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基于单片机的数据采集系统设计
本科毕业论文（设计、创作）
题目：
基于单片机的数据采集系统设计
学生姓名：
学号：
0231002007
所在院系：
信息与通信技术系专业：
电子信息工程
入学时间：
2010年9月
导师姓名：
职称/学位：
讲师/博士
导师所在单位：
完成时间：
2014年5月
安徽三联学院教务处制
基于单片机的数据采集系统设计
摘要：
本篇论文讲述了在单片机的基础上的数据采集系统的设计，在此设计过程中需要的硬件很多，但主要是以单片机为核心。
单片机的作用有很多，而且能够满足本设计所需要的功能即数据的采集和通信之间的控制。
本设计分为软硬件两个模块，其中后者除了上面所提到的单片机以外还有A/D模数转换模块，显示模块，和串行接口等一些模块接口部分。
数据采集并且响应主机的命令主要是从机的职能。
如果打算通过从机采集到的数据进行模数转换，重要一点是使用模数转换器也就是即将用到的ADC0809（8分辨率的D/A转换集成芯片）将8路被测电压进行模数转换，串行口将转变后的数据传输到上位机，数据的接受，处理和显示都是由上位机负责，所采集的数据利用LED（LightEmittingDiode,即发光二极管）来显示。
在该系统中，软件是在设计过程中充当着重要的角色。
其中软件部分主要是在KEIL环境下使用我们之前学习过的C语言进行对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序的设计。
关键词：
数据采集系统;89C52;ADC0809;MAX232;LED
DesignofdataacquisitionsystembasedonSCM
Abstract：
Thefilmtellsthepaperonthebasisofdatacollectedmicrocontrollercollectionsystemdesign,hardwaredesignprocessrequiresamicrocontrollercoreismainly,connectionbetweenanaloganddigitaldomainsofdataacquisitionsystemisanindispensablebridge.Inthisstudy,basedonthesingle-chipmicrocomputerdataacquisitionisasthecenterofgravity,sothemicrocontrollercorepartofthehardwareofthissystem.InordertorealizedataacquisitionandcommunicationcontroltochoosemodulardesignUSESMCUtocomplete,alsoincludesA/Danalog-to-digitalconversionmodule,displaymodule,andserialinterfacesection.Dataacquisitionandcommandresponseofthehostismainlyfromthemachinefunctions.Ifwanttousedatawerecollectedfromthemachine,modulusconversion,importantistousethemeasuredvoltagewillbe8roadofadc,modulusconversion,serialporttotransmitthedataafteraswitchtoPC,datareceiving,processinganddisplayaremadebyPC,datacollectedbytheuseofLEDtodisplay.ThemainpartofwhichsoftwareisinKEILenvironment,usingClanguagefordataacquisitionsystem,analog-digitalconversionsystem,thedatashowthatthedesignofdatacommunicationsandotherprocedures.
Keyword:
Dataacquisition;AT89C52;ADC0809;MAX232;LED
第一章绪论
1.1研究背景及其目的意义
二十世纪五十年代就开始出现了数据采集系统。
第一次的运用是在美国而且很成功这就使得渐渐地数据采集得到了初步认可，这种系统拥有高速性和一定的灵活性，最重要的是它能够解决传统不能解决的任务。
二十世纪七十年代后期，因为有了微型机的迅速成长，出现了由采集器仪表和计算机结合起来的数据采集系统。
也就在这个阶段，该系统取得了飞快的成长，并且分为工业现场数据采集系统和实验室数据采集系统。
二十世纪九十年代至今，由于集成电路的发展越来越迅速，并且技术也越来越发达，数据采集技术也得到了快速的发展。
如今，数据采集技术不仅仅只是科学研究已经在生活工作的各个领域得到了广泛的应用。
在当今社会计算机技术较快成长的情况下，数据采集技术也有了很好的发展。
在生产过程中，因为使用该系统采集记录生产过程中所需要的数据，对提高产品质量降低生产成本起到了很大的作用。
在专门进行研究过程中，使用该技术能够取得大量的动态信息。
无论在什么应用领域，如若应用该技术工作效率和经济效益就能够得到很大的提高。
1.2国内外研究现状
随着计算机信息等技术的迅速成长，也使得数据采集技术取得快速成长。
目前，数据采集已被广泛应用于就业，通信，智能化和网络化仪器，测绘，勘探，工业控制等领域。
数据采集能够降低雇佣成本，简化了工作任务，节约生产成本。
我国也对数据采集系统有了很深的研究和广泛的应用，比如，目前我国正在使用的用于对地震的动态进行观测的TDE-324C型地震数据采集系统，随着科学技术的不断进步，该系统已经发展的更为完善。
因为受到了需求的影响，目前世界上最新的机载数据采集系统也出现飞速的成长趋势以用来完善飞行质量和速度满足飞行实验应用的需要。
1.3该课题研究的主要内容
如今科学技术的发展，人们对计算机的使用越来越普遍,数据采集检测开始走进了人们的日常生活,在一些监控温度、湿度和压力工业和农业等需要对数据进行采集的场所也开始了比较普遍的应用。
工业控制系统的对数据采集的要求较高，所以关键是数据采集。
单片机由于功能强大，所以该系统往往是用一些独立的功能来完成整个的测量和控制系统，整个系统都可能受到数据采集性能特征的影响。
虽然到现在为止很多都是采用以计算机为主要的可编程数据采集处理技术，而且在此期间数据采集技术得了飞速的成长。
可是这并不会影响本文设计的主题即对以单片机为核心的数据采集系统的发展,单片机所具有的多功能、良好的抗干扰能力、较高的可靠性、灵活性好、易开发等优点,使得以它为基础的数据采集普遍的用于很多场所。
由于以前科学技术水平的有限数据采集系统并没有来自上位机的支持,因此不管想要采用哪种类型的数据存储器,它的容量都是可计算出,因为不得不进行下一次的数据采集不得不对以前的数据进行覆盖刷新,这不会有利于用户分析整体数据,因此不能准确地掌握生产过程的状态。
为了帮助工农业的一些场所需要大量数据采集解决这个问题，本论文是使用主从结构的通信方式进行数据采集，具体的步骤是模拟量是由下位机采集,单片机的主要责任是采集八路数据，再回答由主机发送的命令，上位机的主要任务是对接收的数据进行有效处理和清晰的显示，最后主机与从机之间用的串行口连接。
因此，用户可以写上所需的计算机程序，并在文件中的数据的有效的查询和分析，这在长期正常运行，检查工业过程是很有帮助的。
第二章数据采集
2.1数据采集系统
数据采集，也被称为数据获取，主要是应用一种设备，从外在环境采集到一些所需要的资源，然后将这些资源送入到系统的内部。
目前数据采集技术已广泛应用在各个领域。
在此系统中要进行模数转换即需要把模拟数据转化为数字数据，完成此任务需要的是AD模数转换器，其需要考虑的指标有：
转换速率sps、分辨率bit、输入信号范围、电源电压、输出接口、封装、参考源、输入通道、功耗。
AT89C52是此系统的最根本的处理系统，它的功能较为强大，任务也比较繁杂主要是读取数据、处理和逻辑控制，传输数据等一些操作。
此设计中使用的单片机是AT89C52。
主机和从机之间进行通信主要是由MAX232完成，经过一些对比它的串行口使用的是RS-232-C。
该系统显示部分选用了生活中比较常见也应用较多的LED数码管来显示数据。
实现此论文需用的系统框图如图2.1所示。
图2.1系统框图
2.2方案论证
2.2.1A/D模数转换的选择
当前利用最多模数转换器的主要有三种类型：
（1）逐次逼近式A/D转换器
（2）双积分式A/D转换器（3）V/F型A/D转换器[1]。
以上三种类型转换器的性价比的对比下，本论文采用的数模转换器是逐渐逼近式A/D转换器----ADC0809。
2.2.2单片机的选择
我们生活中所用到的单片机其实就是一个微型计算机，它也是一种集成电路芯片，此芯片把CPU、RAM、ROM等一些元器件的功能在一块硅片上集中起来并具有非常强大而特殊的功能的健全的系统。
AT89C52有其对应的组译和编译软件编译程序，本文是利用KEIL把程序下载到AT89C52内。
本论文所需用到的主要的硬件是单片机而我选择的是AT89C52。
2.2.3串行口的选择
所谓的串行口是用来作为通信时使用的接口，所以又叫做串行通信接口，国家对电气标准这一方面有着明确的规定，所以它的标准也是按照国家规定的电气标准进行分类的，其中主要包括RS-232-C、RS-422、RS485、USB等等一些。
RS-232-C、RS-422与RS-485标准仅仅对接口的电气特性提出原则要求，并没有触及接外挂程式、电缆或协议[]。
本次设计实现主机和从机之间的通信我使用的是RS-232-C接口，它有很多的功能最为主要的功能是充当电平与TTL电平转换的驱动电路。
而此接口我选用的转换芯片是MAX232，它是由美信公司设计而成的专门为该串口设计的芯片。
2.2.4显示部分
平时是我们所接触的二极管最多的就是发光二极管，其又叫做8段发光二极管数码显示器，原因是由于它有7个的作用是显示字符，一个用于显示小数点，共八个数码管。
LED的2种显示方式按照科学的划分方法分别为动态扫描显示法和静态扫描显示法。
从性价比的角度来考虑，大部分的用户使用是前者。
2.2.5按键
我们目前使用的键盘是最大和最重要的输入设备，键盘可以把我们需要数据输入到计算机中，然后就可以发出命令到电脑。
按键有很多分类其中依据按键的识别方法分类有2种按键：
编码按键与非编码按键。
非编码键盘只是供应按键开关的矩阵，输入识别的关键，并确定关键代码，以及抖动等功能由软件实现，非编码键盘的硬件电路是非常简单的，能够广泛应用于微型计算机。
本设计使用的是矩阵按键，矩阵的按键接口的主要特点：
更复杂的电路连接，但增加的I/O端口利用率，更复杂的软件编程。
适用于需要使用较多的按键的场所。
非编码按键如图2.2所示：
图2.2矩阵式按键接口图
第三章硬件部分
3.1主机部分
主机部分是该系统的重要组成部分，同时它的任务也比较重，它的主要责任有数据处理和显示，主机与从机的通信采用RS-232-C。
主机部分所需的元器件主要是51系列单片机、串行口转换芯片、发光二极管、按键等等。
3.1.1主机部分原理图设计
本系统主机对从机有一个指令，因此要用到按键，将按键的一个端口接地另一个端口接在单片机的P3.4引脚上，若P3.4为“0”时（0为低电平，1为高电平）时就表明按键按下。
主机任务还有将从机采集的数据进行一定程度的采样处理，并通过LED技术使其在数码管上显示出来，此系统中一共用了2个74HC573芯片，其中一个与单片机的P2.7引脚相连接，目的是用于位选；另一个用于段选，是与单片机的P2.6引脚进行连接。
AT89C52的P0口的8位数据线和两个锁存器的D0-D7相接，和段选的相接的主要作用是显示LED上的详细数字，和位选的相接主要作用是显示在哪个数码管上。
主机和从机之间使用RS-232-C进行串行口主机和从机之间的通信。
主机和从机的相连就是使用MAX232，方案设计过程中，主要将单片机的引脚P3.1，P3.2与串行口的引脚11，12连接，将串行口的13，14引脚分别与D9M的3，6引脚相连。
其原理图如图3.1所示。
图3.1主机部分电路原理图
3.1.2单片机
（1）单片机的概述
单片机其实就是一个微型计算机，它也是一种集成电路芯片，此芯片把CPU、RAM、ROM等一些元器件的功能在一块硅片上集中起来并具有非常强大而特殊的功能的健全的系统。
（2）简介AT89C52
AT89S52具有的功能为：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器[]，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量两级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路[]。
并且，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机将停止一切工作，直至下一个中断或硬件复位为止[]。
其引脚图，如图3.2所示
图3.2AT89C52的引脚图
它有40个引脚，大体上可划分成4类。
工作电源可用来介入单片机的的有4个电源引脚。
主要有电源、备用电源和编程电源三个工作源。
而且还有2个XTAL1、XTAL2时钟引脚。
然后有4条控制引脚，也有些引脚拥有复位功能。
综上所述，单片机的引脚特点是：
（1）单片机的功能十分强大、但是它的引脚相对较少，这就导致了有的引脚被重复使用的现象。
（2）单片机的总线形式一共有4种，它们分别是；8位数据总线；控制总线；串行通信总线。
3.1.3LED数码显示器的应用原理
根据以前所学专业知识可知LED的连接方法为共阴极和共阳极接法，也是最为常见的2种方法。
AT89C52中的发光二极管通常采用7段发光二极管组成图形“8”来完成时间或数字的计算和设定，并且利用一个晶体二极管来显示小数点，总而言之这些数码管的作用是用来显示数字、符号及小数点。
七段段位分别的对应的位码如表3.1所示。
表3.1段位码对应关系
段位码
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位码段
dp
g
f
e
d
c
b
a
3.2从机部分
模拟量和数字量之间的转换和响应主机发出的任务主要是由从机部分负责，需要的硬件为模数转换器、51系列单片机,其中间要使用一个双D触发器，原因是它们的时钟频率不同。
3.2.1从机的电路原理图设计
此部分最重要的是把模拟量转换成数字量，所以需要用到一个模数转换器，因为由于它们之间的时钟频差，所以要用一个双D触发器对它实行有效的二分频的处理，仅仅把双D触发器的引脚3与AT89C52的引脚30连接，把74LS74的引脚9和模数转换器的时钟信号引脚连接。
然后ADC0809的D0~D7和AT89C52的P0口连接，ADC0809的引脚DA、DB、DC分别与P0口的低3位连接。
它所需要的串行口的连接方法与主机部分相同。
其电路图如3.3所示
图3.3从机部分电路设计图
3.2.2单片机之间的通信
1.串口通信RS-232-C
通信是计算机与外部信息进行交换所采用的一种特殊处理技术。
通信技术有两种时行方式：
并行通信和串行通信。
由于串行通信具有仅需要一对传输线传输信息，对远距离通信来说，大大降低了线路成本。
连接器的各个引脚的信号内容如下：
（1）接口的信号内容实际上RS-232-C的二十五个引脚中需要用到的引脚很少，一般只使用三至九个引线。
RS-232-C常用的九个引脚的信号内容见表3.2所示
表3.2常用引脚的信号内容
引脚序号
信号名称
符号
流向
功能
2
发送数据
TXD
DTE->DCE
DTE发送串行数据
3
接收数据
RXD
DTE<-DCE
DTE接收串行数据
4
请求发送
RTS
DTE->DCE
DTE请求DCE将线路切换到发送方
5
允许发送
CTS
DTE<-DCE
DCE告诉DTE线路已接通可以发送
6
数据设备准备好
DSR
DTE<-DCE
DCE准备好
7
信号地
信号公共地
8
载波检测
DCD
DTE<-DCE
表示DCE接收到远程载波
20
数据终端准备好
DTR
DTE->DCE
DTE准备好
22
振铃指示
RI
DTE<-DCE
表示DCE与线路接通，出现振铃[]
（2）接口的电气特性在RS-232-C中的信号线的电压全是负逻辑关系。
逻辑“1”表示-5—-15V；逻辑“0”表示+5—+15V。
噪声容量是2V。
（3）接口的物理结构2个接口的连接情况如图3.4所示
图3.4两个DB-9的连接图
（4）传输电缆长度由于串行口通信有自己的要求，即码元畸变不大于百分之四的条件下，其长度应为五十英尺，可是在现实生活中，大概有百分之九十九的用户是依据码元畸变10-20%的范围操作的，因此在实际生活使用中最大距离会远多于五十英尺。
2.简介MAX232
此设计中的接口我选用的转换芯片是MAX232，它是由美信公司设计而成的专门为该串口设计的芯片。
其引脚结构图如3.5所示
图3.5MAX232的引脚结构图
单片机与MAX232的连接如图3.6所示
图3.6单片机与MAX232的连接图
3.2.3模数转换器ADC0809
在生活中我们经常会遇到连续变化的物理量，然而如果对这些信号进行处理,就需要把其转换为数字量，A/D转换器就是将连续变化的模拟量转转换成数字量。
本系统选用模数转换器是ADC0809，介绍如下：
1、ADC0809的引脚介绍
其引脚图见3.7
图3.7ADC0809的引脚图
IN7~IN0：
八个通道的模拟输入量。
ADDA、ADDB、ADDC：
模拟通道地址线。
当CBA=000时，IN0输入，当CBA=111时，IN7输入[]。
ALE：
地址锁存信号。
START：
转换启动信号，高电平有效。
D7~D0：
数据输出线。
三态输出，其中，D0为最低位，D7为最高位。
OE：
输出允许信号，其中当OE为高电平时有效。
CLK：
时钟信号，最高频率为640KHZ。
EOC：
转换结束后的状态信号。
其中上升沿后高电平有效。
Vcc：
+5V电源。
Vref：
参考电压。
第四章软件部分
4.1简介KeilUvision2
Keil为了提高工作效率使得工作效率大大的提高提出了完整的方案，Keil是通过uVision环境把一些C语言编译器、宏汇编等等一些模块集中在一块，就形成了我们现在易于使用并且功能强大的较为完整的开发软件。
其使用的过程为:
双击uVision2就打开了keil，然后点击Project选择NewProject，如图4.1所示。
图4.1
接下来所需要做的是选择保存路径和文件名，点保存，如图4.2所示。
图4.2
然后会弹出如下窗口，如图4.3所示。
图4.3
这是我们需要选择我们需要的单片机的型号，尽管在本设计中我使用的单片机是AT89C52，但是89S51与89C52内外部的结构都是一样的为了方便起见，在设计过程中依旧使用的是AT89C51。
“确定”后工程就算建立好了，如图4.4所示。
图4.4
然后是为工程添加程序，点击“文件”中的新建，新建一个空白文档；。
在空白文档中可以进行编辑、修改等操作。
将自己编译的代码输入到本文档中，进行保存，最后把保存的文档添加到工程中，如图4.5，图4.6所示。
图4.5
图4.6
输入后缀为.c的文件名，如图4.7所示。
图4.7
点击保存，若操作正确，程序中的关键字就会变成蓝色
点击资源菜单下的“+”号，如图4.8所示。
图4.8
右击打开SourceGroup1，选择所需要的AddGroup‘SourceGroup1’这个选项，如图4.9所示。
图4.9
开打Add，把刚刚保存的C类型文件再添加进去，如图4.10所示。
图4.10
然后点击Close，完成文件的添加。
下一步要进行工程设置，选择Project菜单下的OptionsforTarget‘Target1’，如图4.11所示
图4.11
会出现如下对话框，如图4.12所示
图4.12
选择Output，勾选里面CreateHEXFile选项，它表示可以生成16进制文件，如下图，点击确定，如图4.13所示
图4.13
进行编译之后，就能生成一个hex文件了，如图4.14所示
图4.14
最后要做的就是使用STC-ISP把HEX文件烧录到AT89C51中。
4.2主机程序设计
主机部分一共有1个主程序和5个子程序，这5个子程序分别为：
（1）主程序
该主机的程序设计的主程序部分是把打开系统并进行初始化
具体的步骤是：
首先需要初始化也就是把定时/计数初始化，再调用扫描程序其实也就是键盘扫描程序Keys_Scan（），再依据按下的按键来进行判断是否需要将串口发送数据子程序putc_to_serialport（）进行调用，此时把对应的数据传递给串行口。
此时如果并无按键按下的时，这时就需要送一个F给LED。
其流程图见附录。
（2）向串口发送数据子程序putc_to_serialport（）
此程序第一步是将数据发送到串行口，如果T1=0时，此时说明传送结束。
其流程图见附录
（3）键盘扫描子程序Keys_Scan（）
该程序主要是事先将所需要的行选择好，再选择所需要的列就可以准确地确定哪一个按键。
其流程图见附录
（4）LED显示程序Display_Result（intd）
子程序的步骤是：
第一步是位选，将所需要的AT89C52的P2.7引脚选通，然后把此时的值送给AT89C52的P1口。
第二步是位选，就是将单片机的P2.6引脚选通进，然后把所需要显示的数字值发给P0口。
然后调用延时，把P2.7、P2.6引脚置直接至零，如果所需要数字全都显示在LED上则停止工作，否则不断重复上述步骤。
其流程图见附录
（5）主机串口接受中断子程序Serial_INT（）interrupt4。
其流程图见附录。
4.3从机部分程序设计
从机部分包涵1个主程序和3个子程序，主程序：
主程序就是首先第一步把系统初始化，但是主从两个单片机都要进行通信，因此两个单片机的初始化是一样的，并调用模数转换。
其流程图见附录。
三个子程序分别为：
（1）从机串口接受中断函数Serial_INT（）interrupt4
因为传输完成，在接受到新的字节时将触发串口中断，因此接收中断就用串口中断程序里用if（RI）表示，然后将RI清0。
然后此时再分析系统所接收到的数据第4位是不是1，若是1，就按主机发过来的通道进行采集，此时若是0，就调用循环采集程序。
见附录
（2）模数转换子
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