基于单片机的多点采集系统设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名 ： 学 号： 学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院 电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 基于单片机的多点采集系统设计指 导 教 师 : 2013年 03月 18日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一、本课题研究的目的及意义随着科学技术的进步，在生产和科学实验当中，常常要采集很多参数，例如温度压力、转速等。数据采集是获取信息的重要途径。在生产过程中,应用数据采集这一系统可对生产现场的参数进行采集、监视和记录,以便为提高产品质量、降低成本提供信息和手段 1。在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量的动态信息,是研究瞬态物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要手段之一,它将提高人们对各种瞬态现象进行研究的能力，通常数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感元件转换为电信号，再经过信号的调理、采样、量化、编码、传输等步骤，送至控制器进行数据处理、分析或存储记录的过程 2。同时将数据按要求进行显示或打印。随着计算机技术的快速发展数据采集在工业生产中迅速地得到应用。温度是工业生产中常见的工艺参数，与许多物理和化学变化密切相关。大部分电子元器件特性受温度影响会有一定程度的变化，甚至会因温度变化而使仪表一些部件不能正常工作 3。对温度的采集一直以来在各行各业都受到非常高的重视。然而传统的对温度的采集方法通常是使用专用的仪表人为的观测、记录处理数据、做出判断。但是，专用的这些仪表通常价格昂贵，外围电路比较复杂，采集精度受所选设备影响。因而传统的检测与控制越来越不能适应社会的要求。本文设计是一种基于AT89S51的多点温度采集系统。该系统采用的是由单片机AT89S51，温度传感器MAX6675，数模转换等组成一个完整的数据采集系统AT89S51器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，它具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。每种器件都可在工业温度范围(-40到+85)内用2.0V -2.75V的电压工作(使用片内稳压器时电源电压可达5.25V) 4。MAX6675可以方便的实现温度的采集，很轻松的组建传感器网络能方便的进行数模转换，滤波电路能够克服干扰信号 5。本文设计的多路温度采集系统能降低系统开发时间和成本、缩小设备体积、提高系统可靠性和电气性能指标 6。能够实现对多点的温度进行实时采集和显示同时其具有抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场采集的优点。二、国内外研究现状及趋势国外对多点采集系统技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表采集现场信息并进行指示、记录和控制。70年代末出现的多点采集系统的是近代采集技术发展史上的一个重要里程碑，多点采集系统的诞生标志着采集系统正式形成了通用计算机采集系统和嵌入式计算机采集系统两大分支。在不断的完善通用操作系统的过程中，多点采集系统在数据处理，模拟仿真，人工智能等方面得到了广泛的应用 7。80年代末出现了利用单片机组成的分布式多点采集系统。目前国外正开发和研制基于单片机的多点多因子综合采集系统 8。计算机技术的发展已经在采集系统中得到了广泛的应用，随着设备向小型化智能化发展，作为高新技术之一的多点采集系统以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出了很强的生命力 9。进入21世纪以来，开发推出多点采集系统的公司很多，各种高性能多点采集系统的市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使多点采集系统的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高 10。台湾凌阳科技公司最近推出了一种新型多点采集系统。该系统的问世使得多点采集系统的科技含量及应用跃上一个新的台阶 11。世界各国利用单片机的多点采集系统发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展 12。多点采集系统在国内的三大领域中应用得十分广泛：第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表 13。除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是多点采集系统应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题 14。我国对多点采集系统技术的研究较晚。我国工程技术人员在吸收发达国家多点采集系统技术的基础上，才掌握了室内多点采集系统技术，该技术仅限于对单项环境因子的采集 15。我国多点采集系统设施计算机应用，在总体上正从消化吸收简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展 16。在技术上，以单片机为核心的单参数单回路系统居多，少有真正意义上的多参数多点采集系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国多点采集系统现状还没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们国内的多点采集系统的发展经历了三个阶段：第一阶段为动圈式仪表多点采集系统，显示精度差不能满足工业对采集的要求；第二阶段为数字式多点采集系统，精度有所提高但精度低，反应不灵敏；第三阶段为智能型多点采集系统，其带有特有的程序，采集精度高减少了误差。随着现代工业的发展，对多点采集系统的要求也越来越高，采集的环境也越来越复杂。国内外很多多点采集系统都利用有线通信，因此，在实际空间上具有局限性。另外，多点采集系统多采用热电偶，热电阻铂电阻和集成电路MAX6675等作为传感器 17。这些传感器输出均为模拟信号，需经过放大电路和AD转化才能实现与单片机的通信。美国DALLAS公司生产的单总线式集成芯片DS18B20可以直接提供单片机接收的数字温度信号 18。现在国内已开始出现一种基于单片机和DS18B20温度传感器为基础的无线多点采集系统，该系统能够有效克服地理条件的限制，是现今国内多点采集系统发展的一个新方向 19。参考文献：1 马明建, 周长城. 数据采集与处理技术,西安交通大学出版社,20002 赵茂泰. 智能仪器原理及应用. 电子工业出版社,19993 金建华等. 一种基于串行口的数据采集板的设计. 电子技术应用,1998 4 何立民. 单片机应用系统设计. 北京航空航天大学出版社,19945 肖忠祥. 数据采集原理M. 西安：西北工业大学出版社,2001:1-20.6 李海真, 孙运强, 许鸿鹰. 高精度多路温度采集模块硬件电路设计J. 电子测试，2008 (12) :58-64.7 曹俊琴, 冯家鹏. 基于单片机的多通道温度精确采集系统设计J. 机械工程与自动化, 2008 (2):17-188 潘琢金译. AT8951 混合信号ISP FLASH微控制器M. 北京：新华龙电子有公司, 2003 :1-130.9 张迎新, 雷 文, 姚静波. AT89S51系列SOC单片机原理及应用M. 北京：国防工业出版社, 2005 :80-200.10 莫力. Protel 电路设计M. 北京：国防工业出版社,2005 :5-60.11 潘峥嵘 , 郭凯, 张岩, 陈晓宇. 基于AT89S51单片机抽油机数据采集模块的研究与实现 J. 计算机工程与设计, 2009 ,30(20) :4596-4598.12 李华伟. 基于AT89S51的气象数据采集系统J. 兵工自动化,2009 ,28(7) :75-76.13 李刚, 林凌. 与8051兼容的高性能、高速单片机AT89S51. 北京航空航天大学出版社,199814 徐爱钧, 彭秀华. 单片机高级语言C51 应用程序设计. 电子工业出版社,200215 贾振国. MAX6675及高精度温度采集的实现，电子技术应用，2000.1，P9-P1416 汪吉鹏, 马云峰.微机原理与接口技术，高等教育出版社，2001.7，P44-P5617 Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated CircuitsM. 2001 18 V. Yu. Teplov，A. V. Anisimov. Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier EffectJ ，2002 19Yeager Brent.How to troubleshoot your electronic scaleJ. Powder and Bulk Engineering. 1995毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本设计主要用于解决多点的温度的采集问题，通过keil，protues等软件以及温度传感器实现编程和仿真。对于硬件主要解决的问题以及解决的途径包括以下内容:(1)元器件的选择。设计选用AT89S51单片机，MAX6675温度传感器，模数转换器运算放大器，数码显示管，滤波器，采样保持器。(2)电路图的设计以及PCB板的设计。通过protues和protel进行电路图的绘制和PCB板的设计，其中protues软件具有强大的电路图绘制与仿真功能。(3)对硬件设计的仿真。通过仿真软件protues将仿真元件参照设计构成仿真电路，通过仿真检验设计的缺陷。硬件设计总体思路是以AT89S51为核心，包含温度传感器MAX6675,运算放大器，滤波器等相关组件组成的多路温度采集系统。通过温度传感器获取温度变化并将温度的变化转化为连续的模拟信号通过运算放大器将小信号进行放大，再通过滤波电路去除干扰信号，采用多路模拟开关可以选择采集哪路信号以达到采集多路信号的目的。相连的是模拟通道的转换部分，它包括采样保持和AD转换电路。采样保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高AD转换器的转换精度，采样保持器输出的信号送至AD模数转换器转换后，将采集数据送单片机进行分析理，单片机执行相应的操作，将采集结果通过数码显示管进行显示。系统原理框图如图1所示:图1 系统原理框图 对于软件主要解决的问题已经解决的途径包括以下内容：温度显示传感器 前置放大器滤波器采样保持器 传感器 前置放大器单片机处理数模转换多路摸拟选择开关滤波器(1)程序流程图的设计。参照设计要求绘制程序流程图草图，不断完善和简化草图并绘制最终流程图。 (2)主程序编写。主程序采用汇编语言，根据程序流程图，通过keil编写主程序在keil中对主程序进行编译和调试，纠正语法错误。(3)通过仿真观察是否能实现预期功能，查找和修改通过仿真显露出来的问题。软件设计的总体思路是以AT89S51单片机的软件开发环境为基础，用汇编语言实现软件编程。主程序通过循环不断检测各输入引脚数据，并通过显示子程序将各引脚的数据显示到数码显示管上。主程序主要完成系统初始化状态指示操作控制和参数设置启动A/D转换等.系统程序流程图2所示：图2 系统程序流程图YN启动温度采集调用显示程序显示启动温度报警将温度送入处理器是否超过最高温度设定值系统初始化上电复位毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：目前，为了适应各种嵌入式系统的应用需求，单片机将向着高度集成，增强性能，提高速度，降低成本和功耗等方向发展。又因为它构成的应用系统具有体积小、成本低、使用灵活、性能好、易于产品化等特点，所以单片机