多路数据采集系统设计大学毕设论文.docx

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多路数据采集系统设计大学毕设论文

摘要

随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。

各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、地震数据采集领域已经得到应用。

随着测控技术的迅猛发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统己经在测控领域中占到了统治地位。

数据采集系统是将现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作。

数据采集系统的主要功能是把模拟信号变成数字信号，并进行分析、处理、存储和显示。

国内大大小小很多公司多开发了数据采集器和卡之类的产品，这使信息的数字化提供了极大的方便。

本次毕业设计课题，数据采集器制作，是利用ATMEL公司的89C51单片机和AD0809芯片做一个采集模拟电压信号，转换为数字信号，再由单片机经过串口发送给PC机处理，另外三个数码管LED显示采集的数字信息。

关键字：

单片机、数据采集、信号处理、AD0809芯片

Abstract

Along with the development of information field various technologies, the technology in the aspect of data collection has also gotten rapid advance, gather the informative process of data is now society develop the direction of main stream. Various fields have used data collection, in petroleum exploration and seismic data collection field have gotten application. 

As measuring to control technical swift development, with embedded computer for key data collection system Jig go through in measure to control field in have taken dominance position. Data collection system is to carry out the data that the collection on-the-spot goes to to handle, transmits and shows, stock etc. operation. The major function of data collection system is simulated signal become digital signal, and analyses handling, stock and show. Domestic size many companies have developed data collection ware and the product that blocks and so on, this makes the digitization of information have offered maximum convenience. 

This graduated design program, data collection ware produce is the only flat machine of 89 C51 that uses the company of ATMEL with AD0809 chip do a collection simulated voltage signal, conversion number word signal passes string mouth again by only flat machine to dispatch to the handling of personal computer, additionally, 3 number pipe LED’s show the digital information of collection. 

Keyword:

 Only flat machine、Data is gathered、Handle

目录

摘要

关键字

前言

1数据采集系统的基本介绍

1.1数据采集系统的基本原理

1.2数据采集系统的分类

1.3数据采集系统的基本功能

1.4数据采集系统的结构形式

1.5数据采集系统设计的原则

1.6数据采集系统的发展趋势

2系统功能的介绍

2.1方案的论证

2.1．1模数转换的选择

2．12.87C51的选择

2．1.3.显示电路

2．1.4.电压/频率转换器

3数据采集系统的硬件设计

3.1传感器的介绍，分类及特点

3.2信号放大电路

3.3频率变换电路

3.4信号调理电路

3．5AD转换电路

3．6单片机部分

3．7串口电路

3．8数码管显示电路

4软件设计部分

4．1主机程序流程图

4．2从机程序流程图

5抗干扰设计

6数据分析

7小结

8参考文献

9附录

前言

数据采集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。

在本数据采集系统的设计中为了提高系统智能化、可靠性和实用性，采用单片MCU和上位机传输的方法，即MCU运行在数据采集系统的远端，完成数据的采集、处理、发送和显示，上位机则完成数据的接收、校验及显示，同时上位机可对远端MCU进行控制，使其采集方式可选。

本实验采用8051系列单片机，8051系列单片机基于简化的嵌入式控制系统结构，具有体积小、重量轻，具有很强的灵活性而且价格不高本系统现场模拟正弦波信号以及其他6路分压信号以供系统进行多路采样，采用ICL8038精密信号发生芯片产生频率可变的正弦波，然后由LM331芯片实现频率到电压的转换，之间还需对信号进行调理以符合系统要求

1数据采集系统的基本介绍

1．1数据采集系统的结构原理

数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。

数据采集系统的输入又称为数据的收集；数据采集系统的输出又称为数据的分配。

1.2数据采集系统的分类

数据采集系统的结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见的分类方法有以下几种：

根据数据采集系统的功能分类：

数据收集和数据分配；根据数据采集系统适应环境分类：

隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统的控制功能分类：

智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号的性质分类：

电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入（SE）和差动输入（DE），单极性和双极性；根据信号通道的结构方式分类：

单通道方式，多通道方式。

1.3数据采集系统的基本功能

数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。

与此同时，将计算得到的数根进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视。

1，4数据采集系统的结构形式

从硬件力向来看，白前数据采集系统的结构形式主要有两种：

一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散型数据采集系统。

微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、AD转换器、计算机及外设等部分组成。

集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。

数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成。

位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。

1.5数据采集系统设计的基本原则

对于不同的采集对象，系统设计的具体要求是不相同的。

但是，由于数据采集系统是由硬件和软件两部分组成的，因此，系统设计的一些基本原则是大体相同的。

1.6数据采集系统的发展趋势

微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。

数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面。

（1）新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。

（2）高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系统的广泛应用。

（3）智能化传感器（Smartsnor）的发展，必将对今后数据采集系统

的发展产生深远的影响。

（4）与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。

（5）分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势

2系统功能介绍

系统的结构框图如图所示。

本系统执行的过程如下：

传感器把采集的非电量信号转换成电压（0-5V）或电流（4-20mA）的标准信号，通过信号调理电路把模拟信号送到单片机内部的A/D转换器，CPU根据设定的采样周期，对多路通道信号进行循环采集，并读取A/D转换器转换的数字信号，进行分析计算后将实测值送到液晶上指定的位置显示，同时通过键盘控制把有用的数据及采样时间存储在ROM中。

最后通过串行通讯把ROM中的数据传送到PC机，利用VB提供良好的界面和串口通信功能。

系统的结构框图

2．1方案的论证

2.1．1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）的转换速度比方案（a）快，价格适中，各类繁多，应用广泛，故本设计采用ADC0809。

2．12.87C51的选择

单片机是属于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。

本设计中选用87C51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。

2．1.3.显示电路

LED数码管以发光二极管作为发光单元，单色，分段全彩管可用大楼，道路，河堤轮廓亮化，LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频文件。

通过电脑下flash、动画、文字等文件，或使用动画设计软件设计个性化动画，播放各种动感变色的图文效果。

LED的优点：

1.体积小2.耗电量低3.使用寿命长4.高亮度、低热量5.环保6.坚固耐用

所以在本系统中采用低功耗的LED4561A

2．1.4.电压/频率转换器

　电压频率转换器VFC（VoltageFrequencyConverter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。

所以在本系统中采用性能价格比高、外围电路简单、可单电源供电、低功耗的LM331。

3数据采集系统的硬件设计

3．1数据的采集部分

传感器的分类及特点

1、传感器根据被测物理量的不同分为温度传感器，压力传感器，湿度传感器，流量传感器等。

传感器把采集的非电量信号转换成电压（0-5V）或电流（4-20mA）的标准信号，本系统采用温度传感器。

温度传感器测量物体温度的方法可分为接触式和非接触式。

接触式测温法是将传感器置于与被测物体相同的热平衡中，使传感器与物体保持同一温度的测温法。

实现这种方法有两种途径，一是利用介质受热膨胀的原理来检测温度，二是利用敏感元件电气参数随温度变化的特性来检测温度。

非接触式测温法不必将传感器与物体接触而检测物体辐射热的测温法。

实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度。

3．2信号放大电路

正弦信号发生模块主要采用集成函数发生器ICL8038，ICL8038函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，具有电源电压范围宽、稳定度好、精度高等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波。

ICL8038及外围电路如图2所示，由8脚输入外部控制电压，调节电位器P1即可使2脚输出的正弦波信号频率发生变化，实现外部压控振荡。

10，11脚之间接0．01μF的振荡电容，4，5脚接电阻和电位器，调节正弦波失真度。

　ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。

3．6．1ICL8038芯片简介

2．1　性能特点

　　具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1％的失真度；三角波输出具有0．1％高线性度；具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。

2．2　管脚功能

　　图1为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。

　　脚1、12（Sine　Wave　Adjust）：

正弦波失真度调节；脚2（Sine　Wave　Out）：

正弦波输出；脚3（Triangle　Out）：

三角波输出；脚4、5（Duty　Cycle　Frequency）：

方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V＋）：

正电源±10V～±18V；脚7（FM　Bias）：

内部频率调节偏

图1　ICL8038管脚图

置电压输；脚8（FMSweep）：

外部扫描频率电压输入；脚9（Square　Wave　Out）：

方波输出，为开路结构；脚10（Timing　Capacitor）：

外接振荡电容；脚11（V－or　GND）：

负电原或地；脚13、14（NC）：

空脚。

3.3频率变换电路

频率电压变换模块的设计采用集成芯片LM331，LM331采用新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到5．OV电源电压下都有极高的精度。

LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于O．01％，工作频率低到0．1Hz时尚有较好的线性度；转换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V／F或F／V等变换电路，并且容易保证转换精度。

本系统中的所设计的频率电压变换电路如图所示。

LM331是美国NS公司生产的性能价格比高、外围电路简单、可单电源供电、低功耗的精密电压/频率转换器集成电路。

LM331动态范围宽达100dB，工作频率低到0．1Hz时尚有较好的线性度，数字分辨率达12位。

LM331的输出驱动器采用集电极开路形式，因此可通过选择逻辑电流和外接电阻来灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同逻辑电路。

LM331可工作在4．0V～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止VCC短路。

LM331的特点：

•保证线性：

0.01％（最大）

•低功耗：

15mW5V

•广泛的全面频率：

1Hzto100kHz

•脉冲输出兼容所有的逻辑形式

•宽动态范围：

100db

所以本设计选择LM331.

LM331的引脚图与功能介绍

功能说明：

1．CURRENTUOTPUT电流输入

2．REFERENCECURRENTVOLTAGE参考电压

3．LOGICOUTPUT逻辑输出

4．GND

5．R-C定时器

6．THRESHOLD阈值输入

7．COMPARATOR比较器输入

8．VCC

3.4信号调理电路

信号调理模块包括信号放大整形电路和信号放大调理电路。

图4为采用A／D824设计的信号放大整形及调理电路。

图4（a）中由ICL8038产生的正弦波信号先经过1μF电容高通滤波，再经A／D824反向放大2倍，然后经比较器，输出对应频率的方波信号，作为LM331的输入。

200Hz～2kHz的方波信号经过LM331频率电压变换芯片后，产生的信号Vo为O．22～2．22V，为符合200Hz～2kHz对应于1～5V，故需对Vo进行调理，方案中的运算电路如图4（b）所示。

3.5AD转换电路

A/D转换器芯片ADC0809简介8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。

图9.8《ADC0809引脚图》

1.ADC0809的内部结构

ADC0809的1.ADC0809的内部结构

ADC0809的内部逻辑结构图如图9-7所示。

1.ADC0809的内部结构

ADC0809的内部逻辑结构图如图9-7所示。

                                                   图9.7《ADC0809内部逻辑结构》

      图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表9-1为通道选择表。

表1通道选择表

2．信号引脚

         ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图9.8。

             对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

         IN7～IN0——模拟量输入通道

        ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

        START——转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST.

A、B、C——地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表9-1。

CLK——时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc——+5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）.

ADC0809的MCS-51单片机与接口

        ADC0809与MCS-51单片机的连接如图9.10所示。

      电路连接主要涉及两个问题。

一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。

路模拟通道选择

图9.10ADC0809与MCS-51的连接

    如图9.11所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址选择以

作写选通信号。

AD0809与单片机的接口电路

3.6单片机模块

87C51采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，电改写光擦除的片内4kBEPROM。

87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

快速脉冲编程，如编写4kB片内ROM仅需12秒。

此外，87C51还可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

87C51的引脚图与功能介绍

引脚说明：

·VCC：

电源电压

·GND:

地

·P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。

当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。

当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。

在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。

程序校验时需要外接上拉电阻。

·P1口：

P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。

当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。

当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。

·P2口：

P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。

当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。

作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。

P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX＠DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。

在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。

当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX＠R1），P2口输出特殊功能寄存器的内容。

当Flash编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。

·P3口：

P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。

当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。

作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。

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