数据采集系统.docx

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数据采集系统

摘要

数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的必不可少的桥梁有着非常重要的作用。

本文介绍的重点是数据采集系统。

数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了单片机8051来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括模-数转换模块，显示模块，和串行接口部分，还有一些简单的外围电路。

8路被测电压通过通用ADC0809模-数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，由单片机对数据进行处理，用LCD显示模块来显示所采集的结果，并将数据通过串行口传输到PC机上，MCU与PC机间的电平匹配采用MAX232接口芯片，由PC机完成数据接收和显示，VB程序编写了更加人性化的人机交互界面。

关键词：

单片机，LCD，模数转换，串行传输

前言

在各种测控系统中，往往需要对一些参数进行测量并送回计算机进行监控及处理，因此多路数据采集系统被广泛应用于各种测控场合。

单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用广泛,对人类社会产生了巨大的影响。

Intel公司生产的51系列单片机，由于具有集程度高、处理功能强、可靠性好、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点。

在我国已经得到了广泛应用。

在智能仪器仪表、工业检测控制、电力电子、机电一体化方面取得了瞩目的成就。

数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的必不可少的桥梁地位十分重要。

基于单片机的数据采集系统完全能够满足各种测控系统需要，实时性好，应用前景广阔。

对于本设计而言，其主要任务就是将0～5伏的直流电压进行测量并送到远端的PC机上进行显示。

由于采集的是直流信号，对于缓慢变化的信号不必加采样保持电路，选用了市面上比较常见的逐次逼近型ADC0809芯片，其转换速度快，价格低廉，可以直接将直流电压转换为计算机可以处理数字量。

考虑到本系统是采用5伏电池供电，选用了低功耗的LCD显示器件，以满足其在终端显示采集结果的需求。

终端键盘控制采用尽可能少的键来实现控制功能，为了防止键盘不用时的误操作，设置了锁键功能，在键盘的输入的消抖方面采用了软件消抖的方法，以降低硬件的开销，来提高系统的抗干扰能力。

软件设计方面，采用了功能模块化的设计思想；键盘模数转换等采用了中断的方式来实现，大大提高了单片机的效率，实时处理能力。

在上位机PC端运用了可视化编程语言VB，界面简单明了，人机交互性界面好。

第一章课题分析与方案论证

1.1数据采集系统

在任何计算机测控系统中，都是从尽量快速，尽量准确，尽量完整的获得数字形式的数据开始的，因此，数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的桥梁起着非常重要的作用。

70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。

原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。

因为由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大的提高，系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。

数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D，单片机组成。

1.1.1信号调理电路

调理与放大电路：

包括：

阻抗匹配、放大电路、隔离电路、滤波等电路。

（1）阻抗匹配：

放大电路与传感器之间往往存在阻抗不匹配的现象，信号要进入A/D转换器也存在阻抗匹配问题，阻抗不匹配会使信号在传输过程中严重畸变，导致严重检测误差，条例过程中必须十分注意阻抗匹配问题，一般阻抗匹配可以由运算放大器组成的跟随器完成。

（2）信号放大电路：

是信号调理电路的核心，一般传感器输出的物理信号量值很小，需要通过放大调理电路来增加分辨率和敏感性，将输入信号放大为A/D转换所需要的电压范围，为了获得尽可能高的精度，应将输入信号放大至与ADC量程相当的程度。

（3）信号隔离电路：

隔离是指使用变压器、光电耦合或电容耦合等方法在被测系统中与测试系统之间传输信号，避免直流的电流或电压的物理连接的一种手段。

（a）数据采集系统所监测的设备可能会有高压瞬变现象，足以使计算机与数据采集板损坏，隔离可使传感器信号与计算机隔离开，使系统安全得到保障。

（b）保证数据采集各个环节间不受地电位或共态电压差异的影响，从而影响测试精度，这是因为在采集信号时，都需要以“地”为基准，如果在两“地”之间存在电位差，就可能导致地环路产生，从而导致所采集的信号再现不准确，若这一电位差太大，可能危机测量系统的安全，利用隔离电路的信号模块可以消除地环路，并保证准确的采集信号。

模拟信号的隔离比数子信号的隔离难度大的多，成本高，常用的方法是，采用线性光耦或两个特性几乎完全接近的普通光耦用特殊的电路实现，另外，直接采用具有隔离作用的仪表放大器也行。

（4）信号滤波：

几乎所有的数据采集系统都会不同程度的受到来自电源线或机械设备的50Hz噪声干扰，因此大多数信号调理电路包含低通滤波器，最大限度的剔除50Hz或60Hz的噪声。

交流信号（如振动）则往往需要防混淆滤波器，防混淆滤波器是一种低通滤波器，具有非常陡峭的截止频率，几乎可以将频率高于采集板输入信号带宽的信号全部剔除；若不除去，这些信号将会错误的显示为数据采集系统输入带宽内的信号。

1.1.2多路切换电路

通常被检测的物理量有很多个，如果每一通道都要有放大和ADC几个环节就很不经济。

而且电路也复杂。

采用模拟多路开关就可以使多个通路共用一个放大器和ADC，采用时间分割法使几个模拟开关通道轮流接通。

这样既经济，又使电路简单。

模拟多路开关的选择主要考虑导通电阻的要求，截止电阻的要求和速度要求。

常用的模拟多路开关有CD4501，CD4066，AD7501，AD7507等。

为降低截止通道的负载影响，提高开关速度，降低通道串扰，采用多级模拟多路开关来完成通道切换。

1.1.3加采样保持电路的原则

一般情况下直流和变化非常缓慢的信号可以不用采样保持电路.其他情况都要加采样保持电路。

1.1.4模-数转换器（ADC）

ADC是计算机同外界交换信息所必须的接口器件，它需要考虑的指标有：

分辨率，转换时间，精度，电源，输入电压范围等。

1.1.5基本微处理系统

单片机构成了基本的微处理系统，它完成系统数据读取，处理及逻辑控制，数据传输任务等。

选择MSC-51系列8051单片机。

完成任务书所要求的功能的系统框图如下图1-1-5所示图1-1-5系统框图

1.2方案论证

1.2.1模数转换的选择

A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位，10位，12位和16位等。

位数越高分辨率就越高，价格也就越贵。

A/D转换器的型号很多，在精度和转换速度上差异很大。

（a）双积分A/D转换器：

双积分式是一种间接式A/D转换器，优点是转换精度高，速度快缺点是转换时间长，一般要40～50ms，适用于转换速度不快的场合。

（b）逐次逼近式A/D转换器：

逐次逼近式的属于直接式A/D转换器，转换精度高，速度高，价格适中，是目前种类最多，应用最广的A/D转换器，典型的8位模数转换器有ADC0809。

鉴于方案（b）的换速度比方案（a）快，价格适中，种类繁多，应用广泛，在本设计中采用ADC0809。

1.2.2.8051的选择

单片微机是属于EmbeddedSystem（嵌入系统），此系统的是把CPU加上一些少量的内存和输出入组件（I/O），都嵌入在一颗芯片内，再使用特定的组译和编译软件编辑程序，利用烧录器把程序储存到单芯片，如此加上一些简单的周边电路，即可变成一个控制系统，所以单芯片又称为微控制器

在本设计中选用Intel8051其中内部已内建程序存储器ROM，不必再去外扩程序存储器，使用更加方便。

1.2.3显示部分

LCD是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而实现显示的目的。

液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点被广泛应用在各种仪器仪表和控制系统中。

现在市面上的LCD显示器多以模块化形式出现，模块由LCD控制器、LCD驱动器、LCD显示装置三部分组成，它与CPU之间是通过LCD控制器直接进行沟通的，使用方便。

所以在本系统中采用低功耗的SDEC厂生产的2A16DRGLCD

第二章硬件设计

2.1模数转换器ADC0809

2.1.1模数转换器原理介绍

在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号进行处理，则需要将其转换成数字量，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。

根据A/D转换器的工作原理，常用的A/D转换器可分为两种，双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。

（1）双积分A/D转换器工作原理

双积分A/D转换器采用间接测量的方法，它将被测电压转换成时间常数T，其工作原理如图所示，双积分A/D转换器由电子开关，积分器，比较器，计数器和控制逻辑等部分组成。

所谓双积分就是进行一次A/D转换需要两次积分。

电路先对被测的输入电压Vx进行固定时间（T0）的正向积分，然后控制逻辑将积分器的输入端通过电子开关接参考电压Vr，由于参考电压与输入电压反向且参考电压值是恒定的，所以反向积分的斜率是固定的，从反向积分开始到结束，对参考电压进行反向积分的时间T,正比于输入电压。

图2-1-1（a）双积分型A/D转换器的电路原理图

图2-1-1（b）两次积分的输出曲线

如图2-1-1（b）所示，输入电压越大反向积分时间越长，用高频标准脉冲计数测此时间，即可得到相应于输入电压的数字量。

特点：

可以有效的消除干扰和电源噪声，转换精度高，但是转换速度慢。

（2）逐次逼近型A/D转换器

逐次逼近型A/D转换器由D/A转换环节，比较环节和控制逻辑等几部分组成。

图2-1-1（b）是逐次逼近型A/D转换器的电路原理图，其转换原理为：

A/D转换器将一待转换的模拟输入电压Ui与一个预先设定的电压Ui（预定的电压由逐次逼近型A/D转换器中的D/A输出获得）电压相比较，根据预设的电压Ui是大于还是小于待转换成的模拟输入电压Uin来决定当前转换的数字量是“0”还是“1”，据此逐位比较，以便使转换结果（相应的数字量）逐渐与模拟输入电压相对应的数字量接近。

“预设的电压”值的算发如下：

使逐次逼近型A/D转换器中的D/A的各位二进制数从最高位起依次置1，每变化一位就得到一个预设的电压Ui并使之与待转换的模拟输入电压Ui进行比较，若模拟输入电压Ui小于预设的电压Ui，则使比较器中相应的位为0，若模拟输入电压Ui大于预设的电压Ui，则使比较器中相应的输出位为1，无论哪钟情况，均应继续比较下一位，直到最低位为止，此时逐次逼近型A/D转换器中的D/A的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量，将此数字量输出就完成了A/D的转换过程。

2.1.2ADC0809模数转换器的选择

逐次逼近式的属于直接式A/D转换器，转换精度高，速度高，价格适中，是目前种类最多，应用最广的A/D转换器，典型的8位模数转换器有ADC0809

图2-1-2（a）ADC0809内部结构

ADC0809采用工艺，片内带有锁存功能及8路模拟多路开关，可对8路0～5伏的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约100微秒；片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路，高阻抗斩波器及稳定的比较器，256R电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器，输出具有三态锁存缓冲器，可直接接到单片机的数据总线上。

（1）ADC0809的介绍

ADC0809是8位逐次逼近式A／D转换器，具有8个模拟量输入通道，最大不可调误差小于±1LSB，典型时钟频率为640kHz，每通道的转换时间约为100μs。

ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为10～1280kHz。

（2）引脚排列及各引脚的功能

IN0～IN7：

8个通道的模拟量输入端。

可输入0～5V待转换的模拟电压。

D0～D7：

8位转换结果输出端。

三态输出，D7是最高位，