数据采集系统(第二组).doc

数据采集系统的设计 姓 名： 专 业： 指导老师： 学 号： 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。本实验采用89C51系列单片机，89C51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，并采用AD0809模数转换芯片，具有很高的稳定性，且节约成本。（一）、数据采集系统的基本介绍1.1 数据采集系统的简介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。15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 。 16 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(Smarts nor)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（二）、系统设计一、 设计要求1、基本要求 （1）模拟信号产生器：自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz2kHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应15V直流电压（200Hz对应1V，2kHz对应5V）。（2）八路数据采集器：数据采集器第1路输入自制15V直流电压，第27路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度），第8路备用。将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。 （3）主控器：主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环采集（即1路、2路8路、1路）和选择采集（任选一路）二种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。2、发挥部分 （1）利用电路补偿或其它方法提高可变电阻值变化与输出直流电压变化的线性关系；（2）尽可能减少传输线数目； 二 、总体设计方案1、设计思路本设计的基本思路是：根据设计指标，首先从整体上规划好整个系统的功能和性能，然后再对系统进行划分，将比较复杂的系统分解为多个相对独立的子系统，特别注意对各个子系统与系统、子系统与子系统之间的接口关系进行精心设计以及技术指标的合理分解。然后再由子系统到部件、部件到具体元器件的选择和调试。各部件或子系统各自完成后再进行系统联调，直到完成总体目标。主控电路信号采集显示输出串口转并口模数转 换（三）、系统硬件电路设计一、电源电路设计电源部分电路由变压器、电桥、三端稳压器7805、滤波电容和整流二极管、电阻分压组成。电路的优点是：直流电源输入范围宽从7.5V24V都可以可靠工作，电路具有短路保护作用，纹波系数小，电压稳定为5V。如图（1）所示。图（1）5V稳压电源电路二、AD转换和串口转并口设计1、单片机89C51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）。P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表3-1所示。P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2 (外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0）P3.5T1（定时器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器都选通）RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（）。一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期两次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。/VPP:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，必须同GND相连接。需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，应该接到VCC端。XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2、 ADC0809内部功能与引脚介绍ADC0809八位逐次逼近式AD转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。其内部结构如图2-2所示。图2-2 ADC0809内部结构1.ADC0809主要性能u 逐次比较型u CMOS工艺制造u 单电源供电u 无需零点和满刻度调整u 具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容u 易与各种微控制器接口u 具有锁存控制的8路模拟开关u 分辨率：8位u 功耗：15mWu 最大不可调误差小于1LSB（最低有效位）u 转换时间（）128usu 转换精度：u ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280kHz。典型时钟频率为640kHz2.引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图2-3所示。各引脚的功能如下：IN0IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入05V待转换的模拟电压。D0D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。图2-3 A/DC0809引脚ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100s。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用5V单一电源供电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。3、AT89C51与ADC0809的接口ADC0809时钟信号由单片机的ALE信号2分频获得。ADC0809通道地址由P0 口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。转换后的N个数据顺序存放到起始地址为data_addr数据存区。串口转并口部分电路由芯片74LS165组成，与0809的连接电路如下：4、ADC0809的时钟频率500KHZ的产生：从单片机 ALE引脚产生的1MHZ频率，通过D触发器后变为500KHZ，然后 输入到0809中的CLK引脚中。而D触发器在74LS74芯片可以找到。如图所示：三、主控器电路主控器由AT89S51及其外围电路组成。其外围电路有复位电路、时钟源电路等等。1、复位电路设计复位电路如图（5）所示，复位电路具有上电自动复位作用。必要时可按复位键手动复位，提高了复位电路的抗干扰能力。 图（5）复位电路 2、时钟源设计时钟源电路如图（6）所示，X1和X2之间跨接晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。主控器总体电路如图所示：1、P0口接上拉电阻的作用是保证其工作电压。2、P1.5 P1.6 P1.7 是外界往单片机里面写程序的3个引脚。3、由硬件设定，一般P0.2为输入74164的数据线，P0.3为输入74164的时钟线。4、ALE引脚置5V（即置1）是为了使单片机执行程序时从内部ROM开始查询再到外部RAM,如果为置0时则只从外面的RAM查询。5、从7615中传送过来的串行数据输入MC-51时，可以从P0,P1,P2,P3中的任意空闲引脚中输入。四、显示部分这个电路主要是用74LS164完成，与显示的数码管相连。这部分主要将数据通过串行变为并行，然后显示到数码管中。1、89C51单片机输出的数据是串行的，需要把它变为并行的才能在数码管显示，那么就要用到74164芯片作为转换器件。74164的作用是将串行数据转换为并行数据。2、74164输出的并行数据输进到数码管里面就可以显示了。具体的显示时间长短则要看程序设计的延时时间的长短。3、果要显示多个数字，则要85C51单片机的时钟线控制，如图所示：数据从SDA输入，是串行数据。当有8位数据移入到第一个芯片时，则该芯片将这8位数据从QAQH口并行输出，再输入到数码管，从而实现了串到并的过程。但是当时钟线CLK每上跳变一次时，SDA数据便会输入一位到74164中。CLK不断跳变，SDA不断往74164压入数据，则某数字从数码数码管的左到右显示。至于在某个数码管显示多久就要看程序的延时时间了。（三）系统主要程序的设计整个系统软件设计分为两个部分，作为主控的PC端的软件设计及作为数据采集器的单片机终端节点的软件设计。系统采用模块化编程，将各部分功能分别实现，主要的功能子程序有：数据采集、部分中断子程序。主程序流程图如图3-1所示开始系统初始化调用数制转换子程序调用数据采集子程序取相应通道数据调用标度变换子程序调用数据显示子程序调用数据发送子程序图3-1 主程序流程图模数转换中断方式使用EOC信号作为向8051的中断申请。在主程序中，向ADC发出首次启动转换信号后，并计数管理转换通道数。当检测到EOC的请求后，转去执行中断服务程序，读取转换结果，并启动下一次转换，后继续执行。图3-2为A/D转换程序流程图。YN开始定义A/D转换缓冲区首地址开中断置通道数置DPTR启动转换等待中断各通道采完？中断处理返回关中断 图3-2 数据采集程序流程图：8路数据采集程序 开始取转换量存入A/D转换数据缓冲区通道号+1缓存单元地址+1通道数-1启动下次转换返回图3-3 数据采集中断程序流程图主程序清单：ORG 0000h MOV r1,#20h ； 取数20h送 r1中 MOV r2,#8h ；取数8h送r2中 MOV TL0,#0h ；启动 TL0 MOV TH0,#0b8h ；设置定时初值THOMOV tmod,#1h ；选择工作方式1 clr et0 ；清零 setb tr0 ；启动T0工作 MOV scon,#40h ；设置串口工作方式1 MOV dptr,#78ffh ；取源数据地址送dptrloop: MOV a,r2 ；将r2中的数据送累加器a中 SUBB a,r1 ；将r1中的数据与a中数据进位减法运算 jnz loop2 ；结果不为零则转loop2 MOV r1,#0h ；对r1清零 MOV dptr