基于单片机的数据采集与传输系统设计_毕业设计_正文.doc

四川理工学院毕业设计 基于单片机的数据采集与传输系统设计学 生：马良尧学 号：09021020215专 业：电子信息工程班 级：2009.2指导教师：陶思言 李庆隆 四川理工学院自动化与电子信息学院二o一三年六月四川理工学院本科毕业设计基于单片机的数据采集与传输系统设计摘要：本文介绍了基于单片机的数据采集与传输系统的硬件设计和软件设计，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。本系统应用adc0809作为高速数据转换电路使其能够进行8路数据实时采集，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将采集到的实时数据通过rs232传输到上位pc机上。本系统将比较热门的a/d转换技术和单片机技术有效的结合，实现了高速的通信和数据交换。系统能够对多个点进行同时监控，且能够与微机进行通信，可以方便的实现人机对话。软件部分应用vc+编写控制软件，对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。关键词：数据采集；数据传输；adc0809；rs232；单片机design of data acquisition and transmission system based on single chip microcomputerma liangyao(sichuan university of science and engineering, zigong, china, 643000)abstract: this article describes the hardware design and software design of the data on which based on signal-chip microcomputer. the data acquisition system is the link between the digital domain and analog domain. it has an very important function. the system applies adc0809 as a high speed data conversion circuit to 8 road data real-time acquisition, implementation of the collected data to convert the analog quantity to digital quantity, and the transmission of real-time data were collected through rs232 to the upper pc. this system will be popular in the a/d conversion technology and single-chip microcomputer technology effectively combined, realize the high-speed communication and data exchange. system can carry on the monitoring at the same time, to the multiple points and able to communicate with computer, easy to realize the man-machine dialogue. the software is partly programmed with vc+. the software can realize the function of monitoring and controlling the whole system. it designs much program like data-acquisition treatment,data-display and data-communication ect.key words: data acquisition；data transfer ；adc0809；rs232；single chip microcomputer目录摘要iabstractii第1章 引 言11.1 研究的目的及意义11.2 数据采集与数据传输技术的概述11.3 数据采集与数据传输系统的应用21.4 本论文研究的主要内容和结构安排31.5 本章小结4第2章 数据采集与数据传输的基础理论52.1 数据采集的意义和任务52.2模拟信号数字化处理基本理论52.2.1 采样过程52.2.2 采样定理72.2.3 模拟信号的采样控制方式82.3 数据传输理论基础102.3.1 数据传输102.3.2 串行通信接口标准122.3.3 rs232c接口142.3.4 串口通信基本接线方法152.4 本章小结18第3章 系统的硬件设计193.1 系统硬件框图193.2 传感器193.2.1 电压型温度传感器lm35d193.2.2 气压传感器mpx4115203.3 a/d转换电路213.3.1 adc0809的介绍213.3.2 adc0809时序图233.4 单片机电路233.4.1 at89s51说明243.4.2 单片机最小系统263.5 上位机通信电路283.6 显示电路设计303.7 电源电路303.8 本章小结31第4章 系统的软件设计324.1 keil uvision3简介324.2 程序设计324.2.1 主程序流程图324.2.2 led数据显示子程序334.2.3 串口初始化子程序344.2.4 串口通信子程序354.3 程序调试结果354.4 本章小结37第5章 系统仿真385.1 系统仿真使用工具介绍385.2 系统调试结果与分析395.3 本章小结42第6章 结束语43致谢44参考文献45附录46附录一 主要元器件清单46附录二 整体电路结构图47附录三 温度数据采集与传输程序48附录四 压力数据采集与传输程序52 第1章 引 言1.1 研究的目的及意义数据采集与数据传输是指将温度、压力、流量、湿度等物理量从传感器采集，经过adc转换成数字量后，通过传输系统送入计算机（微处理器）进行存储、处理、显示或者打印的过程。数据采集系统是结合基于计算机（或微处理器）的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统，根据不同需要可以把adc采集的电压信号进行相应的计算和处理，获得所需的数据，同时交予数码管实现电压显示功能，便于对某些物理量的监视和统计。虽然在不同的应用领域中，对数据采集与处理系统的功耗、便携性、成本等方面有着不同的要求，但总体而言，要在确保精度的条件下，尽可能提高采集速度，以满足实时采集、实时处理、实时控制的要求。实时性越高，工作效率越高，取得的经济效益也就越大。随着电子技术、计算机技术的高速发展，数据采集与处理技术也在飞速提升。在计算机广泛应用的今天，数据采集的在多个领域有着十分重要的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。在工业、工程、生产车间等部门，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。例如：在环境勘查中，应用数据采集系统可以获取多种物理量，并对勘察对象进行存储、统计和分析，是获取科学奥秘的重要手段之一，从而提高了人们对自然的认知能力；在科学实验中，应用数据采集系统可以获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。本文设计的8路数据采集与数据传输系统主要应用在工业现场。1.2 数据采集与数据传输技术的概述数据采集与传输技术是信息科学的一个重要分支，也是现代科学技术发展的一个重要标志。近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。数据采集是对一个或多个信号获取对象信息的过程。数据采集器是一种具有实验室或现场进行实时数据采集、自动存储记录、信号预处理、即时显示、即时状态分析、自动传输等功能的自动化设备。基于单片机at89s51的数据采集与数据传输系统，相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多外设电路配置简单、扩展方便、操作容易、可靠性高、实用性强、低电压、低功耗、低价格等优点，而adc0809又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统（das）。目前有的das产品精度已达16位，采集速度每秒达到几千万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统11。1.3 数据采集与数据传输系统的应用以微型计算机为核心平台的数据采集监控系统逐渐暴露出许多缺陷，如：工业环境一般条件恶劣，而微型计算机的防尘、防震等功能较差；体积大，不易携带和使用；扩展性差、成本高。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、压力、流量、湿度等场合。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11。技术的进步已经消除或显著地减少了大多数问题。现在可提供选择的范围很广，用户可以定做设备，也可以购买成套的数据采集系统。随着pc时代的到来，嵌入式数据采集技术以其可靠性高、体积小、重量轻、携带维护方便、易扩展、成本低、功能强等优势在数据采集领域起着举足轻重的作用。数据采集与数据传输技术主要用于环境、传感器信号的测量、智能楼宇控制及地震预警等应用系统中，并在工业现场信号隔离及长线传输、工业现场数据的获取与记录、设备运行监视、rs-232/485总线工业自动化控制系统等领域也得到广泛应用11。 当今现代化建设和国民经济发展迅速。社会对生产环境和生活环境意识的要求也越来越高。人们的日常生活和周围环境息息相关，石油、化工、航天、制药、档案保管、粮食存储等领域对环境也有着较高的要求。因此，环境的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术。目前我国环境监测的发展相对完善,已经建立了一整套数据收集系统。主要包括自动监测和手工监测两种,并正随着信息技术的进步而逐步向智能化监测发展。环境自动监测系统的建设和管理是建立在环境监测、自动控制、计算机、电子、通信等多个领域的技术基础上的系统工程。1.4 本论文研究的主要内容和结构安排鉴于数据采集与数据传输系统的广泛应用和其特有的优势，设计了一个8路高速数据采集采集器和一个可以与上位机串行通信的数据传输电路，并将这两部分合并起来成为数据采集与数据传输系统。系统主要包括传感器，a/d转换模块，输出控制模块，数据传输模块，显示模块五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行实时数据监控，完成了设计所有要求。本设计应用性比较强，系统可以作为工业现场的实时数据监控系统，利用单片机实现数据监控并通过计算机存储数据。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统、管道里流量监控系统等等。本论文结构安排如下：第1章 引言部分。对数据采集与数据传输系统的研究目的、意义、发展及应用做了一个详细概述。第2章 理论部分。介绍数据采集与数据传输相关理论，包括采样、传输、接口标准。第3章 硬件部分。提出8路高速数据采集与传输系统的整体设计思路，并对各部分电路进行了具体的设计。第4章 软件设计。根据硬件设计和任务要求完成软件部分的设计，完成软件调试，并给出调试结果。 第5章 系统仿真。在protues环境下，对设计好的硬件电路进行仿真，分析数据是否达到设计要求。第6章 结束语。列举本论文研究成果，分析其中的不足之处，展望研究前景。最后在附录里给出本次设计中的元件清单、完整电路图和软件程序。1.5 本章小结在环境监测和管理系统中，常常需要对众多监测点进行实时监测，大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进行处理。由于监测点过于分散，分布较广，而且大多数啊设置在环境较恶劣的地区，环境监测设备可以将采集到的数据通过gprs网络及时发送到管理中心进行处理，便于管理。总之数据采集技术正朝着靠性高、体积小、重量轻、携带维护方便、易扩展、低成本、多功能、网络化和遥测等方面飞速发展。第2章 数据采集与数据传输的基础理论2.1 数据采集的意义和任务数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换为数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。数据采集系统的任务：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，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。2.2模拟信号数字化处理基本理论任何数字计算机或者数字设备只能接受和处理有限位的数字信号，因此模拟信号在输入到计算机或者数字设备之前必须变成时间上和幅值上都离散的数字信号。这包含两个过程，首先要在某些时间点上抽取连续模拟信号相应的瞬时值，使模拟信号变成时间上离散的时域信号采样信号，这个过程称为采样（sampling）。然后用一组数码来逼近这些采样信号，使采样信号变成幅值上也离散的数字信号，这个过程成为量化（quantization）。采样和量化就是将模拟信号变为任何数字计算机或者数字设备可以接受和处理的数字信号。2.2.1 采样过程一个连续的模拟信号x(t)，通过一个周期性开闭（周期为ts，开关闭合时间为）的采样开关k之后，在开关输出端输出一串在时间上离散的脉冲信号xs(nts)，这个过程就称为采样过程。如图2-1所示。采样信号：xs(nts) 采样时刻：0，ts ,2ts ,3ts 采样时间：tx(t)x(t)kts(t)xs(nts )txs(nts )tsts2ts3tsx(t)x(t)x(t)x(t)tx(t)tx(t)x(t)tx(t)xs(nts )x(t)tx(t)xs(nts )x(t)tx(t)ts(t)xs(nts )x(t)tx(t)kts(t)xs(nts )x(t)tx(t)kts(t)xs(nts )x(t)tx(t)kts(t)xs(nts )x(t)tx(t)kts(t)xs(nts )x(t)t图2-1 采样过程 采样周期：ts 采样频率：fs=1/ts在实际系统中， ts ，也就是说，在一个采样周期内，只有很短的一段时间采样开关是闭合的。采样过程可以看作为脉冲调制过程，采样开关可看做调制器。这种脉冲调制过程是将输入的连续模拟信号x(t)的波形，转换为宽度非常窄而幅度由输入信号确定的脉冲序列。如图2-2所示。tx(t)x(t)kts(t)xs(nts )txs(nts )tsts2ts3tsx(t) 图2-2 脉冲调整过程输入信号与输出信号之间的关系表达式可为 （2-1）因为 ts ，所以假设采样脉冲为理想脉冲，x(t)在脉冲出现瞬间nts取值为x(nts) ，故，上式改写为 （2-2）考虑到时间为负值没有意义，上式改写为 （2-3）在实际应用中，ts 。采样周期ts 决定了采样信号的质量和数量： ts ， xs(nts ) ，内存量； ts ， xs(nts ) ，丢失的某些信息。不能无失真地恢复成原来的信号，出现误差。因此，在进行连续信号的离散化处理时，采样周期必须依据某个定理来选择。 2.2.2 采样定理 一般连续信号x(t)可表示为无限个谐波的叠加，信号x(t)和频谱x(f)关系为（2-4）要由x(nts)恢复出x(t) ，频谱x(f)和采样间隔ts必须满足下列条件： x(f)有截止频率fc时，当| f | fc时， x(f) = 0 ts 1/2fc，或fc1/2ts对一个频率在0fc 内的连续信号进行采样，当采样频率为 fs 2 fc时，由采样信号 xs(nts )能无失真地恢复为原来信号x(t) 。 满足条件下离散信号xs(nts )表示为当| f |1/2ts 时，x(f) = 0，x(f)完全由(-1/ts，1/ts)上的值确定。在此区间上，展成付立叶级数 其中所以 （2-5）可以得到 （2-6）2.2.3 模拟信号的采样控制方式模拟信号采样控制方式如图2-3所示采样无条件采样条件采样dma方式采样定时采样（等间隔采样）定时采样（变步长采样）程序查询采样中断控制采样图2-3 采样控制方式分类 无条件采样采集设备（a/d转换器）可以认为是随时都是准备好工作的，只要有读取数据的命令发出系统就可以从采集设备上获得数据而不需要控制系统和采集设备之间进行握手信号的交互。优点：可以采集任何形式的信号，采集点严格按照时间顺序排列。所需要的软硬件最简单，系统容易实现。缺点：由于采集设备总是在工作，所以每个时刻所采集到的数据是在变化的，所以每采集一次所获得的数据必须在下一次采集的时候将其处理完毕并保存（其中处理包括采集、量化、编码、存储以及其他的一些应用所需要的变换），否则会造成数据的采集失败，采样点的丢失。而且处理器和采集设备需要同时工作。 定时采样（固定的采样时间间隔）； 定点数采样（在信号的周期内才固定点数的值，采样的间隔随着信号的周期变化而变化）。 条件采样采样过程受到控制，并不是任何时候需要数据都可以得到满足，常见的有程序查询采样和中断控制采样两种。 程序查询采样：处理器不断的询问采集设备的状态，了解是否已经将所需要的数据转换处理完毕。特点：系统的实时性不是很高，处理器和采集设备之间的交互信息比较多，处理器的使用率不是很高，但是硬件设备简单，控制程序容易实现（只需要一些循环语句和控制信号就可以实现）不需要保护现场。 中断控制采样：处理器只启动设备，一旦设备启动后处理器就不干预其工作，等到设备采集完毕的时候，向处理器发送中断信号通知处理器。（这两种方式以及下面的dma方式和微机原理中的三中i/o方式是同样的道理，是它的一种实际应用）。特点：处理器的使用效率可以提高。但是需要保护现场，软件处理要求比较高一些。 dma方式采样利用中断控制方式进行数据采集，可以大大提高cpu利用率。但是，中断方式仍是由cpu通过程序把采集的数据从i/o端口传送至累加器，然后再由累加器送至内存。图2-4中实线部分为中断方式传输数据的示意。在这个过程中的最大传输效率不超过10000biat/s，从而使数据传输需要一定的时间。如果要高速数据采集，采用中断控制采样是不合适的。内存cpui/o外设dma控制器图2-4 dma传送方式示意图在dma方式采样控制下，由硬件完成数据传送操作，数据直接在外部设备和存储器mem之间进行传送，而不通过cpu和io，因而可大大提高数据的采集速率。2.3 数据传输理论基础依照适当的规程，经过一条或多条链路，在数据源和数据终端之间传送数据的过程。也为借助信道上的信号将数据从一处送往另一处的操作就称为数据传输。2.3.1 数据传输 基带、频带和数字数据传输： 基带传输是指由数据终端设备（dte）送出的二进制“1”数据传输或“0”的电信号直接送到电路的传输方式。 大多数传输信道是带通型特性，基带信号通不过。采用调制方法把基带信号调制到信道带宽范围内进行传输，接收端通过解调方法再还原出基带信号的方式，称为频带传输。 数字数据传输是利用数字话路传输数据信号的一种方式。 并行传输与串行传输： 并行传输是构成字符的二进制代码在并行信道上同时传输的方式，所传送的数据同时发送和接收。一个并行数据占多少二进制数，就要多少根传输线。这种通信方式数度快，但传输线多，价格贵，适合近距离传输。如图 2-5所示。0011101000111010仪 器计 算 机图2-5 并行传输方式 串行传输是构成字符的二进制代码在一条信道上以位（码元）为单位，按时间顺序逐位传输的方式。速度虽慢，但只需一条传输信道，投资小，易于实现，是数据传输采用的主要传输方式。如图2-6所示。仪器计算机发送接收图2-6 串行传输方式 异步传输和同步传输： 异步传输是字符同步传输的方式。当发送一个字符代码时，字符前面要加一个“起”信号，长度为1个码元宽，极性为“0”，即空号极性；而在发完一个字符后面加一个“止”信号，长度为1，1.5或2个码元宽，极性为“1”，即传号极性。接收端通过检测起、止信号，即可区分出所传输的字符。字符可以连续发送，也可单独发送，不发送字符时，连续发送止信号。如图2-7所示。起始位1帧数据数据位d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7停止位奇偶校验停止位asc码asc码011p1p第n-1个字符第n+1个字符第n个字符数据流图2-7 数据异步传输格式由图可知，1帧数据是由以下4个部分按顺序组成的：起始位当通信线上没有数据传输时，线路处于逻辑“1”状态。当仪器要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。因此，起始位所起的作用就是表示数据传输开始。数据位当计算机接收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的位数可以是5、6、7或8位的数据。在字符数据传输过程中，数据位从最小有效位（最低位）开始传输。奇偶校验位数据位发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验位用于有限差错检测，通信双方在通信时须约定一致的奇偶校验方式。就数据传输而言，奇偶校验位是冗余位，但它表示数据的一种性质，这种性质用于检错，虽有限但很容易实现。奇偶检验位可有可无，可奇可偶。停止位在奇偶位或数据位（当无奇偶校验位时）之后发送的是停止位。可以是1位、1.5位或2位。停止位是一个字符数据的结束标志。 同步传输是位（码元）同步传输方式。该方式，如图2-8必须在收、发双方建立精确的位定时信号，以便正确区分每位数据信号。在传输中，数据要分成组（或称帧），一帧含多个字符代码或多个独立码元。在发送数据前，在每帧开始必须加上规定的帧同步码元序列，接收端检测出该序列标志后，确定帧的开始，建立双方同步。接收端dce从接收序列中提取位定时信号，从而达到位（码元）同步。数据2数据1数据n校验字节1-2个同步字符连续传送n个字符校验图2-8 数据同步串行传输格式 单工、半双工和全双工传输：单工传输指数据只能按单一方向发送和接收；半双工传输指数据可以在两个方向传输但不能同时进行，即交替收、发；全双工传输指数据可以在两个方向同时传输，即同时收和发。一般四线线路为全双工数据传输，二线线路可实现全双工数据传输。2.3.2 串行通信接口标准串行通信接口（serial communication interface）按国际标准化组织提供的电气标准及协议划分为rs-232、rs-485、usb、ieee 1394等。rs-232和rs-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。usb和ieee 1394是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化。借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信设备可以很容易实现它们之间的串行通信连接。采用标准接口后，能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器等有机地连接起来，进行串行通信。rs232c是由美国电子工业协会（eia）正式公布的、在异步串行通信中应用最广的标准总线。它包括了按位串行传输的电器和机械方面的规定。适合于短距离或带调制解调器的通信场合，为了提高数据传输速率和通信距离，eia又公布了rs422，rs423和rs一485串行总线接口标准。20ma电流环是一种非标准的串行接口电路，但由于它具有简单、对电器噪声不敏感的优点，因而在串行通信中也得到广泛使用。为保证通信的可靠性要求，在选择接口标准时，须注意两点：通信速度和通信距离，抗干扰能力。 通信速度与距离通常的标准串行接口标准，其电气特性都具有可靠传输时的最大通信速度和传送距离两方面指标，但这两方面指标之间具有一定的相关性。通常情况下，适当地降低通信速度，可提高通信距离，反之亦然。例如，采用rs-232c标准进行单向数据传输时，最大数据传输速率为20kb/s，最大传送距离为15m，而改用rs-422标准时，最大传输速率可达10mb/s，最大传送距离为300m，在适当降低数据传输速率情况下，传送距离可延伸到1200m。 抗干扰能力串行通信接口标准的选择，在保证不超过其使用范围情况下，还要考虑其抗干扰能力，以保证信号的可靠传输。但工业测控系统运行环境往往十分恶劣，因此，在通信介质选择、接口标准选择时要充分注意其抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施。例如：在长距离传输时，使用rs-422标准，能有效地抑制共模信号干扰。在高噪声污染环境中，使用带有金属屏蔽层、光纤介质来减少电磁噪声的干扰，采用光电隔离提高通信系统的安全性等，都是一些行之有效的办法。2.3.3 rs232c接口rs-232是微型计算机与通信工业中应用最广泛的一种串行通信接口标准。rs-232采取不平衡传输方式，即所谓的单端通信。rs-232c串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于15m，传输速率最大为20kb/s。rs232c总线标准接口目前最常用的串行通信总线接口是美国电子工业协会（eia）1969年推荐的rs232c。rs232c标准接口的全称是“使用二进制进行交换的数据终端设备（dte）和数据通信设备（dce）之间的接口”。计算机、外设、显示终端等都属于数据终端设备，而调制解调器则是数据通信设备。 接口信号一个完整的rs-232c接口有22根线，采用标准的25芯插头座。表2-1给出了rs-232c串行标准接口信号的定义以及信号的分类。表2-1 rs-232c串行标准接口信号的定义及信号的分类引脚号信号名称简称方向信号功能1保护地接设备外壳，安全地线2发送数据txddcedte发送串行数据3接收数据rxddtedte接收串行数据4请求发送rtsdcedte请求切换到发送方式5清除发送ctsdtedce清除发送6数据设备就绪dsrdtedce准备就绪7信号地信号地8载波检测（rlsd）dcddtedce已接收到远程信号20数据终端就绪dtrdcedte准备就绪22振铃指示ridte通知dte，通信线路已妥通常使用25芯的接插件（db25插头和插座）来实现rs232c标准接口的连接。rs一232c标准接口（db25）连接器的机械性能与信号线的排列如图2-9所示。图2-9 db25连接器的机械性能与信号线的排列 电气特性rs-232c采用负逻辑，即：逻辑“1”为-5-15v，逻辑“0”为+5+15v。表2-2为rs-232c接口的主要电气特性。表2-2 rs-232c接口的主要电气特性不带负载时驱动器输出电平vo25v(-25+25v)负载电阻r0 37k负载电容（包括线间电容）cl+3v驱动器输出电平-5-15在负载端-3v输出短路电流0.5a驱动器转换速率30v驱动器输出电阻r3002.3.4 串口通信基本接线方法目前较为常用的串口有9针串口（db9）和25针串口（db25），通信距离较近时(12m)，可以用电缆线直接连接标准rs232端口(rs422,rs485较远)，若距离较远，需附加调制解调器（modem）。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连，本文只涉及到最为基本的接法，且直接用rs232相连。 db9和db25的常用信号脚说明。如下表2-3所示。表2-3 db9和db25的常用信号脚说明9针串口（db9）25针串口（db25）针号功能说明缩写针号功能说明缩写1数据载波检测dcd8数据载波检测dcd2接收数据rxd3接收数据rxd3发送数据txd2发送数据txd4数据终端准备好dtr20数据终端准备好dtr5信号地gnd7信号地gnd6数据设备准备好dsr6数据设备准备好dsr7请求发送rts4请求发送rts8清除发送cts5清除发送cts9振铃指示dell22振铃指示dell rs232c串口通信接线方法（三线制）首先，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连，同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连 对9针串口和25针串口，均是2与3直接相连；两个不同串口（不论是同一台计算机的两个串口或分别是不同计算机的串口）。上面表格是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收gps数据或电子罗盘数据，只要记住一个原则：接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接，就能百战百胜。 串口调试中要注意的几点：串口调试时，准备一个好用的调试工具，如串口调试助手、串口精灵等，有事半功倍之效果； 强烈建议不要带电插拨串口，插拨时至少有一端是断电的，否则串口易损坏。 串口通讯流控制 我们在串行通讯处理中，常常看到rts/cts和xon/xoff这两个选项，这就是两个流控制的选项，目前流控制主要应用于调制解调器的数据通讯中，但对普通rs232编程，了解一点这方面的知识是有好处的。这里讲到的“流”，当然指的是数据流。数据在两个串口之间传输时，常常会出现丢失数据的现象，或者两台计算机的处理速度不同，如台式机与单片机之间的通讯，接收端数据缓冲区已满，则此时继续发送来的数据就会丢失。现在我们在网络上通过modem进行数据传输，这个问题就尤为突出。流控制能解决这个问题，当接收端数据处理不过来时，就发出“不再接收”的信号，发送端就停止发送，直到收到“可以继续发送”的信号再发送数据。因此流控制可以控制数据传输的进程，防止数据的丢失。 pc机中常用的两种流控制是硬件流控制（包括rts/cts、dtr/cts等）和软件流控制xon/xoff（继续/停止），下面分别说明。 硬件流控制硬件流控制常用的有rts/cts流控制和dtr/dsr（数据终端就绪/数据设置就绪）流控制。硬件流控制必须将相应的电缆线连上，用rts/cts（请求发送/清除发送）流控制时，应将通讯两端的rts、cts线对应相连，数据终端设备（如计算机）使用rts来起始调制解调器或其它数据通讯设备的数据流，而数据通讯设备（如调制解调器）则用cts来起动和暂停来自计算机的数据流。这种硬件握手方式的过程为：我们在编程时根据接收端缓冲区大小设置一个高位标志（可为缓冲区大小的75）和一个低位标志（可为缓冲区大小的25），当缓冲区内数据量达到高位时，我们在接收端将cts线置低电平（送逻辑0），当发送端的程序检测到cts为低后，就停止发送数据，直到接收端缓冲区的数据量低于低位而将cts置高电平。rts则用来标明接收设备有没有准备好接收数据。 软件流控制由于电缆线的限制，我们在普通的控制通讯中一般不用硬件流控制，而用软件流控制。一般通过xon/xoff来实现软件流控制。常用方法是：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发出xoff字符（十进制的19或control-s，设备编程说明书应该有详细阐述），发送端收到xoff字符后就立即停止发送数据；当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发出xon字符（十进制的17或control-q），发送端收到xon字符后就立即开始发送数据。一般可以从设备配套源程序中找到发送的是什么字符。应该注意，若传输的是二进制数据，标志字符也有可能在数据流中出现而引起误操作，这是软件流控制的缺陷，而硬件流控制不会有这个问题。 2.4 本章小结本章主要作用是确定设计方案，通过对采样定理、数据传输方式、rs232串口通信的研究最终确定了本次论文设计的方案。传感器负责采集数据、adc0809负责将模拟量转换为数字量、单片机负责处理数据、lcd电路负责显示实时数据、rs232负责将采集到的数据上传给电脑。第3章 系统的硬件设计本系统设计了一个基于单片机的数据采集与传输系统。整个系统包括：数据采集模块；a/d转换模块；单片机控制部分；数据传输模块；数据显示部分五大模块。3.1 系统硬件框图传感器放大滤波电路a/d转换单片机at89s51pc机显示电路图3-1 系统硬件框图图3-1为本设计的系统框图。首先传感器负责采集信号的模拟量交给放大滤波电路进行放大、滤波后，由ad0809进行模数转换；然后送到单片机进行处理；最后在显示电路中显示，并通过rs232模块传送到pc机上。3.2 传感器本设计为数据采集与数据传输系统，根据不同需要，采集的数据类型也有不同，如：温度、压力、流量等。在这里主要介绍2种用于数据采集的传感器。3.2.1 电压型温度传感器lm35dlm35d输出电压与摄氏温度成正比，其灵敏度为10mv/；温度范围为0100；电压为4-30v，可直接用温控电路的电源，但要加一个隔离二极管及平滑电容c；精度为土1；最大线性误差为土0.5；静态电流为80a；输出电压接数字万用表2v直流电压挡，可读出分辨率为0.1的温度读数。如表上读数为287mv，即温度为28.7。该传感器最大的特点是使用时无需外围元件，也无需调试和校正（标定），把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器。电路设计如图3-2所示。图3-2 lm35d相关电路3.2.2 气压传感器mpx4115mpx4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在0-85的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40-125。其电路设计如图3-3所示。图3-3 压力传感器相关电路气压传感器mpx4115的管脚说明如表3-1所示：表3-1 气压传感器mpx4115的管脚说明123456voutgndvsnsnsns气压传感器mpx4115的特性参数如表3-2所示表3-2 气压传感器mpx4115的特性参数参数符号典型最小最大单位压力范围pop-15115kpa供电电压vs5.148.55.35vdc供电电流lo7.0-10madc最大压力偏置vpss0.2040.1350.273vdc满量程输出voff4.7974.7254.863vdc满量程比例vfss4.5904.5214.695vdc精度-1.5%vpss灵敏度v/p45.9-mv/kpa响应时间tr1.0-ms上升报警时间-20-ms偏执稳定性-0.5-%vfss3.3 a/d转换电路在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，而要对这些信号进行处理,则需要将其转换为数字量，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。按模拟量转换成数字量的原理可以分为3种：双积分式、逐次逼近式及并行式a/d转换器。而该系统选用的是adc0809，下面就具体的介绍一下adc0809的工作原理。3.3.1 adc0809的介绍adc0809是八通道的八位逐次逼近式a/d转换器。由单一的5v电源供电，片内带有锁存功能的8选1的模拟开关。由c、b、a的编码来决定所选的模拟通道。转换时间为100us。转换误差为1/2lsb。它的引脚的排列及其功能，其引脚图及相关电路见图3-4。图3-4 ad0809引脚图及相关电路adc0809各引脚功能如下：in7in0 ：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。输入高电平有效。start：转换启动信号，高电平有效。out8out1：数据输出线。三态输出，out8是最高位，out1是最低位。oe：输出允许信号，高电平有效。clk：时钟信号，最高频率为 640khz。eoc：转换结束状态信号。上升沿后高电平有效。oe：数据输出允许信号，输入高电平有效。当a/d转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。vcc：+5v电源。gnd：接地。vref：参考电压。3.3.2 adc0809时序图adc0809的时序图如图3-5所示：addaaddcale/starteocoeout1out8图3-5 adc0809的时序图其工作过程是：ale的上升沿将a、b、c端选择的通道地址锁存到8位a/d转换器的输入端。start的下降沿启动8位a/d转换器进行转换。a/d转换开始使eoc端输出低电平。a/d转换结束，eoc输出高电平。该信号通常可作为中断申请信号。oe为读出数据允许信号。oe端为高电平时，可以读出转换的数字量。硬件电路设计时，需根据时序关系及软件进行设计。3.4 单片机电路单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（cpu）,随机存取数据存储器（ram），只读程序存储器（rom），输入输出电路（i/o口），可能还包括定时计数器，串行通信口（sci），显示驱动电路（lcd或led驱动电路），脉宽调制电路(pwm)，模拟多路转换及a/d转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面8。在本设计中我们需要对数据进行采集和传输。所以选择了在市场上应用比较广泛的51系列单片机。mcs51单片机是典型的8位高性能单片机，模块式结构。因此，本设计选用了at89s51。3.4.1 at89s51说明at89s51单片机是美国atmel公司生产的低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4kb的可系统编程的flash只读程序存储器，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8051指令系统及引脚。它集flash程序存储器，既可在线编程（isp）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。其引脚图及相关电路图，如图3-6所示。图3-6 at89s51芯片引脚图及相关电路它一共