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数据采集论文
摘要
随着科学技术的发展和微型计算机技术的广泛应用，数据采集监测已成为日益重要的检测技术。
在现代工业中，多路数据采集已被广泛应用于工业和农业等等场合，因此对数据采集系统的许多方面，如采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求。
目前常用的方式是在PC机中安装数据采集卡，它采集速率高，数据传输速度快，但是安装不方便，价格高，所以设计一种安装方便、价格低的实用数据采集系统很有必要。
结合单片机的相关知识本论文设计和完成了基于ATmega16AVR单片机的多路数据采集系统的设计。
系统可以采集多路信号，如电压、电流、频率和开关量等，在显示模块上准确显示，可以经过改进应用在监控多路温度、湿度和压力等场合。
系统的实现是利用MEGA16自带ADC转换的强大功能，将模拟量等数据采集并传送到主机，然后送到12864液晶显示器上显示。
多路数据采集系统最多可采集8路模拟数据，通过键盘可以选择采集相应的数据。
另外，本装置还可以通过RS232接口与电脑连接，数据送到电脑后可以显示在屏幕上，有广大的应用前景。
关键词 单片机;液晶显示器;电位器;数据采集
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtherangeofmicro-computertechnologyapplicationsbecomingwiderandwider,datacollectionhasbecomeincreasinglyimportanttomonitorthedetectiontechnology.Inmodernindustry,multi-channeldataacquisitionhasbeenwidelyusedinindustryandagriculture,andsoon.Sothedemandinmanyareasofthedatacollectionsystem,suchasthesamplingrate,resolution,memorydepth,digitalsignalprocessingspeed,anti-interferencecapabilityisgetingincreasinglyhigh.NowthecommonlyusedmethodistoinstalldataacquisitioncardsinPC,thesecardshaveahighrateofcollectionanddatatransmission.Butitisnotconvenienttoinstall.Soitisnecessarytodesignainexpensiveandpracticaldataacquisitionsystem.
WiththeknowledgeofMCUIhavedesignedandcompletedathesisonATmega16AVRmicrocontrollerchiptocontrolthemulti-channeldataacquisitionsystemdesign.Thepurposeofthisdesigniscollectingmultiplesignals,suchasvoltage,current,frequencyandvolumeswitch,accuratelydisplaymodulethatcanbeimprovedintheapplicationofmulti-monitortemperature,humidityandpressure,andotheroccasions.itsownsystemusingthepowerofconversion,dataacquisitionandwillbesentittothehost,thento12864LCDdisplay.Atmostitcangetupto8channelstocollectinformation,whichcanrelyonthekeyboardtochoiceakindofidea.Inaddition,thedevicecanalsoconnectRS232interfacewiththecomputer.Datacandisplayonthescreenaftersentingbacktocomputer.Thereareamajorityoftheapplication.
KeywordsMCU;Liquidcrystaldisplay;Potentiometers;Dataacquisition
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第1章绪论
1.1课题背景
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，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。
在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。
它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。
各种类型信号采集的难易程度差别很大。
实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。
数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。
随着电子技术的不断进步，芯片处理速度大幅提高，同时，接口技术的发展和软件的进步越来越快，当今的数据采集效率在各方面的应用都得到了飞速的提升数据采集。
网络化制造系统中的信息化终端是在车间环境中实施网络化制造的关键装置之一，而数据采集系统是实现制造企业整个生产过程的信息集成，实施综合自动化，以及网络化制造中设备层远程监控的基础。
在实际应用中，数据采集常常和工业控制联系在一起，形成一套完整的数据采集监控系统。
由于各种工业现场条件不同，对现场的数据采集与控制功能的要求也不尽相同，而且各种信息化终端采用的体系结构和设计方案都有很大的差异，因此如何在各种信息化终端的基础上灵活扩展数据采集与控制模块来满足现场需要具有很大的研究意义。
1.2数据采集技术与特点
1.2.1数据采集技术分析
在现有的资料中，多路数据采集系统一般由CPU模块、数据采集模块、数据输出模块、时钟模块、液晶显示模块、RS-232通讯模块、CAN总线模块、DeviceNet模块、电源模块组成。
主要设计了模拟量采集接口电路、CPU外围电路、通讯模块接口电路。
其中典型的有为实现数据的定时采集和按时间日期保存数据而扩展了一片实时时钟日历芯片DS12887；为便于输入各种数据而扩展了键盘接口管理器件SK5278；为便于实时显示采集的数据及人机交互而扩展了中文液晶图文显示器；为便于将采集的数据传送给上位计算机进行数据的处理分析而使用MAX232扩展了RS-232接口，而大部分功能都由单片机芯片中实现。
1.2.2数据采集的的特点
单片机系统采集的信号有模拟电压信号、模拟电流信号、PWM信号、数字逻辑信号等。
现在，绝大多数传感器的信号都是模拟量，电流和电压。
所以模拟信号的采集应用最为广泛，处理过程也相对复杂。
相对于模拟信号，PWM信号和数字逻辑信号的采集比较直接，单片机能够直接处理这类信号，无需额外的器件进行信号转换。
1.3数据采集技术的发展状况
随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统迅速得到广泛应用，它渗透到工业、地质、医疗器械、通讯、遥感遥测等各个领域，为获取信息提供了良好的基础。
在生产过程中应用这一系统，可实现对生产现场各种参数的采集、监视和记录，为安全生产、提高产品质量、以及降低成本和减少损失提供信息和手段。
1.3.1数据采集的的研究现状
常用的数据采集系统有两种。
一是以MCU为核心的数据采集系统，即MCU+A/D形式。
它的主要构成通常包括传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样保持器,A/D转换器、MCU及特殊外设等组成部分。
这类系统具有价格低廉、体积小、结构简单、功能强大、应用灵活、稳定可靠等许多优点，因而得到了人们充分的关注并发展成熟起来，现己广泛应用于工业控制、仪器仪表以及简单的通讯设备中;而且，由于功能的添加和技术改进，它们在这些领域还占有相当的数量。
这种数据采集系统注重的是数据采集和控制的实时性，除了进行一些简单的数字处理之外，一般不进行大规模的数据存储，这是由单片机本身的架构所决定的。
对于一些比较复杂的应用场合，比如通讯和控制领域，这种基于MCU的数据采集系统的应用就受到限制。
合具备相应能力的数据采集和控制的硬件模块。
但是，由于各种信息化终端采用的体系结构和设计方案各有不同，要让信息化终端针对每种现场需求量身定制数据采集与控制模块不大现实，因为这需要针对不同的现场要求开发不同的硬件和软件，这样会大大增加产品的开发周期和成本，同时也不利于信息化终端的抗干扰和可靠性的设计。
因此，如何在降低成本，保证信息化终端的可靠性，又能够灵活的适应各种工业现场对数据采集与控制功能不同要求的前提下，为各种信息化终端开发出能够灵活扩展的通用数据采集与控制模块成为本文重点研究的内容。
目前关于多路数据采集系统已经有很多较为成熟的课题，集成度也很高。
数据采集技术是一种广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域的电子技术。
目前，低速、低分辨率的数据采集技术已相当成熟，因而系统的组建也相对容易，而近年来，随着数字化技术的不断发展，数据采集技术呈现出速度更高、通道更多、数据量更大的发展态势，这种高速、高分辨率的数据采集系统存在很多实际技术问题，其关键技术在于高速A/D技术、抗干扰技术、数据的存储和传输技术、信号调理技术和接口技术等。
随着PXI总线系统的产生，为研制作为自动测试系统的基本模块数据采集模块提供了非常理想的环境。
二是以计算机为控制核心的数据采集系统，可归结为PC+数据采集板卡的形式。
自从IBM公司的个人计算机问世以来，PC及其兼容机的应用范围越来越广泛。
它不再仅仅局限于科学计算和事务管理，而是与基于PC的各种内总线的接口卡结合，逐渐被应用到实时数据采集等测控领域中。
用于工业控制的PC采用了标准总线，包括工控标准总线STD、传输位总线BIT-BUS,CAN总线、PC总线等总线系统。
目前的数据采集板/卡一般都采用PC总线，可以插入主机内形成内插式工作方式。
这些总线技术利用PC机强大的数据处理能力、丰富的软硬件资源，为数据的应用提供了非常有利的条件:
a.用户环境好，系统投运时对操作人员的培训期短；
b.软件开发便利，有许多成熟的支持程序和应用程序可利用和借鉴;
c.维护支持环境好。
与前一种数据采集系统相比，PC+数据采集卡方式的数据采集和处理的速度比较快;但是PC的接口资源有限，而且需要对接口卡的硬件资源进行合理配置，扩展难度较大。
虽然后来推出的即插即用接口标准（PCI和ISAPnP），由基本输入输出系统和操作系统自动完成对接口卡的资源配置，使得功能扩展接口卡的使用变得相对简单方便，但仍然存在如下一些问题。
第一，卡的配置必须停机，并且需要打开PC机箱进行安装和拆卸，使用仍然存在很大的不方便之处。
第二，接口卡设备驱动程序的安装、调试，甚至正常运行过程都需要各种技术支持，特别是接口卡作为一种硬件设备插入PC后，要占用PC的各种硬件资源，其安装配置过程仍然需要人工干预。
当扩展卡较多时，常常会出现因一块或多块插卡无法合理配置而不能正常工作的情形，严重时甚至导致整个系统崩溃。
第三，接口卡的质量高低、兼容性、以及驱动程序的可靠性直接影响计算机的寿命和系统的稳定性。
第四，对于笔记本电脑等小型PC很难对插卡接口进行扩展。
随着科学技术的进步发展，数据采集装置的性能不断提高。
简单的说，数据采集装置已经历了四不发展阶段:
（1）初期阶段它由电磁机械结构的继电器多路开关，低性能的A/D转换器，以及由数字寄存译码电路及打印机组成的数据处理部件三者构成，而同步控制器是简单的顺序控制器。
（2）早期阶段逐渐形成专用装置，通称巡回检测装置，各部件性能有较大改进，如输入切换开关的半导体化，控制器的功能复杂化，A/D转换器精度的提高等等，使这种装置的应用性能不断提高，获得大量推广。
（3）中期阶段上述装置均为服务于某一特定测量对象的专用设备而缺少通用性，因而人们采用了更先进的应答式控制方式，创造了通用性很强，能适用于许多对象的装置。
但无论是早期或中期的装置，都是结构复杂、体积庞大、价格昂贵、阻碍了更广泛的应用。
（4）近期阶段由于计算机和微电子技术的发展，使数据采集装置进入了一个全新的阶段。
有较早的上架安装演进到今天功能强大的模块化数据采集装置，它不但性能好、实用性强、功能多、并且体积小。
具有代表性的是基于ISA,PCI,GPIB,VXI,PXI等总线的数据采集模块，辅以软件便构成了功能强大的虚拟仪器。
本文由五章组成。
第一章综述了数据采集技术的简介、技术、特点和发展状况。
第二章介绍系统的总体设计方案，其中包括有关设计的总体工作流程、系统方案的论证和总的系统框图。
第三章介绍各硬件电路的设计。
在本章中简要的介绍了ATMEGA16单片机的功能、内部结构和外围电路，12864液晶显示屏、MAX232、DB9针串行口各引脚的定义、时序图和与单片机的电路连接。
第四章介绍软件的设计。
本章主要是介绍C语言的应用和优势，描述了液晶显示、键盘、串口、读写时间的程序和画出各部分的程序框图。
第五章对本设计的工作进行了概括和总结。
第2章系统总体方案设计
2.1系统方案论证
2.1.1电源模块的选择
方案一：
双电源供电。
将继电器驱动电源与单片机及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。
方案二：
所有器件采用单一5V电源。
这样供电比较简单。
经过上述分析，拟采用方案二，电源电路如图2-1所示。
图2-1电源电路
2.1.2显示模块的选择
方案一：
通过单片机，直接驱动LED。
LED应用可分为两大类：
一是LED单管应用，包括背光源LED，红外线LED等；另外就是LED显示屏。
LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。
它采用低电压扫描驱动，优点是：
使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、电路结构简单、可视距离远等。
缺点是：
体积大，功耗和散热量高（LED与LCD的功耗比大约为10:
1）、占用的I\O口数量多，编程比较复杂。
方案二：
：
通过单片机，直接驱动LCD。
其工作原理就是利用液晶的物理特性：
通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。
LCD的好处有：
与LED相比，LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利、占用的I\O口数量少等。
缺点是：
价格昂贵。
经过上述分析，在本设计中，显示电压时最少要用四个LED，这样最少也需要12个I\O口，如果用LCD显示只需要3个I\O口，还有就是从编程的角度考虑，LCD的编程比较简单和易于管理，拟采用方案二。
2.1.3键盘模块的选择
方案一：
矩阵式键盘。
矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如图2-4所示。
图2-4矩阵式键盘电路
矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开的两端，行线通过上拉电阻接到＋5V上。
当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。
这是识别按键是否按下的关键。
然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。
由图可知，一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。
方案二：
独立式按键。
单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。
独立式按键电路如图2-3所示。
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。
此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。
当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。
独立式按键软件常采用查询式结构。
先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线。
图2-3独立式按键电路
经过上述分析，本设计单片机所用按键少，拟采用方案二。
2.2系统总体方案设计
本次多路数据采集系统的设计，主要是以ATMEGA16单片机为控制核心，由多路模拟量输入、频率量输入、开关量输入、12864液晶显示模块、键盘模块、MAX232转换模块和单片机七个部分组成。
本设计主要研究的是从采集多路输入量，然后通过单片机送入12864液晶屏上准确显示，由于采集信号时有干扰，为了能够获得更准确的结果，本设计采取了前端调整电路，同时，还可以通过按键控制采集指定的那路信号。
系统框图如图2-4。
图2-4系统框图
第3章系统硬件设计
3.1总体设计部分
本系统应具有如下功能:
（1）可实现模拟量8路单端输入，通道循环扫描;
（2）可程控量程转换;
（3）可选的多种触发方式;
其主要性能指标如下:
（1）8通道单端信号输入，最高采样率200ksps;
（2）分辨率:
10bits;
（3）准确度:
0.01%;
（4）输入信号电压范围:
0-+O.1V,0-+1V,0-+2V及0-+5V四种方式可程控选择。
电路设计的原则有以下几点：
（1）软硬结合。
在单片机应用系统中，许多硬件能完成的功能也可以由软件完成。
用软件来实现的硬件功能可以减少硬件电路，但响应时间则比硬件实现要长的多，而且占用许多CPU的执行时间，且部分算法的实现往往非常复杂。
在考虑硬件软化是需要考虑这些因素。
（2）选用典型的芯片促进硬件系统的标准化和模块化。
（3）全面规划系统资源，再进行系统开发是要考虑系统的扩展，以利于系统的二次开发。
（4）信号兼容性。
考虑设计好的单元电路之间接口信号的类型，如TTL信号与RS-232信号的转换、高速信号与低速信号的缓冲等等。
根据以上原则，进行硬件设计。
3.2硬件电路设计部分
3.2.1MEGA16单片机
本设计选用ATmega16单片机作为系统的CPU。
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPSMHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
产品特性：
（1）131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期
（2）32个8位通用工作寄存器
（3）全静态工作
（4）工作于16MHz时性能高达16MIPS
（5）只需两个时钟周期的硬件乘法器
ATMEGA16还配有16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数（T/C）,片内/外中断，可编程USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
本芯片是以ATMEL高密度非易失性存储器技术生产的。
片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。
引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlashMemory）。
在更新应用Flash存储区时引导Flash区（BootFlashMemory）的程序继续运行，实现了RWW操作。
通过8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
JTAG接口符合JTAG标准的边界扫描功能支持扩展的片内调试功能。
通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程外设特点：
（1）两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数
（2）一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数
（3）具有独立振荡器的实时计数器RTC
（4）四通道PWM
（5）8路10位ADC，8个单端通道
（6）TQFP封装的7个差分通道
2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道：
–面向字节的两线接口
–两个可编程的串行USART
–可工作于主机/从机模式SPI串行接口
–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
–片内模拟比较器
ATmega16的引脚图如图3-1。
图3-1ATmega16的芯片图
引脚说明如下：
VCC：
数字电路的电源
GND：
地
端口A（PA7—PA0）：
端口A做为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。
端口B（PB7—PB0）：
端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。
端口B也可以用做其他不同的特殊功能。
端口C（PC7—PC0）：
端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。
如JTAG接口使能，即使复位出
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