机务设备检修数据采集系统设计1

1、目录1、概述11.1开关量的采集 11.2数字量采集与处理 11.3模拟量的采集 22、温度传感器的选择33、单片机硬件电路的设计 43.1 AT89C51与存储器芯片的扩展 43.1.1 AT89C51 芯片的性能及特点 43.1.2 拓展芯片 6116的性能及特点 83.1.3 AT89C51与存储器芯片 6116的扩展 83.2多路开关选择93.3 A/D转换器电路的设计 93.4 MAX232实现串行通信 104、系统软件的设计 124.1 系统主程序 124.2模拟量采集程序124.3 开关量采集程序 134.4 脉冲量采集程序 145、小结14参考文献：15机务设备检修数据采集系统

2、设计1、概述机务设备数据采集是机务设备数据采集与通讯系统的重要组成部分，它与系统硬件相配合，对机务段检修设备的工作进行准确的检测和数据处理，并把检测数 据及时送监控计算机，进入数据库，进行统计、打印和归档,既为保证检修质量提供 了可靠依据，同时也为机务段加强科学管理、提高经济效益、减少物料和工时浪 费、提高检修效率提供了科学手段和工具。本次课程设计的主要内容在于进行机务设备检修数据处理功能模块的设计， 其主要功能在于数据采集，包括 8路开关量、8路模拟量、1路脉冲量的数据采 集。设计原理：根据任务书中提供的数据进行分析和计算， 选择合适的单片机芯 片组成测试、通讯系统，选用 A/D转换器、信号

3、调理电路、锁存器、多路开关选 择器等元件。模拟量的采集需要用传感器对实际物理量进行采集，转换成相关的电压或者电流，经过A/D转换器后输出对应数字量，进入单片机处理并保存在扩 展的存储器中；数字量的采集需进行隔离放大之后将信号输入单片机处理并保 存；脉冲量的采集需对信号进行防抖、放大处理，使输入信号转换成相应的TTL电平。根据连接成型的硬件元件图进行软件设计， 分配口地址并给出每个功能模 块相应的程序段。1.1开关量的采集开关量采集包括事件顺序记录（SOE）型开关量和普通型开关量两种。SOE型开关量信号指事故信号、断路器分合及重要继电保护的动作信号。 监控系统采用中断方式迅速响应这些信号并进行记

4、录优先传递。普通型开 关量信号是指除 SOE型开关量信号以外的那部分开关量信号，包括各类故 障信号、隔离开关的位置信号、设备运行状态信号、手动自动方式选择的 位置信号等。监控系统对这些信号的采集为扫查方式。对开关量信号的处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、 数据有效性合理性判断、启支相关量处理功能（如启支事件顺序记录、发 事故报警、画面自支推出以及自支停机等），最后经格式经处理后存入实时数据库。1.2数字量采集与处理数字量信号主要指水位等BCD码输入量。采用多点开关量并行采集，然后转换为相应模拟量数值。对数字量的处理包括光电隔离、数字滤波、 码制变换、数据有效性合理性判断、标度变换

5、等，以格式化处理后存入实 时数据库。1.3模拟量的采集模拟量分为电气模拟量、非电气模拟量及温度量。对模拟量信号的处理包括回路断线检测、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判断、标 度换算、梯度计算、越复限判断及越限报警，最后经格式化处理后存入实 时数据库。数据采集系统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样 和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来， 建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数 据中，删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特 征的重要信息。另外

6、，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数 据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、 显示、绘图等。在这个过程中主要用到信息采集板，信息采集板包括CPU、RS232讯通接口、RS485通讯网络接口等， 信号采集获得开关量和经过标准 化处理的传感器信号，进行信号采集，并经过数学处理，然后进行图文显 示、储存和网络通讯。系统硬件总体框图如图1所示：图1系统硬件总体框图2、温度传感器的选择传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用于输出的信 号的器件或装置实现测量和控制的首要环节，是测控系统的关键部件。如 果没有传感器对原始被测信号进行可靠的捕捉和转换，测量和控

7、制的任务 都无法实现，因此我们需要对传感器和信号处理电路有一个比较清楚的认 识，并掌握传感器的使用和信号调理电路。在这个模块设计过程中，选择K型热电偶传感器来测量温度，K型热电偶作 为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配 套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0C到1300C范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。 k型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。 K型热电偶丝直径一般为 1.24.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni : Cr=92 : 12，负极（KN）

8、的名义化学成分为：Ni: Si=99 : 3,其使用温度为-2001300C。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛 中和真空中，一般不用于弱氧化气氛。热电偶测温必须由热电偶、连接导 线及显示仪表三部分组成。 图2是最简单的热电偶测温示意图。按图2组成的热电偶蕊及测温电偶丝1，如果将热电偶的热端加热,使得冷、热两端的温度不同，贝恠该热电偶回路中就会产生热电势，这种 物理现象就称为热电现象 （即热电效应）。在热电偶回路中产生的电势由温 差电势和相接触电势两部分组成接触电势：它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。当两种不同的导体A和B相接触时，假设导体A和B

9、的电子密度分别为 Na和Nb并且NaNb则在两导体的接触面上， 电子在两个方向的扩散率就不相同，由导体A扩散到导体B的电子数比从 B扩散到A的电子数要多。导体A失去电子而显正电，导体B获很电子而显负电。因此，在 A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场，这个电场将阻碍扩散运动的继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A的电子数增多，最后达到动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。此电势只与两种导体的性质相接触点的温 度有关，当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接点温度有关。温度越 高，导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子就越多，致使接触面处

10、所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。这样将1产生的温差热电势通过连接导线2在显示仪表3中显示出来。3、单片机硬件电路的设计3.1 AT89C51与存储器芯片的扩展3.1.1 AT89C51芯片的性能及特点该系统采用的是AT89C51 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器 (FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory )的低电 压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可 以反复擦除1000次。该器件采用 ATME

11、L高密度非易失存储器制造技术制 造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控 制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3所示。AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器(FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory )的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读

12、存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器 组合在单 个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版 本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚排列如图 2所示19XTAL1P0.0/AD018P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5RSTP0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9293031PSENALEEAAT89C51P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6

13、/A14P2.7/A15P1.0P1.1P1.2P1.3P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P1.4P1.5P1.6P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP1.7P3.7/RD391 38736221222324252627281011121314151617图3 AT89C51引脚结构主要特性： CS-51兼容 4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0HZ-24MHZ 128X8位内部RAM 128X8位内部RAM三级程序存储器锁定 128X8位内部RAM 32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源

14、可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 下面分别叙述这些引脚的功能。主电源引脚Vcc：电源端。GND:接地端。外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部 振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输 入端。 XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器 时，此引脚应悬浮不连接。 控制或与其他电源复用引脚 RST ALE/PROG，EA/Vpp RST复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高

15、 电平将使单片机复位。 ALE/ PROG :当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁 存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为 振荡器频率的1/6 ）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过 一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG ）。 PSEN :程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外

16、部数据存储器时，这两次有 效的PSEN信号将不出现。 EA/Vpp :外部访问允许端。要使 CPU只访问外部程序存储器（地址为 0000H- FFFFH，则EA端必须保持低电平（接到 GND端）。然而要注意的是， 如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存EA端的状态。当EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPL则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加 12V的编程允许电源Vpp （如 果选用12V编程）。（4） 输入 / 输出弓 |脚 PQO P07, P1.0 P1.7, P2 0 P27 和 P3 0 P3 7。 P0端口（ P0.0P0.7） : P0是

17、一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为 输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动 8个TTL输入，对端口写1时，又可 作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字 节。验证时，要求外接上拉电阻。 P1端口（ P1.0P1.7）: P1是一个带有内部上拉电阻的 8位双向I/O 端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为 有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（ IIL ）。在对Flash编程和程序校验时

18、，P1接收低8位地址。 P2端口（ P2.0P2.7）: P2是一个带有内部上拉电阻的 8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写 1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL ）。 P3端口（ P3.0P3.7）: P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时， 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号

19、拉低的引脚会输出一个电流（IIL ）。在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能。复用功能如表1所列:表2-1 P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INTO （外部中断0）P3.3INT1 （外部中断1）P3.4T0 （定时器0的外部输入）P3.5P3.6P3.78765433.1.2 拓展芯片6116的性能及特点23内存是计算机系统不可缺少少的A0A1 WRA2A3A4 RDA5611623T1 （定时器1的外部输入）DO 9（外部易数据存储器写选通）D3 （外部易数据存储器读选通）7台计算机的内存是指DOD2D5D6

20、D713A8禅件，储器，常用于存和数据。按照存取方式存储器 器（RAM和只读存储等。此系统中只用随机存储器。随机存储器是指计算机可以随意的、个别通过指令中的地址码直接访问的存放处于活动状态的程序CPU能够器（ROM的对各个存储单元进行访问，访问所需的时间基本固定，与存储单元的地 址无关，它的功能主要是存储程序、变量等。可以随时改变并释放内存。 常用的有61系列和62系列。随机存储器的管脚分类：总线部分、电源部 分、控制部分。各引脚功能如图4所示：图4 6116引脚图DoD7 数据线。A0AnJ 地址线，n是地址线个数Vcc，GND 电源线和地线WR写控制线。CS 片选线3.1.3 AT89C5

21、1与存储器芯片6116的扩展扩展图如图5所示:U1TAL118P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2393837XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD63635RSTP0.7/AD7P2.0/A82930PSENALE EAP1.0P1.1P1.2P1.3P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT12223.12425213414D0-D7111333217182710._12_13D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3Q4

22、D5Q5Q7D7OELEU271574LS37361281334251619U1图5 AT89C51与存储器芯片 6116的扩展图3.2多路开关选择该系统用DG508典型的有译码器的多路开关。弓I脚图及其他说明如下:图6 DG508引脚图DG50睬用8脚双列直插式封装，具有8个输入信道，一个输出信道的多路 CMO开关。由三个地址线（A0,A1,A2）及使能端EN的状态来选择8个输入信道之 一与输出端导通。3.3 A/D转换器电路的设计A/D转换器是把模拟信号转换为数字信号的转换装置。AD574A是一种高性 能的12位逐次逼进式 A/D转换器，它同ADC0809一样是常用的 A/D转换器。2K

23、STS27 I3BJHMSEJVi.112/8 2R/C 5ADS74A23 F)B722DB624 DBS图7引脚图转换时间为25卩s，线性误差为土 1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电 压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分构成。12位A/D转换器可以单极性也可以双极性的。单极性应用时，BIPOFF接0V,双极性时接10V。量程可以是10V也可以是20V。2输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10V(IN);输入信号在0V范围内变化时，将输入信号接至20V(IN);所以量

24、化单位相应的就是10V/( 2A12 )和 20V/( 2A12)。三态输出锁存缓冲器用于存放12位转换结果 D ( D=02A12-1 )。D的输出方式有两种，引脚12/8=1时(8的上面有一横杠)，D的D(11)D(0)并行输出；引脚12/8=0时(8的上面有一横杠)，D的高8位与低4位分时输出。逻辑控制。任务包括：启动转换，控制转换过程和控制转换结果D的输出3.4 MAX232实现串行通信在实际的测量和控制过程中，经常需要进行信息的传输和交换。数据传送 的方式可分为并行传输和串行传输，相应的通信总线被称为并行总线和串行总 线。串行传输比并行传输所用的导线数少，传输距离比并行传输要远得多。

25、而且近年来，由于新型串行总线标准如 USB IEEE1394的出现，使串行总线的传输速度有了很大的提咼，因此串行总线的应用越来越广。1C0+16MAX232勺芯片引脚如图8所示。引脚说明如下：32C0-V+4C1 +If6V-1) C0+ C0-、C1+ C1-是外接电容端。5ci-GHD151114T1INT1OUT2) R1IN、R2IN是两路 RS-232C电平信号接收12T2INT2OUT7输入端。10R1OUTRUN133) R10UTR20UT!两路转换后的TTL电平接收9R2OUT肥IN信号输出端，送80C320的RXD接收端。80C320的TXD发送端4)T1IN、T2IN是两

26、路TTL电平发送输入端，接T1OUT T2OUT是两路转换后的发送RS-232C电平信号输出端，接传输线。图8 MAX232芯片5)V+经电容接电源+5V。6)V-经电容接地。通信距离一般不超过15m传输速率小于20kbit/s 。在要求信号传输快、距 离远时，可采用RS-422A RS-485等其他标准通信。采用MAX23芯片的双机串行通信接口电路如图 9所示。从MAX232芯片中两 路发送接收中任选一路连接。请注意其发送与接收引脚的对应，否则可能对元器 件或计算机串口造成永久性损坏。图9 单片机和PC通信集脉冲量（1路）。流程如图10所示ORG0000HLJMPMAINORG0013HLJ

27、MPMNLCJORG001BHLJMPKGLCJORG0100HLJMPMCLCJ图10系统主程序流程图4、系统软件的设计4.1系统主程序根据所设计的数据采集系统：采集模拟量（8路）、采集开关量（8路）、采MAIN:NOPCLR OOHSETB IT1SETB EX1SETB EAMAINO : JB KGLCJSJMP MAINO4.2模拟量采集程序AD574A单片机通过P1 口控制模拟开关DG508的输入通道的选通端 A、B C,按顺序选通8个输入通道，以下是模拟量采集的子程序以及如图10所示的流程MNLCJ:SAMPLE:MOV RO,#38HMOVB，#0HMOVDPTR， #FF2F

28、HMOVXDPTR，AWBZD1:PUSH ACCCLR EAWBZD2 : MOV DPTR, #FF3FHMOVX A, DPRTMOV R0, AMOV DPTR, #FF7FHINC R0MOVX A, DPTRMOX R0, AINC BINC R0CJNE B, #7,WBZD2JX :NOPFH:POP ACCSETB EASETB 00HRETI图10模拟量采集流程图4.3开关量采集程序开关量通过光电耦合器隔离，减小干扰后进入74LS241,然后直接接入AT89C51进行处理,KGLCJ :它的处理程序如下所示。NOPCLRMOVEADPTR,#7DFFHMOVXA,DPTRCPLACJNEA,#80H,KP1LJMPKBS1KP1：CJNEA,#40H,KP2LJMPKBS2KP2：CJNEA,#20H,KP3LJMPKBS3KP3：CJNEA,#10H,KP4LJMPKBS4KP4：CJNEA,#08H,KP5LJMPKBS5KP5：CJNEA,#04H,KP6LJMPKBS6KP6：CJNEA,#02H,KP7LJMPKBS7KP7：CJNEA,#01HESCLJMPKBS8ESC: CLR OOHSETB EALJMP MAINO4.4脉冲量采集程序由于脉冲量可以直接被单片机