数据采集系统.doc

湖 南 工 业 大 学 科 技 学 院 毕业设计（论文）开题报告 （2012届）教 学 部： 机电信息工程教学部 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 肖红杰 班 级： 0801 学号 0812140106 指导教师姓名： 杨韬仪 职称 讲师 2011年 12 月 10 日题目：基于单片机的数据采集系统的控制器设计1. 结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写15002000字左右的文献综述。近年来，数据采集及其应用技术受到人们越来越广泛的关注，数据采集系统在各行各业也迅速的得到应用。如在冶金、化工、医学、和电器性能测试等许多场合需要同时对多通道的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送、再由上位机进行数据分析和处理，信号波形显示、自动报表生成等处理，这些都需要数据采集系统来完成。但很多数据采集系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对操作环境要求高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统 ，基于单片机的数据采集系统具有实现处理功能强大、处理速度快、显示直观，性价比高、应用广泛等特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化，智能家居等诸多领域。总之，无论在那个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就超高，取得的经济效益就越大。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的信号，并送入计算机，然后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测，其中一些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。 数据采集系统的市场需求量大，特别是随着技术的发展，可用数据器为核心构成一个小系统,而目前国内生产的主要是数据采集卡，存在无显示功能、无记忆存储功能等问题，其应用有很大的局限性，所以开发高性能的，具有存储功能的数据采集产品具有很大的市场前景。随着电子技术的迅速发展，一些高性能的电子芯片不断推出，为我们进行电子系统设计提供的更多的选择和更多的方便，单片机具有体积小、低功耗、使用方便、处理精度高、性价比高等优点，这些都使得越来越广泛的选用单片机作为数据采集系统的核心处理器。一些高性能的A/D转换芯片的出现也为数据采集系统的设计提供了更多的方便，无论是采集精度还是采样速度都比以前有了较大的提高。其中一些知名的大公司如MAXIM公司、TI公司、ADI公司都有推出性能比效突出的A/D转换芯片，这些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特点，有些芯片还具有多通道的同步转换功能。这些芯片的出现，不仅因为芯片价格便宜，能够降低系统设计的成本，而且可以取代以前繁琐的设计方法，提高系统的集成度。 数据采集器是目前工业控制中应用较多的一类产品，数据采集器的研制已经相当成熟，而且数据采集器的各类不断增多，性能越来越好，功能也越来越强大。 在国外，数据采集器已发展的相当成熟，无论是在工业领域，还是在生活中的应用，比如美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器，它既可单独使用又可和计算机连接使用，它具有多种测量功能，多种数据存储方式各多种控制方式。262XA共有21路模拟输入通道，可直接测电压（交流/直流至300V）、电流（利用分流器）、温度（9种热电偶）、频率和电阻 等物理量，8路数字输入/输出可用于数字信号的处理。262XA系列有两种扫描速度4通道/秒（慢），17通道/秒（快）。仪器可使用90-264V交流电直接供电，也可使用9-16V直流供电，交直流电源还可同时使用，断电时可自动切换至直流。RS232接口为标准配置，可用于向计算机传输数据和控制，的数据可随时通过接口打印，也可将数据用RS232接口传至计算机。记录的数据包括：通道号、测量值、时间、报警状态、累加计数等，数据格式与Lotus、Excel是兼容。 在国内，随着这几年数据采集技术的不断发展，虽然比国外还是有一段的距离，但是在各行各业都得到了广泛的使用，现在市场上出现了各种新型的数据采集器。例如北京凯文斯系统集成有限公司E16系列EPP并口宽，动态范围的高精度数据采集器，数据通道可以达到16个（单端），可编程增益为1、2、4、8倍，分辨率为16位，采样最高频率永定天微机的CPU及速度，一般为60-80KHz。北京测振仪器厂研制的HZ-9609数据采集器/振动分析仪，它采用中文显示，直观醒目，操作简单方便，采用先进的微电脑技术，工作可靠，采用高性能电池，体积小，重量轻，便于现场使用，采用频谱分析技术和故障诊断技术，是进行数据采集，完成设备状态分析和故障诊断技术，是进行数据采集，完成设备状态分析和故障诊断的得力助手，它可以与微机通讯，建立设备状态数据库，对连接设备进行更精细的状态分析，采用电压加速度传感器，可测量振动信号的加速度，速度和位移，还可测量电压信号和转速信号，采样频率为1Hz-10KHz。北京众人精密测控技术公司的产品F-5000系列笔记本专用数据采集控制器，具有程控增益，通道扩展，0.2%的精度等特点，但分立率不超过12位。2.选题依据、主要研究内容、研究思路及方案。随着数据采集系统在各行各业的迅速发展与应用，为了满足某个特定方面对于数据采集与分析、处理的需求，数据采集在工业上的使用大致可分为四大类（1）基于通用微型计算机的数据采集系统，（2）基于单片机的数据采集系统，（3）基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统（4）基于混合型计算机的采集系统。基于单片机的数据采集系统具有如下特点：最佳的性价比，即系统的软硬件应用/配置比接近于1，系统性能可靠性好，使用方便，程序运行在ROM中，不会爱外界的干扰面破坏在中低端数据采集领域，单片机是使用最为广泛的微控制器便于学习及系统组合。 设计一套新型的数据采集系统,采用单片机作为中心控制单元,应用高精度并行A/D转换芯片和8通道故障保护模拟开关实现8 路数据采集,采用EEPROM器件模拟I2C时序进行暂时的数据存储,待存储的数据足够多的时候将历史数据通过单片机串行口存储在上位机文件中。这样用户可以在上位机上编写各种程序或者利用其他应用软件对文件中的数据进行有效查询和分析,有利于工业过程的长期正常运行和检查。 基于单片机的数据采集电路主要包括模/数信号调理电路、单片机最小系统电路、A/D转换电路、显示电路、通信电路等，如下图所示。 整体硬件框图 单片机技术，在信号采集系统中，单片机控制整个系统工作，将采集到的数据传输到上位机，若上位机有反馈信息、指令，单片机收到上位机发来指令后还需对外围设备进行相关的控制。常用的单片机有MSC51系列单片机、PIC系列单片机、AVR系列单片机，各系列单片机都有自己的特点。51系列单机应用非常广泛，有很多电气公司推出了与51单片机兼容的单片机如ATMEL公司的AT89S51、PHILIS公司系列的单片机、Silicon出品的C8051系列单片机。以现在常用的AT89C51为例：AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes可编程的Flash只读存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，集成有Flash程序存储器，既可在线编程又可用传统的方法编程。PIC单片机采用CISC结构，寄存器组采用RAM结构形式，只需要一个周期就可以完成访问与操作，具有指信令少、指行速度快、低电压、低功耗的优点。AVR单片机的特点是带编程能力程序存储器，增加了很多特殊功能的外设，适合于多种应用。目前单片机种类发展较快，型号繁多，要根据设计不同系统的功能的要求选择不同的单片机，一般来说控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机，控制关系比较复杂的场合，如通信产品、工业控制系统可CISC单片机。 A/D转换器，能够把模拟量转换成数字量的元器件称为A/D转换器,包括单片机在内的微机所能识别的都是数字量，然而在现实生活中的物理量都是一些模拟量，必须经过A/D转换器才能转换成数字量。A/D转换器的主要特性参数有分辩率、转换时间、通道数、采样速率等。目前市场上A/D转换器有很多种，性能和价格差别很大。A/D转换器按转换方式分可分为并行式模数转换器、连续逼近式模数转器、连续计数式模数转器、双斜率式模数转换器，根据数据的输出方式分可分为并行输出的A/D转换器、并行输出的A/D转换器。并行式模数转换器的转换速度最快、连续逼近式模数转器次之、连续计数式模数转器和双斜率式模数转换器转换速度最慢。随着电子技术的发展，一些知名大公司推出了性能比效突出的A/D芯片，这些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特点，转换精度较高。在选择A/D转换器时，应根据数据采集系统的应用范围和A/D芯片的价格选择A/D芯片，也可以选择一些片内集成有A/D转换器的单片机如AVR mega16、C8051F020等。 显示部分，为了从单片机上直接了解当前采集信号的信息和机器状态，可在单片机上安装数码管或液晶屏。数码管只能显示一些数字信息，很难从这些数字了解机器的状态。液晶显示模块是一种常用的人机界面，其在单片机系统中应用极为广泛。液晶显示模块既可显示字符，又可显示简单图形。液晶屏种类繁多常用的液晶屏有只显示英语字母和数字的1602和能显示汉字和图形的12864和160128等。 单片机与PC机的通信 ，单片机通常是通过串行通信方式将信息传到PC机上，串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并串转换转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式以供接收方使用。串行通信要求具有规范的数据格式、传输时序等，随着集成电路技术的发展，这些控制逻辑已经被集成到一个芯片中，使得串行数据通信的实现比效容易。常用的串行传输类型有：RS-232串行通信接口、RS-442串行通信接口、RS-485串行通信接口等，它们在传输距离、抗干扰性、技术成熟性等方面性能不同，可根据数据采集器的具体应用选择不同的通信方式。 基于单片机数据采集系统的发展趋势及未来前景： 单片机与FPGA、DSP等高速器件相比，运行速度有较大差距，因此基于单片机的数据采集系统采样速率与基于DSP的数据采集系统的采样速率有较大差距，但随着一些高速单片机和一些高速器件的出现，这方面的差距会减小。在一此生产和实验过程中，要求将采集数据通过较长距离的通信将数据传输出去并远程控制采样方式以便及时地了解生产和实验情况，目前单片机在这方面技术还不是很成熟。很多数据采集系统工作时所处的环境较恶劣如：高温、高压、高酸、高碱等，这些都会对数据采据集系统的运行和寿命产生影响，需进一步提高单片机数据采集系统的抗环境的能力。基于单片机的数据采集系统正朝着高精度、高采样速率、远距离通信、低功耗、高性价比、高可靠性和抗恶劣环境方向发展。参考文献：1. 沈兰荪.数据采集与处理M.北京：能源出版社，1987.2. 赵晓安,耿恒山,杨鹏等.MCS-51单片机原理及应用M.天津：大学出版社,2001.3. 赵伟强 .Protel 99 SE教程M. 北京：人民邮电出版社,2004.4. 池之恒. Protel DXP电路原理图与电路板设计教程M.北京：海洋出版社,2004.5. 康华光.电子技术基础（数字部分）M.北京：高等教育出版社,2000.6. 康华光.电子技术基础（模拟部分）M.北京：高等教育出版社,1999.7. 赵栩龙.基于DSP和单片机的数据采集与处理系统的设计D.北京.北京服装学院硕士学位论文,2005.8. 8-Bit Microcontroller with 2K Bytes Flash，AT89C2051. ATMEL, 19979. .聂思敏,孟仁周.用于PC机前端的单片机温度数据采集系统J.安顺师范高等专科学校学报，2006.12.3.工作进度及具体安排。11.12.8