基于单片机的数据采集与传输系统设计_毕业设计_正文

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： 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 I 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 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 系统 将比较热门的 A/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 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； 单片机 马良尧：基于单片机的数据采集与传输系统设计 A 643000) of on on is It an as a of to to of to C. be in , on at to to to is C+. of It 川理工学院本科毕业设计 录 摘要 . I . 1章 引 言 . 1 究的目的及意义 . 1 据采集与数据传输技术的概述 . 1 据采集与数据传输系统的应用 . 2 论文研究的主要内容和结构安排 . 3 章小结 . 4 第 2章 数据采集与数据传输的基础理论 . 5 据采集的意义和任务 . 5 拟信号数字化处理基本理论 . 5 样过程 . 5 样定理 . 7 拟信号的采样控制方式 . 8 据传输理论基 础 . 10 据传输 . 10 行通信接口标准 . 12 口 . 14 口通信基本接线方法 . 15 章小结 . 18 第 3章 系统的硬件设计 . 19 统硬件框图 . 19 感器 . 19 压型温度传感器 . 19 压传感器 . 20 ：基于单片机的数据采集与传输系统设计 片机电路 . 23 明 . 24 片机最小系统 . 26 位机通信电路 . 28 示电路设计 . 30 源电路 . 30 章小结 . 31 第 4章 系统的软件设计 . 32 介 . 32 序设计 . 32 程序流程图 . 32 据显示子程序 . 33 口初始化子程序 . 34 口通信子程序 . 35 序调试结果 . 35 章小结 . 37 第 5章 系统仿真 . 38 统仿真使用工具介绍 . 38 统 调试结果与分析 . 39 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 四川理工学院本科毕业设计 - 1 - 第 1 章 引 言 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 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 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。 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。 马良尧：基于单片机的数据采集与传输系统设计 - 2 - 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 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 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（ 目前有的 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。 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 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、四川理工学院本科毕业设计 - 3 - 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、 85 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。 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/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 马良尧：基于单片机的数据采集与传输系统设计 - 4 - 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 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。 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 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。 四川理工学院本科毕业设计 - 5 - 第 2 章 数据采集与 数据 传输的基础理论 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。 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（ 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（ 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。 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 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(这个过程就称为采样过程。如图 2示。 采样信号： xs( 采样时刻： 0， 23 采样时间： 马良尧：基于单片机的数据采集与传输系统设计 - 6 - 图 2样过程 采样周期： 采样频率： ， +3V 驱动器输出电平 15 在负载端 /*/ ; E = ; ; ; ; /*/ /*/ /=I ; ;/ /*串口初始化 */ ; ; ; ; 四川理工学院本科毕业设计 - 49 - ; ; /*/ z) x, y; x = z; x 0; y = 110; y 0; /*/ = 00000000 00000000 0; 0 ); 0; 0 100; ); 马良尧：基于单片机的数据采集与传输系统设计 - 50 - 0; 0 100 / 10 + 128; ); 0; 0 10; ); 0; /*/ ; ) 32; 1; 0; 1; 0; ; = 0) ; 100 / 51; 四川理工学院本科毕业设计 - 51 - /*中断函数 */ ; 1) ; 1) ; /*i=0;i /*/ ; E = ; ; ; ; /*/ /*/ /=I ; ; /*串口初始化 */ ; ; ; ; 四川理工学院本科毕业设