数据采集系统设计毕业论文.docx

数据采集系统设计毕业论文.docx

《数据采集系统设计毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数据采集系统设计毕业论文.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数据采集系统设计毕业论文

数据采集系统设计毕业论文

摘要I

第1章前言1

1.1设计的研究意义1

1.2系统的现状和发展趋势1

1.3设计的主要任务2

第2章数据采集系统总体功能介绍和说明3

2.1系统实现的功能3

2.2系统各部分的功能3

2.2.1信号调理部分4

2.2.2数据处理部分6

第3章数据采集系统硬件设计9

3.1主要芯片介绍9

3.1.18051AH的功能特点9

3.1.2ADC0809的功能特点11

3.1.3LF398芯片介绍13

3.2功能模块电路设计14

3.2.1数据采集模块电路设计14

3.2.2查询打印模块电路设计18

第4章数据采集与通信系统软件设计20

4.1单片机数据采集的分析与设计22

4.2单片机与PC通信的分析与设计23

4.3查询，打印功能的实现27

第5章误差分析29

结束语30

致谢31

参考文献32

附录33

第1章前言

1.1设计的研究意义

数据采集系统的任务就是将采集到的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。

并将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的实时监控。

在生产生活的各个领域，数据采集系统几乎无处不在，凡是有自动监测及控制的地方都会有数据采集系统的身影出现；从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象到的地方都有使用数据采集系统的需求。

因此，对本课题的研究有极其广阔的发展前景和巨大的经济价值。

数据采集系统起始于20世纪50年代，由于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。

到了70年代中后期，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。

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。

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。

例如，国际标准ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。

这类系统主要用于实验室，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，例如：

STD总线系统。

这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱，然后由一台计算机控制。

第二类系统在工业现场应用较多。

这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用 电缆接入系统或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台的重建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。

1.2系统的现状和发展趋势

时至今日，由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的数据采集系统。

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。

目前有的DAS（Dataacquisitionsystems—数据采集系统）产品精度已达16位，采集速度每秒达到几十万次以上，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。

该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，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，迅速地组成一个新的系统。

该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有VXI总线系统，PCI总线系统等，数据位已达到32位总线宽度，采样频率可以达到100MSps。

由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。

串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高，数据采集系统物理层通信，由于采用RS485双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。

其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。

由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。

随着现代生产规模的扩大和生产水平的不断提高，对生产过程自动化水平也相应地提出了更高的要求。

目前采用单片机控制并利用编程的方式，可以很方便地发出控制命令和改变系统中控制器的算法与计算参数；尤其是在需要进行一些复杂而又精确的计算时，采用单片机来进行运算，在提高运算速度和精度等方面都显示了无可比拟的优越性。

模拟控制器由于受元件等因素的影响，在制作和实现采集等方面具有一定的局限性，如在控制器有很大的时间常数时，模拟控制器的电容器的体积就相当可观；但若采用单片机来实现大的纯延迟时间的控制器就显得非常方便的，如要改变参数，只要调整程序，而不需要更改更多的硬件。

1.3设计的主要任务

以单片机为核心设计一个数据采集系统，可以完成数据的多重采集和多个数码管显示测量结果，同时保证采集数据的准确性。

最后并用打印机记录数据。

第2章数据采集系统总体功能介绍和说明

在检测系统中，各个组成部分是以信息流的过程来划分的。

检测时，首先获取被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，然后进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。

所以一个检测系统主要分为信息的获得、信息的转换、信息的处理和信息的输出等几个部分，如图2-1。

图2-1系统的框图

2.1系统实现的功能

1、8路数据采集：

可以进行8路0～5V的模拟电压进行循环采集，每路采集的8次，超出界限LED显示报警，将采得的数据求平均。

2、及时保存数据：

对采集的数据按时间及时进行保存。

3、数字实时显示：

LED将实时显示采集的数据，并且能够显示查询时输入的查询量和查询到的数据。

4、可以将采集的数据及时上传到上位PC机功能。

2.2系统各部分的功能

要完成这些功能主要依靠传感器、信号处理电路、显示装置、数据处理装置和执行机构等。

其具体组成框图如图2-2所示。

图2-2系统功能实现图

被检测的各种参数（温度、流量、压力、位移、速度等）由传感器变换成易于后续处理的电信号。

由于传感器输出信号太弱或信号质量不高，应经过前端预处理电路进行放大、滤波等，然后经过数据采集系统转换成数字量，并通过接口送入存储器，经过单片机运算、变换处理后，由数据分配子系统和接口输出到执行机构，由基本系统及其接口输出用于显示、记录、打印或绘制成各种图表、曲线等。

此外，其他仪器仪表或系统通过通信子系统及接口完成相互之间的信息交换和互连。

所以我们把微机自动检测系统也常称为计算机数据采集系统，或简称为数据采集系统。

微机自动检测技术不仅能解决传统的检测技术不能或不易解决的问题，而且能简化电路、增加功能、提高精度和可靠性等，还能实现人脑的部分功能，使自动检测系统具有智能化，实现代替人工自动检测的目的，随着微机自动检测技术的不断发展，自动检测系统会变得更加智能化、多功能化。

2.2.1信号调理部分

信号调理电路的主要作用就是把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。

根据测量对象和显示方法的不同，信号处理电路可以是简单的传输电缆，也可以是由许多电子元件组成的数据采集卡，甚至包括计算机在的装置。

如图2-3

图2-3信号调理图

（1）传感器接收被测量（如物理量、化学量、生物量等），然后才能将其变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的量（通常为电学量）。

它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。

（2）从传感器过来的信号较小（常用热电偶的输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之间，电阻应变片输出电压的变化只有几个毫伏，人体生物电信号仅是微伏级）。

因此需要加以放大才能满足大多数A/D转换器的满量程输入0～5V的要求。

此外，某些传感器阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。

由于各类传感器输出信号的情况各不相同，因此需要的放大器种类也很多。

例如，为了减少输入信号的共模分量，就采用各种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器；为了使不同数量级的输入电压都具有最佳变换，就产生了量程可以变换的程控放大器；为了减少放大器输入的漂移，就产生了斩波为零和激光修正的精密放大器。

（3）传感器以及后续处理电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声，常见的工频信号就是人为干扰源。

为了提高模拟输入信号的信噪比，常常需要使用滤波器对噪声信号进行一定的衰减。

（4）在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟开关来实现，这样可以简化设计，降低成本。

多路模拟开关可以分时选通多个通道中的某一路通道。

因此，在多路模拟开关后的单元电路，如采样/保持电路、模/数转换电路以及处理电路等，只需要一套即可，这样可以节省成本和体积，但这仅适用于物理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下。

因为这时可以使用普通的微秒级A/D转换器从容地分时处理这些信号。

但当分时通道较多时，必须注意泄露及逻辑安排等问题，当信号频率较高时，使用多路开关后，对A/D转换速率要求也随之上升。

在数据通过率超过40～50kHz时，一般不宜使用分时的多路开关。

模拟开关也可以根据需要安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，需注意选择多路模拟开关的类型；若选用继承电路的模拟多路开关，由于它比干簧和继电器组成的多路模拟开关导通电阻大、泄露电流大，因而有较大的误差产生。

所以要根据具体情况来选择多路模拟开关。

2.2.2数据处理部分

图2-4数据处理框图

从传感器采集来的数据经过信号调理电路，信号做好了模数转换的准备。

模拟信号要变成数字信号，首先要经过采样，采样保持器是快速拾取输入信号的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样保持电路放在模拟多路开关之前（每通道一个），这可实现对瞬时信号同时进行采样。

数据采集的采样方式有两种选择：

一为“实时采样”；一为“等效时间采样”。

（1）实时采样：

数据采集开始后，信号波形的第一个采样点即被采入并数字化，经过一个采样间隔后。

再采入第二个采样点，这样一直将整个信号波形数字化并存入存储器中。

为了不丢失被采样信号所携带的信息，实时采样的采样频率应满足采样定理（香农定理）的要求，当采样频率不满足采样定理时将产生信号混叠现象，使采样后波形中增加了额外的低频成分，造成失真，引起误差。

在工程上采样频率应取被采样信号所含最高频率的两倍．通常采用10-20倍。

实际测量时信号往往会混入各种噪声，谐波成分丰富，频带很宽，智能仪表的采样速度很难达到采样定理的要求，这时就应在A/D转换之前加入抗混叠模拟滤波器，滤掉多余的高频分量。

除了“定时采样”（等间隔采样）外，“实时采样”通常使用“变步长采样”，即“等点采样”。

这种方法不论被测信号频率如何，一个信号周期均匀采样的点总数为N个。

由于采样周期随被测信号周期变化，故通常称之为“变步长采样”。

（2）“等效时间采样”技术要求信号波形是可以重复产生的。

由于波形可以重复取得．因此采样可以用较慢的速度进行，采集的样本可以是时序的（步进、步退、差额），也可以是随机的。

这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形。

评价智能仪表数据采集部分的主要技