16路远程数据采集系统的设计与应用

1、16路远程数据采集系统的设计与应用学生姓名：孙环宇系. 专业：电子信息工程班级学号：指导教师：仲丛久毕业设计起止年月2004年3月至2004年7月/B摘要数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的毕不可少的的桥梁有着非常重要的作用。本文介绍的重点是数据采集系统。硬件部分是以单片机为核心，还包括模-数转换模块，显示模块，和串行接口部分，还有一些简单的外围电路。模-数转换模块，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换。显示模块是显示采集量。串行接口部分，实现单片机与PC机之间的双机通讯。软件部分，主要是应用汇编语言和VB进行编程，还涉及到SQL server数据库的建立。编程时要用尽量少的语句，实现系

2、统的功能。关键词：模-数转换 传感器 LED 单片机AbstractIn the computer control system, the data all begins with the forms of obtaining the numbers as fast as possible, as exactly as possible and as perfectly as possible. So the data collecting system plays a very important role as a necessary bridge of communicating sim

3、ulating area and number area.This article is mainly about the number collecting system. The hardware is with the single piece machine as its key point and it also includes the changing mode of model-data, demonstrating mode of data, the connecting part of the changing column and some simple surround

4、ing electric circuit. The mode of model-data transformation achieves the transformation using the collecting data from model to number. The demonstrating mode shows the collecting data immediately though the single piece machine. The connecting part of the changing column can connect the single piec

5、e machine and the distant PC machine then it can realize the demonstration of the data.The part about the software is mainly about using organization languages and VB to edit the procedure. Use the least languages to edit the procedure and achieve the system functions.Key word: ADCLED 目录前言第一章课题分析与方案

6、论证1.1 课题分析1.2 方案论证第二章硬件电路设计2.1 AT89C512.1.1 单片机2.1.2 AT89C51的接口2.1.3 时钟信号2.1.4 复位电路2.2 模-数转换模块2.2.1 MC14433基本特点、引脚排列和功能2.2.2 工作原理 2.2.3 MC14433和单片机的接口2.3 数据显示模块2.3.1 LED数码管2.3.2 显示方式2.3.3 显示部分电路图2.4 串行接口部分2.4.1 概述2.4.2 串行通讯的接口标准2.5 电路图第三章软件系统设计3.1 单片机程序设计311 单片机控制程序的设计思想312 单片机中断调用程序3.2 串口通讯设计3.3 数据

7、库的设计3.4 程序界面设计第四章调试过程4.1 调试过程中遇到的问题第五章经济效益分析结束语附录1 器件清单附录2 参考文献附录3 电路原理图附录4 程序清单前言现代测量中，远距离多路测量已成为日益重要的一种测量技术。现在多路测量已广泛应用于粮库、油田、矿井以及饭店等需要同时监控多路温度、湿度、瓦斯含量等的场合.本文介绍的是16路远程数据采集系统的设计与应用，这个系统的基础是数据采集系统。本文先对数据采集系统做简单的介绍，然后根据此次毕业设计的要求，使数据采集系统在功能上具体化，细致化，实现16路远程数据采集系统的设计要求。本系统可以实现对16路输入模拟信号的采集，然后根据需要将16路模拟信

8、号中的任一路信号进行模-数转换，并通过串行接口，在远端的PC机上显示出来。这样就实现了16远程数据采集系统的功能要求。本文采用AT89C51作为核心控制部件，它功能比较齐全，可以满足系统设计的需要。单片机控制数据的采集，显示，传输，它是整个系统的核心。本系统由传感器，信号调理电路，多路切换电路，A/D转换，单片机，LED显示，串行接口，远端PC显示，这几部分组成。系统的硬件部分，将分重点的在第二章里做详细介绍。系统的软件部分，主要用汇编语言和VB，还涉及到一些SQL server数据库建立的一些简单内容。软件部分包括单片机程序设计，串口通讯的设计，数据库设计。软件部分的内容将在第三章里做介绍。

9、本文还介绍系统的调试以及经济效益分析，这些内容将在后面的第四章和第五章里做介绍。这次毕业论文，要感谢指导教师仲丛久老师的指导，并对全文进行了审阅和校对，在此表示忠心的感谢。第一章课题分析与方案论证1.1 课题分析111 数据采集系统在任何计算机测控系统中，都是从尽量快速，尽量准确，尽量完整的获得数字形式的数据开始的，因此，数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的桥梁起着非常重要的作用。70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。因

10、为由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大的提高，系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D，单片机组成。其原理框图如图1-1所示。图1-1数据采集系统原理框图一.信号调理电路信号调理电路是传感器与A/D之间的桥梁，也是测控系统中重要组成部分。信号调理的主要功能是：（1）目前标准化工业仪表通常采用010mA，420mA信号，为了和A/D的输入形式相适应，必须经I/V变换成电压信号。（2）某些测量信号可能是非电压量，如热电阻等，这些非电压量信号必须变为电压信号，还有些信号是弱电压信号，如热电偶

11、信号，必须放大，滤波，这些处理包括信号形式的变换，量程调整，环境补偿，线性化等。（3）某些恶劣条件下，共模电压干扰很强，如共模电平高达220V，不采用隔离的办法无法完成数据采集的任务，因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施，包括地线隔离，路间隔离等等。综上所述，非电量的转换，信号形式的变换，放大，滤波，共模抑制及隔离等等，都是信号调理的主要功能。信号调理电路包括电桥，放大，滤波，隔离等电路。根据不同的调理对象，采用不同的电路。电桥电路的典型应用之一就是热电阻测温。用热电阻测温时，工业设备距离计算机较远，引线将很长，这就容易引进干扰，并在热电阻的电桥中产生长引线误差。解决的

12、办法有：采用热电阻温度变送器：智能传感器加通讯方式连接：采用三线制连接方法。信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度要求（失调及失调温漂），速度要求（带宽，上升率），幅度要求（工作电压范围及增益）及共模抑制要求。常用于前置放大器的有A741，LF347（低精度）：OP-07（中精度）：ICL7650（高精度）等。滤波和限幅电路通常采用二极管，稳压管，电容等器件。用二极管和稳压管的限幅方法会产生一定的非线性且灵敏度下降，这可以通过后级增益调整和非线性校正补偿。此外，由于限幅值比最大值输入值高，当使用多路开关时，某一路超限时可能影响其他路，需要选用优质模拟开关如AD7501。 共模电压的

13、存在对模拟信号的处理有影响。高的共模电压会击穿器件，即使没有损坏器件，也会影响测量的精度。隔离是克服共模干扰影响的有效措施。常用的隔离方法有：光电隔离，采用隔离放大器等。二.多路切换电路通常被检测的物理量有很多个，如果每一通道都要有放大和ADC几个环节就很不经济。而且电路也复杂。采用模拟多路开关就可以使多个通路共用一个放大器和ADC，采用时间分割法使几个模拟开关通道轮流接通。这样既经济，又使电路简单。模拟多路开关的选择主要考虑导通电阻的要求，截止电阻的要求和速度要求。常用的模拟多路开关有CD4501，CD4066，AD7501，AD7507等。为降低截止通道的负载影响，提高开关速度，降低通道串

14、扰，采用多级模拟多路开关来完成通道切换。四.模-数转换器（ADC）ADC是计算机同外界交换信息所必须的接口器件，因为它能考虑指标有：分辨率，转换时间，精度，电源，输入电压范围，工作环境，数字输出特性，价格等。常用的A/D转换器有：AD574，AD0809，TLC2543，MC14433。五.基本微处理系统单片机构成了基本的微处理系统，它完成系统数据读取，处理及逻辑控制，数据传输任务等。选择MSC-51系列单片机。 112 系统设计16路远程数据采集系统的设计与应用，此系统的最前端是传感器，传感器把采集到的模拟信号，经过信号调理电路，对采集到的信号进行适当调整，以适合AD转换器的需要。然后选用2

15、片AD7501模拟开关，形成16路的采集通路。AD转换器采用AD574，它有12位输出可以满足设计需要的精度。AD574把模拟量转换为数字量后输出给单片机，单片机选用8031，并在8031上接LED显示，以显示所选通路的信息。单片机还要对模拟开关，采样保持电路，AD转换器进行控制。这样就可以对16路中的任一通路的采集信号进行AD转换并在LED显示出来。由于PC机配有RS232标准接口，而单片机输出是TTL电平，所以在与PC机双机通讯时，要把TTL电平转换成RS485电平，再转换成RS232电平，这样就可以连接到PC机上，最后在PC机上通过VB编程，实现远端的数据显示。1.2 方案论证一 A/D

16、转换器的选择方案：方案一：A/D转换器采用TLC2543，它是12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换功能。本系统要求转换精度至少是12位以上，TLC2543在转换精度上满足本系统的要求。本系统要求有16路的输入信号，TLC2543有11个模拟通道，因此，为了满足本系统的要求，需要采用两片TLC2543，来完成对16路输入信号中的任一通路进行模数转换。方案二：A/D转换器采用AD574，它具有12位的输出精度，满足本系统的要求，但需要在AD574前置模拟开关，这样可以使系统拥有16路的输入通路，然后通过单片机控制A/D转换器选择16路通路中的任一通路进行模数转换。AD57

17、4的DB0DB11是12个输出端，它与单片机的I/O口相连时较麻烦。方案三：A/D转换器采用MC14433，它满足本系统的要求，但也需要前置模拟开关。MC14433的输出端与单片机相连时，可以直接连接到单片机的I/O口，连接方便。方案一中的需要两片TLC2543，电路麻烦且成本较高。方案二中的AD574价格较高，且在与单片机的I/O口连接时电路复杂。因此本次毕业设计选择方案三中的MC14433，它能满足系统的要求，而且硬件电路设计比较简单。二 串行接口器件的选择：方案一：PC机配有标准RS-232接口，单片机输出的是TTL电平。因此，单片机与PC机之间通讯时，需要电平转换。RS-232电平转换

18、芯片有MC1489，MC1488。MC1488内有三个与非门和一个相反器，供电电压为+15V-15V或者+12V-12V，输入为TTL电平，输出为RS-232电平。MC1489内部有四个相反器，输入为RS232电平，输出为TTL电平。方案二：采用MAX232作为单片机与PC之间通讯的桥梁。MAX232的优点是：一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能：单一电源+5V供电。方案一中的MC1488和MC1489，完成电平转换时电路设计麻烦，比较容易出现错误，而且功能不如MAX232齐全。所以选择方案二中的MAX232作为电平转换的芯片，它不仅在功能上能满足本系统的要求，且电路设计与连接比较简单

19、。第二章硬件电路设计2.1 AT89C51的简要介绍2.1.1单片机 单片机是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU），内存（RAM，ROM，EPROM）和各种输入输出接口（定时器，计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序内存是FLASH工艺的，这种工艺的内存用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低

20、，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。虽然网上有人说AT89c51可以解密，但花费的代价均需万元左右！况且所有的单片机均可解密，只是费用多少的问题。再着，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。因此本系统采用AT89C51。结构框图见图2-1。2.1.2 AT89C51的接口单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换80518751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序内存读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序内存，31脚接高电平（VC

21、C），单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内图2-1 MCS-51结构框图部读取，31脚接地，程序从外部读取。其它无须改动。另外，AT89C51替换8031后因不用外内存，不必安装原电路的外内存和373芯片。AT89C51控制板，CZ1通用并行打印机接口(采用8255I/O口)， CZ2通用键盘显示扳接口， CZ3多功能接口 ，CZ3是一个有带光隔的I/O口.8155计数器输入/输出端的多功能接口。带光隔的I/0口输入输出方向已经确定,使用时如需改变方向则重新连结地地定义,GND(out),GND(IN),GND分

22、别与对应I/O线同时使用。 CZ4为模拟信号输入端及D/A输出端。CZ5工作电源。CZ6通信接口。CZ7程序运行时看门狗的选择，连结为使用看门狗,反之为不使用,这是为了方便用户,提高用户程序运行的可靠性、安全性,防止程序起飞.用户在调试时可不使用,而在脱机运行时可加入看门狗功能。用户可在程序的一个循环中(不超过1.5S)加入以指令:CPLP1.7。本设计采用P3.0,P3.1用于串行接口部分。P0.0-P0.7作为单片机的输出部分，P1.0-P1.7作为单片机的输入部分。2.1.3 时钟信号单片机的晶振经过10分频后获得的一个脉冲源。晶振的频率当然很准，所以这个计数脉冲的时间间隔也很准。一个1

23、2M的晶振，它提供给计数器的脉冲时间间隔是多少呢？就是12M/10等于1.2M，也就是1.2个微秒。2.1.4 复位电路影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分。一. 外因射频干扰它是以空间电磁场的形式传递，在机器内部的导体引线或零件引脚感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减该类干扰。电源线或电源内部产生的干扰，它是通过电源线或电源内的部件耦合或直接传导可通过电源滤波隔离等措施来衰减该类干扰。二. 内因振荡源的稳定性主要由起振时间，频率稳定度和占空比稳定度决定，起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度和电压等，参数影响复位电路的可靠性。复位电路的可靠性

24、设计：复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见电源稳定后，还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。2.2 模-数转换模块模-数转换模块的主要功能是完成从模拟量到数字量的转换。这个模块的核心是A/D转换器。本系统所选用的A/D转换器是MC14433。2.2.1 MC14433基本特点、引脚排列和功能MC14433的输出是采用4条数据线分时输出BCD码和正负极性、欠量程、过量程信号，因此，和微处理器的连接非常方便。MC14433的量程有两档：200.0mV和2.000V。两个量程的基准电压VREF分别是200.0mV和2.000V。芯片内部没有基准电压源，基准电压源需要外接。转换速率为110次/S。具有自动校零功能。MC14433的引脚排列如图2-2所示。各引脚功能如下：VAG：被测电压VIN和基准电压VREF的接地端（模拟地）。VREF：外接输入基准电压（+2.000 V或200.0mV）端。 VIN：被测电压输入端。R1，R1/C1，C1：外接积分电阻R1和积分电容C1元件端。外接元件典型值：a.量程为2V时，C1=0.1F，R1=470K；b.量程为200mV时，C1=0.1F，R1=27K。C01，C02：外接失调补偿电容C0端，