基于单片机的数据采集与传输系统设计文献综述

文 献 综 述 基于单片机的数据采集与传输系统设计 学生： 学号： 专业：电子信息工程 班级： 指导教师： 二 O 一三年四月 1 研究目的及意义 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1。 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；在企业生产过程中，应用数据采集系统可以对生产 现场的工艺参数进行采集、见识和记录，为提高产量、降低成本提供相应信息和 手段。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。 2 数据采集与数据传输系统的概述 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。 - 1 - 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。 21 国内外研究现状 数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行 分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于 20 世纪中期，在过去的几十年 里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步， 采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在 石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。 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。 我国的数字地震观测系统主要采用 TDE-124C 型 TDE-224C 型地震数据采集系 统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可 靠性的 TDE-324C 型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放 大后送至 A/D 数字化，A/D 采用同时采样，采样数据经DSP 数字滤波处理后，变成 数字地震信号。该数据采集系统具备24 位 A/D 转化位数，采样率有50HZ、100HZ、 200HZ。 - 2 - 由美国 PASCO 公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭 新系统，它由 3 部分组成： （1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可 实时采集物理实验中各物理量的数据； （2）计算机接口：将来自传感器的数据信 号输入计算机，采样速率最高为 25 万次/S； （3）软件：中文及英文的应用软件。 受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。 如爱尔兰ACRA 公司 2000 年研发推出的新一代 KAM500机载数据采集系统到了 2006 年。本系统采用 16 位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为 +/-250ns，可以利用方式组成高达 1000 通道的大容量的分布式采集系统1。 22 数据采集与数据传输系统的发展趋势 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1。 现代科技正处在飞速发展阶段，数据采集系统正朝着高精度、高速度、稳定 可靠和集成化的方向发展，开放工作也越来越复杂，当今多数数据采集系统都是 独立系统，只能进行数据的现场采集或存储，不能满足部分应用的需要，迫切需 要接入网络实现远程监控和管理。 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。 23 数据采集与数据传输系统的应用 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 - 3 - 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。 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11。 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11。 3 本论文研究的主要内容 传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持 ,不管采用什么样 的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖 刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准 确的把握。基于数据采集与数据传输系统的广泛应用和其特有的优势，本论文设 计了一个8路数据采集器和一个与主计算机相连的串行数据传输电路，并将数据采 集器与串行数据传输电路合并为数据采集与数据传输系统。能够很好地解决存储 容量有限的问题。 在数据采集方面，该系统能够根据特定的传感器，进行8路数据实时采集；在 数据处理方面能够实现数据的高速采集和传输，对所采集的数据进行分析、计算 和修正，使每组数据达到要求的精度，同时实现按键控制、显示，很好地实现人 机对话功能。该系统主要用在工业现场，能够实现8路数据高速实时采集；能够同 时对多个点进行监测；能够实现工业系统要求，且能够与微机进行通信，可以方 - 4 - 便的实现数据的采集和交换；实现人机对话。 本设计包括（1）数据采集部分； （2）单片机控制部分； （3）数据传输部分； （4）电源电路四大模块。数据采集模块包括传感器、信号放大器、 ADC0809模数 转换电路；单片机控制模块包括中央处理单元和显示电路；数据传输模块包括 RS-232串口电路。 4 总结 数据采集技术是信息技术的重要组成部分之一。信息技术主要包括信息获取、 传输、处理、存储、显示和应用等。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡。 采集板卡不仅安装麻烦，容易受机箱内环境的干扰，而且受计算机插槽数量和地 址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。但是，单片机数据采集系统的出现， 解决了以上的