毕业设计基于单片机的数据采集系统设计.docx
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毕业设计基于单片机的数据采集系统设计
摘要
本文提出了一种基于多个MCU通信的实时数据采集系统方案，该系统由监控计算机单元，数据处理单元，总线隔离器单元，接收单片机，数据采集单元组成。
数据处理单元与多个现场采集器为点对点的串行通信方式，在数据处理单元内部，各个通道的数据以双CPU并行通行方式进行处理，处理的结果以串行方式送入监控主机；同时在采集单元与处理单元，处理单元与计算机之间采用RS-485总线进行数据的传送；对于采样的数据，通过可编程键盘/显示接口8279芯片对数据进行显示，筛选，转存。
实际运用证明，该方案具有良好的实时性。
[关键词]数据采集处理系统；单片机（MCU）；串行通信；并行通信
Abstract
Thetextbringsforwardasortofreal-timedatacollectingsystemscheme，whichisbasedonmulti-MCUcorresponding.Thesystemconsistsofsupervisingcomputercell,dataprocessingcell,overall-insulatingcell,inceptingSCManddatacollectioncell.Thedataprocessingcellandthemulti-fieldcollectorsareserialcommunicationwhichareonepointoppositeonepoint.Withinthedataprocessingcell,everypassagedataareprocessedindoubleCPUmerge-capabletransmissionfashion.Then,theprocessingresultsenterthesupervisinghostcomputerinstrand-capablefashion.Atthesametime，wetransmitdatawithadoptingRS-485busbetweenthecollectioncellandtheprocessingcell,andalsobetweentheprocessingcellandthecomputer.Astothesamplingdata,wedisplaythedatabyprogrammingkeyboard/displaying8279CMOSchip,aswellasfiltratinganddepositingthedatawithtransferringfashion.Practicalitymobilizationprovesthisprojecthasfavorablereal-timecharacter.
.
Keywords:
dataacquisitionandprocessingsystem;Microcontrollerunit;
serialdatacommunication;paralleldatacommunication
CATALOG
Refencemap.....................................................................42
第一章引言
随着科学技术和生产的发展，需要对各种参数进行测量，温度是工业对象中主要的被控参数之一。
在冶金工业，化工工业，电力工程，机械制造和食品加工等许多领域中，人们都需要对相应的温度进行实时监测控制。
1．1数据采集系统的组成
数据采集系统的主要内容通常包含硬件（连同单片微机在内的全部电子线路），软件（包括监控管理程序及各功能模块应用软件）及结构工艺等三部分组成。
一般的数据采集系统由：
数据采集单元，A/D转换单元，D/A转换单元，数据传输单元，数据处理单元，键盘/显示电路等几部分组成。
1．2数据采集系统的应用领域及发展前景
数据采集系统的应用范围非常广泛。
随着科学技术的发展，对有用信号进行数据的采集，分析，计算，提取等有较好的运用。
一般的数据采集主要应用于：
（1）生物医学信号处理
（2）多媒体技术与人机交互
（3）导航与现代通信技术
（4）遥感，遥测的应用
（5）人工智能与模式识别，计算机视觉与可视化
（6）雷达，声纳信号处理
（7）微弱信号处理技术
随着数据采集系统被广泛的利用，在特定的行业要获得较精确的采样数据，都需要对该系统进行特殊的要求如：
由于工业现场环境恶劣，很多设备（比如变频器）都是对数据采集产生很大干扰的干扰源；而且一般的采集器都有多路信号输入，它们地线相连会导致干扰通过地线进入正在采集的信号，使得数据采集不准确，因此数据采集器的抗干扰设计十分重要。
所以，在数据采集系统的发展过程中，为满足特定的要求，数据采集系统的发展方向主要由：
1）系统抗干扰性保证获得的数据较精确。
如：
可设计一个数据采集器，它除了正常的低通滤波，RC滤波外，还可用PHOTOMOS光继电器对每路信号进行隔离，每路信号的地线都独立开来。
2）实时通信保证数据处理单元能较快的得到要处理的数据，提高了主机的运行效率，如：
采集现场与处理单元距离短可用RS-232总线，距离长可用RS-485总线。
3）高速数据采集一般数字信号的获得需要对模拟信号进行采集，这就需要高
速，高性能的A/D转换相适应。
4）低功耗性适合与电池供电和空间受限的工作环境以及便携式场合。
第二章概述
2.1单片机的组成
所谓单片机就是单片微型计算机（Single-chipMicrocomputer）,单片微型计算机的核心是微处理器MPU，与一般微型计算机所不同的是它将微处理器，内存，I/O接口，中断逻辑，定时器/计数器等集成到一个集成电路芯片上，有的单片机还集成了A/D，D/A转换器等电路，如图2—1所示。
这种结构特别使用于测控领域，因此，也称其为微控制器（Microcontroller）,简写为MCU，但国内大多数人习惯上都叫单片机。
图2—1单片机的组成框图
2.2单片机的分类
常用的单片机分类方法有两种，一是按字长分类，二是按用途分类。
2．2．1按字长分类
根据单片机对各种基本操作处理的数据来看，单片机有4位单片机，8位单片机，32位单片机和64位单片机等。
1．4位单片机
4位单片机的主要生产国是日本，如Sharp公司的SM系列，东芝公司的TCLS系列，NEC公司的uCOM75**系列等。
此外，还有美国TI公司的TMS1000和NS公司的COP400系列。
国内也早已能够生产COP400系列的4位单片机。
4位单片机的主要特点是价格便宜，但功能并不弱，只是CPU为4位。
其片内存储器有2KBROM，128B*4的RAM等。
NEC公司的uPD75**的片内ROM可达8KB，RAM为512B*4，还带有6位A/D转换。
目前，4位单片机主要用于控制诸如洗衣机，微波炉等家用电器及高档电子玩具。
2．8位单片机
8位单片机是目前单片机中的主流机型。
在8位单片机中，一般把无串行I/O接口和只提供小范围的寻址空间（小于8KB）的单片机称为低档的8位单片机，如Intel公司MCS-48系列和Faichild公司的F8就属于此类；把带有串行I/O接口或A/D转换以及进行64KB以上寻址的单片机，称为高档的8位单片机，如Intel公司的MCS-51系列，Motorala公司的MC6810，Zilog公司的Z8等。
近年来，在高档8位单片机的基础上又出现了超8位单片机，如Intel公司的UPI-452，83C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC11等。
它们不但进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，而且还增加了高级通信，DMA传送和高速I/O功能。
另外，由于8位单片机的功能强，价格低廉，品种齐全，因而被广泛应用于各个领域。
特别是高档单片机的主要机型。
3．16位单片机
16位单片机主要有Thomoson公司的68200系列，Intel公司的MCS-96系列，NS公司HPC16040和NEC公司的783**等。
而得到实际应用的16位单片机主要是Intel公司的MCS-96系列单片机。
4．32位单片机
32位单片机首推英国Inmos公司的IMS414DPJI，它是目前并行处理位数最高的单片机之一。
5．64位单片机
64位单片机的处理能力是任何32位单片机都无法达到的。
目前，SperH，MIPSTechnologies东芝等厂商还是准备将64位单片机微处理器内核推向嵌入式系统市场。
2．2．2按用途分类
按用途分类，可将单片机分为通用型单片机和专用型单片机两种。
1．通用型单片机
将资源全部提供给用户使用，如片内寄存器，存储器，中断系统，定时器/计数器，I/O接口等。
其适应性强，扩展容易，构建各种应用系统十分灵活，应用广泛。
如MCS-51系列单片机。
2．专用型单片机
针对各种特殊应用场合而专门设计的单片机。
如生产过程控制，数据采集与信号处理等。
它们通常是微控制系统的集成化产品。
TMS320系列就是专门用于数字信号处理的单片机（也称DSP芯片），他的指令周期短，运算速度和精度高。
2.3单片机的特点
由于单片机是在一块大规模或超大规模集成电路芯片上集成了微型计算机的主要功能单元，本身就是具有一定规模的计算机，因此，其紧凑的结构，小巧的形体在许多应用场合是其他类型的计算机所不能比拟的，其特点归纳如下：
1.形小体轻功耗低
如前所述，单片机就是一个计算机芯片，在这个芯片上集成了计算机的基本功能部件，甚至是构成技术应用系统的各功能部件。
因此，其集成度相当高，而这个芯片的尺寸与普通的集成块是一样的，那么形小体轻自然不用说了。
而且，由于单片机大量用于便携式产品和家用电器，设计时专门考虑了低电压，低功耗环境。
如许多单片机可在2.2V甚至1.2V或0.9V电压下工作，其功耗可降低至uA级，一颗纽扣电池供电可以使用很长时间。
另外，由于集成度高，抗干扰能力强，其本身的可靠性也相当高。
2.能强，运算速度快，性价比高
单片机在构成测控系统，电器控制装置，智能仪器等方面与其他微型计机相比有特别明显的优势，在设计软件，硬件资源时充分考虑了这方面的功能，如指令系统中具有丰富的程序分支转移，布尔处理和逻辑控制命令，有定时器，中断系统，I/O接口，各种控制寄存器等丰富的硬件资源。
单片机特有的结构形式，提高了运算速度。
有的单片机还采用了RISC和DSP技术，进一步改善了运行效率。
随着各种新技术的不断发展，各厂商在提高单片机性能的同时进一步降低价格，性能价格比成为竞争焦点之一，因此，从总体上讲单片机优于普通的微处理器。
而单片机价格可降低至0.5美元。
3.应用系统研制周期短，软，硬件开发灵活方便
由于单片机有丰富的内存和I/O接口等功能单元，可直接与外围电路或芯片连接，编写简单程序就可以构成应用系统。
而且利用简单的开发工具就可以在应用环境下进行软件，硬件调试，修改也十分方便。
调试成功后即可成为实际的应用系统。
因此，研制应用系统的时间可减到最短，其开放性的灵活扩展功能使软，硬件开发变得简单，也易于掌握。
另外，为防止因突然掉电造成信息丢失或损坏，单片机基本上都设计了备用电源引脚，可以很方便地接入备用电源，以利保护信息。
2.4单片机的应用
由于单片机的超小型结构和优越的性价比，使其应用领域十分广泛，这里列出一些主要的应用领域。
（1）工业控制：
各种测试系统，机器人等。
（2）仪器仪表：
智能仪器仪表，医疗仪器等。
（3）家电，玩具：
各种游戏机，全自动家用电器，摄像机，激光盘驱动器，电子玩具等。
（4）计算机外设和通讯设备：
各种计算机外设控制（磁盘驱动器控制，打印机控制，键盘控制），调制调解器，智能线路运行控制等。
（5）数据处理：
图形处理，数字信号处理（DSP），数据采集与处理，复印机控制等。
（6）汽车控制：
点火系统控制，变速器控制，防滑刹车控制，排气控制等。
（7）国防应用：
鱼雷制导控制，导弹控制，智能武器控制，其他航空航天系统。
随着单片机技术的发展，新的产品不断涌现，应用领域还将继续扩大。
2.5单片机的发展
2．5．1单片机技术的发展特点
自单片机出现至今,单片机技术已走过了近20年的发展路程。
纵观20年来单片机发展历程可以看出,单片机技术的发展以微处理器（ＭＰＵ）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导,以广泛的应用领域拉动,表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
单片机长寿命
这里所说的长寿命,一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年,另一方面是指与微处理器相比的长寿命。
随着半导体技术的飞速发展,ＭＰＵ更新换代的速度越来越快,以386、486、586为代表的ＭＰＵ,很短的时间内就被淘汰出局,而传统的单片机如68ＨＣ05、8051等年龄已有15岁,产量仍是上升的。
这一方面是由于其对相应应用领域的适应性,另一方面是由于以该类ＣＰＵ为核心,集成以更多Ｉ/Ｏ功能模块的新单片机系列层出不穷。
可以预见,一些成功上市的相对年轻的ＣＰＵ核心,也会随着Ｉ/Ｏ功能模块的不断丰富,有着相当长的生存周期。
新的ＣＰＵ类型的加盟,使单片机队伍不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。
8位、16位、32位单片机共同发展
这是当前单片机技术发展的另一动向。
长期以来,单片机技术的发展是以8位机为主的。
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。
以Motorola68Ｋ为ＣＰＵ的32位单片机97年的销售量达8千万枚。
过去认为由于8位单片机功能越来越强,32位机越来越便宜,使16位单片机生存空间有限,而16位单片机的发展无论从品种和产量方面,近年来都有较大幅度的增长。
单片机速度越来越快
MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。
而单片机则有所不同,为提高单片机抗干扰能力,降低噪声,降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。
一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序,在不提高时钟频率的条件下,使运算速度提高了很多,Motorola单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。
68HC08单片机使用4.9M外部振荡器而内部时钟达32M,而M68Ｋ系列32位单片机使用32Ｋ的外部振荡器频率内部时钟可达16MHｚ以上。
低电压与低功耗
自80年代中期以来,NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替,功耗得以大幅度下降,随着超大规模集成电路技术由3μｍ工艺发展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35近而实现0.2μｍ工艺,全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选,都使功耗不断下降。
Motorla最近推出任选的Ｍ.CORE可在1.8Ｖ电压下以50M/48MIPS全速工作,功率约为20ｍＷ。
几乎所有的单片机都有Wait，Stop等省电运行方式。
允许使用的电源电压范围也越来越宽。
一般单片机都能在3到6V范围内工作,对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。
低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。
0.9V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性技术
为提高单片机系统的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。
如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路,增强了“看门狗”的性能。
Motorola也推出了低噪声的LN系列单片机。
OTP与掩膜
OTP是一次性写入的单片机。
过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。
由于掩膜需要一定的生产周期,而OTP型单片机价格不断下降,使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。
它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。
近年来,OTP型单片机需量大幅度上扬,为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术（InSystemProgramming）。
未编程的OTP芯片可采用裸片Bonding技术或表面贴技术,先焊在印刷板上,然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。
解决了批量写OTP芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。
使OTP的裸片得以广泛使用,降低了产品的成本。
编程线与Ｉ/Ｏ线共用,不增加单片机的额外引脚。
而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型,全部为有ISP功能的OTP。
MTP向OTP挑战
MTP是可多次编程的意思。
一些单片机厂商以ＭＴＰ的性能，ＯＴＰ的价位推出他们的单片机,如ATMELAVR单片机,片内采用FLASH,可多次编程。
华邦公司生产的与8051兼容的单片机也采用了MTP性能,OTP的价位。
这些单片机都使用了ISP技术,等安装到印刷线路板上以后再下载程序。
2．5．2单片机的发展趋势
随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高,单片机正在不断产生新的变化和进步,人们发现:
单片机与微机系统之间的距离越来越小,甚至难以辨认。
单片机在目前的发展形势下,表现出以下几大趋势:
（1）可靠性及应用水平越来越高
和互联网的连接已是一种明显的走向。
现在的新型单片机已经集成ＩＰ技术与蓝牙技术,对网络的连接支持功能越来越强。
（2）所集成的部件越来越多
单片机在内部已集成了越来越多的部件,这些部件包括一般常用的电路,例如:
定时器,比较器,Ａ/Ｄ转换器,Ｄ/Ａ转换器,串行通信接口,Watchdog电路,LCD控制器等。
有的单片机为了构成控制网络或形成局部网,内部含有局部网络控制模块ＣＡＮ。
ＮＳ（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中,如果从功能上讲它可以是万用机,原因是其内部已集成上各种应用电路。
（3）功耗越来越低
现在新的单片机的功耗越来越小,特别是很多单片机都设置了多种工作方式,这些工作方式包括等待,暂停,睡眠,空闲,节电等工作方式。
零功耗系统正是当前设计的追求目标。
（4）和模拟电路结合越来越多
单片机正被广泛的嵌入到各种应用系统中。
单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器,原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。
（5）可靠性越来越高
在单片机应用中,可靠性是首要的因素,单片机自身的可靠性技术正在不断发展。
第三章数据采集系统的硬件组成
3.1集散式数据采集系统的结构
图3-1为89C51单片机构成的主从式数据采集处理系统。
该系统应用于印染系统的水分及特定点的温度等的测量过程。
图3-1以89C51单片机构成的主从式数据采集处理系统
在实际应用中，采用波特率为9600bps，数据桢为：
1位起始位+8位数据位+1位停止位
数据交换时，主机呼叫从机地址，从机向主机发送本机数据。
主机呼叫时，发出长度为1个字节数据（即从机地址），从机应答时向上传送3个双字节数据，数据格式为如图（3-2）：
AA+数据，
图3-2数据格式
即7个字节。
假定在理想情况下，主机呼叫，从机立即回应，则主机完成与一个从机的数据交换最少需：
（7+1）*10*1/9600=8.333ms（忽略数据桢之间的间隔和从机的地址判断即通信转移时间）。
假设采集系统中有4个采集单元，那么主机遍历一次所有采集单元至少需要33.332ms。
当传送数据长度增加或数据采集单元增加时，遍历时间延长。
实际上，在程序运行过程中数据交换所花费的时间远远大于理论计算植，这样就使主机的实时性降低。
当主机接收数据采用中断方式实现的，会造成程序运行效率低，甚至造成“假死机现象”：
运行-----长时间停滞-----再运行，致使采集处理系统无法正常运转。
3．1．1主从式结构
为了克服上述方案中的缺陷，此方法提出了图3-3方案：
分散采样，集中处理
该方案较好地解决了系统的实时性问题即主从式结构从机：
工作在现场状态的数据采集单元仍然是以CPU为核心的智能单元，实现对现场模拟量（水分，温度等）或现场状态的检测和采集，经过相应的预处理，如滤波，编码之后，以串行方式发给数据处理单元；主机：
主机的任务是系统管理，初值设定，通过串行通讯接口向从机发送各种命令和初值，接收从机发送来来的数据，对数据进行运算处理，输出最终结果。
数据处理单元与每个采集单元之间以点对点的方式收发数据，每一路数据有一个独立的收发单片机（89c51），以并行传送方式与数据处理单元主处理器（89C52）进行信息交换。
由于各路数据收发独立，且并行传送时间短（一般为几十个us），由前端数据采集单元的数据到数据处理单元的传送时间主要取决于串行通信所用的时间，以9600bps传送7个字节数据的时间7*10*1/9600=7.292ms，各路传送并行工作，主处理器几乎可以同时获取数据，当数据采集器采样间隔不低于20ms时，该方案的数据处理具有较好的实时性。
数据处理单元与监控计算机（PC机）之间采用串行通信方式传输信息的形式有两种：
实时和随机。
数据处理单元接收到采样数据后，进行相应的处理，如工程量转换，显示，报警，定时将工程量测量值上传给监控计算机，当出现异常情况如测量值超过报警值或采样系统出现故障等情况时，即刻上传故障信息。
在监控计算机上对数据进行记录，存储，分类及实时监控。
在系统中，为了适应生产车间测量点分散，距离长的特点，采集单元与处理单元，处理单元与计算机之间采用RS—485总线，在9600bps速率下，使通信距离不小于500m。
3.1.2硬件组成
如图3-3所示，集散式数据采集处理系统由：
监控计算机单元，数据处理单元，总线隔离器单元，接收单片机，数据采集单元组成。
1.监控计算机单元：
一般指工业PC，即配制有满足通信传输的接口，如RS-485接口。
监控计算机通过并行口（COM1/COM2）接收主处理器定时发送的测量值，并对数据进行记录，曲线显示，数据存储等。
采用软件VB6.0开发。
接收数据时，采用VB的Mscomm控件，他具有完善的收发功能，在程序中通过事件驱动方式接收数据，数据帧格式与图2-2相同。
监控软件在执行过程中，也实现实时曲线显示，并自动创建数据库，根据需要可生成报表输出。
2.数据采集单元：
现场的数据采样和滤波处理由AT89C51和14位AD679组成的数据采集单元完成。
经过预处理的数据，按照图2-2所示的数据格式，由串行口发送端TXD发出，在硬件上要用MAX488将弹片机输出的TTL信号转换成RS-485总线信号规则进行远程传送。
3.接收单片机：
数据接收器采用AT89C2051单片机，与现场数据采集单元以串行通信方式1模式工作。
4.数据处理单元：
数据处理单元采用AT89C52单片机，它具有8K的FLASHROM，可以满足键盘管理，测量计算值显示，工程量转换以及通信管理等程序容量的要求。
主处理器与数据接受器的信息交换书通过中断方式进行的。
5.数据隔离器：
数据隔离器采用芯片74LS244，74LS244是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器，主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等
6.RS-485总线：
MCS-51系列单片机带有的一个全双工串行通行口提高了单片机与外部计算机，以及带串行口的外设的数据交换能力。
单片机串行口输出电平TTL电平兼容且单线传输（对地而言）导致传输距离短（小于5m）和
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