单片机的数据采集系统研讨分析.docx

单片机的数据采集系统研讨分析 摘 要：本文以 AT89C51 单片机为核心，设计一个基于 单片机的数据采集系统。系统可以采集 16 路模拟量，精度 为 12 位，16 路开关量和 2 路脉冲量，并将采集到的数据每 隔一分钟通过串口发送到 PC 机。 关键字：AT89C51；数据采集；串口通讯 作者简介：严怀龙，江苏省靖江人,内蒙古乌海市永红 机电成套设备有限责任公司电子工程师。 1 概述 在工业控制系统中，除了控制单元和执行单元外，还 必须有反馈环节。在反馈环节中，最重要的就是对数据的 采集。一般的工业控制中，数据有很多种形式，最常见的 有电流电压的模拟量、以二进制形式输入的开关量以及以 脉冲形式输入的脉冲信号。 本文设计一数据采集系统系统，系统以 AT89C51 单片 机为核心，AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片 机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储 器和 128 bytes 的随机存取数据存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元。 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚，32 个外 部双向输入/输出端口，同时内含 2 个外中断口，2 个 16 位 可编程定时计数器,1 个全双工串行通信口1，AT89C51 可 以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，这给开发带 来方便。 如图所示为设计的系统原理框图。系统选择一个串 行的 A/D 转换芯片，用模拟开关作扩展，两个模拟开关即 可扩展成 16 路的模拟量输入。开关量的采集可以直接用单 片机的 I/O，用两个并口即可完成 16 路的开关量采集。如 图所示，AT89C51 单片机还有两个外部中断接口，即可用来 测量脉冲量的输入，采集其输入频率。单片机可以通过串 口与上位 PC 机进行通讯，把采集到的数据发送到上位机上。 图 1 系统原理图 2 硬件电路设计 系统硬件可以分成四个部分，分别为模拟量采集电路、 开关量采集电路、脉冲量采集电路以及单片机与 PC 的串口 通讯电路。下面分别作简单的介绍。 2.1 模拟量采集电路 模拟量的采集要用到 A/D 转换芯片，而且精度为 12 位， 这里选择 MAX1241 A/D 转换器。MAX1241 是一种低功耗、 低电压的 12 位逐次逼近型 ADC，最大非线性误差小于 1LSB，转换时间 9ms，内置快速采样保持电路。MAX1241 采用三线式串行接口，与单片机的接线简单，如图所示 3。图中两个电容是去藕电容，用以对电源进行滤波。Vi 是采集电压的输入端，Vref 是 A/D 转换器的参考电压。一 般情况下可以接单片机的电源。 图 MAX1241 与单片机的接线图 系统要求对 16 路的模拟量进行采集，因此，只有一个 A/D 转换器就不够的，但如果用多个 A/D 转换器一方面会造 成资源浪费，成本加大，另一方面单片机的 I/O 也不够， 因此这里用两个路模拟开关进行扩展，扩展成 16 路。如 图的原理图所示，系统选用两个 CD4051 模拟开关3， 并用单片机的四个 I/O 口控制两个模拟开关的通道选择端， 在采集过程中，选择不同的通道进行数据采集。 2.2 开关量采集电路 对开关量的采集电路相对比较简单，因为开关量的状 态只有 0 和两种，所以只要用两个单片机的并口就可以 了，这里用的是 P0 口和 P2 口。但是有一点需要说明的是： 由于 AT89C51 单片机的 P0 口内部没有上拉电阻，所以在 电路中必须加入外部上拉电阻，阻值可以是 4.7K10K。而 P2 口内部自带上拉电阻，所以不需外加上拉电阻。采集输 入电路如图系统原理图所示。 2.3 脉冲量采集电路 脉冲量信号是周期变化的信号，AT89C51 单片机有两个 外部中断 INT0 和 INT1 接口，利用这两个外部中断输入接 口，可以对脉冲量信号进行测量，脉冲信号可以直接送到 单片机的外部中断接口，也可以进行适当的整形后再送到 单片机的外部中断接口，如加入带施密特功能的反向器 74LS14。也可以用比较器进行整形，这样使单片机的采集 测量更加可靠，更加精确。 2.4 通讯电路 该系统没有设计数据的显示系统，所以把采集到的数 据发送到上位 PC 机上，与 PC 进行通讯。因为单片机与 PC 机的电平是不一样的，因此两者要进行数据交换，必须采 用相应的电平转换电路。用得最多的就是 RS232 通讯方式， 采用 MAX232 芯片即可完成。简单的电路如图所示。 图 通讯电路 3 软件设计 根据设计要求，按照实现功能的分类，软件部分主要 完成四项任务：系统初始化、数据采集、数据处理、向 PC 机发送数据。在数据处理中，需要进行大量浮点数的乘除 法和正弦、余弦运算，因此数据处理部分采用 C 语言编写， 在 Keil 环境中模块化编程，充分利用 C 语言强大的计算能 力。在数据采集部分中，MAX1241 对时序要求比较严格，采 用汇编语言实现，所有功能模块均为独立的 C 文件或 ASM 文件。而实现 C 语言和汇编语言的混合编程2是软件设计 中的难点和关键之一。在设计中，汇编语言采用单独的文 件，通过寄存器传递函数参数。程序流程图如图所示。 这里给出 MAX1214 的控制程序，是用汇编语言编写， 控制子程序完成一次 A/D 转换和输入，输入数据存放于 R0，R1 寄存器。 ；寄存器及端口定义： CS： BIT P1.0 ；片选信号位 DOUT： BIT P1.2 ；串行数据输入位 SCLK： BIT P1.1 ；驱动时钟位 DATA_BH： EQU R0 ；高字节数据存储单元 DATA_BL： EQU R1 ；低字节数据存储单元 CONT_H： EQU R0 ；高位取数计数器 CONT_L： EQU R1 ；低 8 位取数计数器 SADC_R： XRL A，A ；清 A MOV CONT_H，04H ；高 8 位计数 MOV CONT_L，08H ；低 8 位计数 CLR SCLK ；SCLK 置“0” CLR CS ；选中 1241，启动转换 SADC END：JNB DOUT，SADC_ END ；检测 A/D 转换结 束 READ_H： SETB SCLK ； CLR SCLK ；产生一个驱动时钟 MOV C，DOUT ；输入一位数据 RLC A ；数据移位至 ACC0 DJNZ CONT_H，READ_H ；高 4 位输入结束判别 MOV DATA_BH，A ；高 4 位数据送寄存器 READ_L： SETB SCLK CLR SCLK ；产生一个驱动时钟 MOV C，DOUT ；输入一位数据 RLC A ；数据移位置 ACC0 DJNZ CONT_L，READ_L ；低 8 位输入结束判别 MOV DATA_BL，A ；低 8 位数据送寄存器 SETB SCLK CLR SCLK ；清 DOUT 输出 SETB CS ；撤消片选 RET 图 4 软件程序流程图 4 结束语 该系统以 AT89C51 单片机为核心，可以对 16 路模拟量、 16 路数字开关量和两路脉冲量进行采集，模拟量采集精度 达到 12 位，在实际应用中，可以对电压信号进行直接采集， 如果要对传感器的标准电流量进行采集时，还需加入采样 电阻，把电流转换成电压后进行采集。对采集的脉冲量的 频率取决于单片机的时钟频率，一般不能高于单片机的运 行时钟，如单片机用 12MHz 的晶振，则采集的脉冲频率