接口是双向的，所以在I/O口资源紧张时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（CLK）输入端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。
在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能。
ADC0832引脚如图3-2所示。
图3-2ADC0832引脚图
3.2.374LS164移位寄存器的工作原理
74LS164是高速硅门CMOS器件，与低功耗肖特基型TTL（LSTTL）器件的引脚兼容。
74LS164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。
数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。
两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。
时钟（CP）每次由低变高时
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