电气电子毕业设计323基于RS232的8位数据采集系统有图.docx
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电气电子毕业设计323基于RS232的8位数据采集系统有图
毕业设计（论文）
题 目:
基于RS-232的8位数据采集系统
（电路设计）
【摘要】以AT89C2051单片机为核心，采用串行A/D转换器，设计一个串行数据采集/传输模块。
系统对模拟信号进行现场同步检测信号，经过滤波处理，输入到多路开关，用锁存器和译码器进行地址锁存和译码。
经过模数转换器后，送入单片机。
为使传输的距离增长，提高信号的准确性，采用基于RS-232的芯片，然后再与PC机相连。
【关键词】AD转换数据采集
【Abstract】ToAT89C2051asthecore,usingtheSerialA/Dconverters.Designaserialdatacollection/transmissionmodule.Analogsignalsystemon-sitesynchronousdetectionsignalafteramplificationandfiltering,multi-channelinputtotheswitch,withlatchesanddecoderfordecodingandaddresslatches.AfterAnalogtoDigital,intotheMCU.Toenablethetransmissiondistancegrowth,andimprovingtheaccuracyofsignals,basedontheRS-232chip.thenconnectedwiththePC.
【KeyWords】ADconverterDataAcquisition
目 录
1概述1
2电路工作原理及说明2
2.1电路工作原理2
2.2原理框图3
3信号调理和数据采集各部分电路及元器件介绍4
3．1信号调理电路4
3．2数据采集电路5
3．2．1数据采集保持电路5
3．2．2多路模拟开关7
4AD转换部分电路及元器件介绍9
4.1AD转换器ADC08099
4.1.1A/D转换器的选取9
4.1.2ADC0809内部功能与引脚介绍10
4.1.3ADC0809的时序逻辑12
4.2AT89C2051芯片13
4.2.1AT89C2051的概括功能14
4.2.2AT89C2051的结构15
4.2.3AT89C2051的引脚说明15
4.2.4AT89C2051的振荡器和专用寄存器特性17
5通信电路及元器件介绍17
5.1MAX232芯片17
5.2RS-232接口标准19
5.2.1RS-232串行接口标准……………………………………………………20
5.2.2RS-232的电气特性20
6基于RS-232的8位数据采集系统电路图及其原理说明21
7总结22
8参考文献22
1概述
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。
本文主要介绍了数据采集系统的最新发展、系统并行串行总线接口、系统通信的新技术、国内外常用的数据采集器及不同采集器的特点和存在的问题。
随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。
数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。
同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。
随着工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。
在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。
总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。
此外，计算机的发展对通信起了巨大的推动作用.计算机和通信紧密结合构成了灵活多样的通信控制系统，也可以构成强有力的信息处理系统,这样对社会的发展产生了深远的影响。
数据通信是计算机广泛应用的必然产物。
数据采集系统，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。
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，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。
另外，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物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印，显示，绘图等。
数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。
由于RS-232在微机通信接口中广泛采用，技术已相当成熟。
在近端与远端通信过程中，采用串行RS-232标准，实现PC机与单片机间的数据传输。
在毕业设计中对多路数据采集系统作了基本的研究。
本系统主要解决的是怎样进行数据采集以及怎样进行多路的数据采集，并将数据上传至计算机。
2电路工作原理及说明
2.1电路工作原理（叙述框图的原理）
本课题要求以单片机为控制器，在接受到上位机的命令后，对2通道模拟信号作数据采集并进行8位转换，采集到的数据以中断方式接入内存，并送到上位机，进行处理。
由于信号比较多，计算机不可能把这些信号同时接收，因此需要由多路开关进行通道转换，分时地把信号送到采样/保持器（S/H）、A/D转换器，把模拟量转换成数字量，然后送到计算机。
智能化A/D板中，单片机完成数据的采集、滤波和非线性补偿等，主计算机只将其作为一个I/O口，每隔一定的时间，读其一次数据，因而大大减轻了主机的负担，提高了系统的扩展能力。
这样的智能化A/D板自身就是一个小的数据采集系统。
模拟量输入通道的主要任务就是把被测参数进行采集，并转换成数字量，以便使用微型机进行处理、显示或打印。
完成这一任务的核心部件是A/D转换器。
在选择系统结构时，必须认真考虑以下问题：
参数变化的速率、分辨率、精度和参数的通道数等，根据系统的不同要求，选择不同的结构形式。
单通道的转换比较简单，主要视其变化速度决定是否需要采样/保持器，并根据所要求的分辨率及精度选择合适位数的A/D转换。
多通道的数据转换系统则根据不同的要求，采用不同的结构形式。
正个系统受AT89C2051芯片的控制，定时器用来产生定时信号，因为一般模拟信号的采集都是每隔一段时间进行的，利用AT89C2051的片内定时/计数器配合，用相应的软件就可以完成该功能。
外扩的ROM是用来存放用户程序，也就是系统的控制程序。
串行通信，所传送的各位按顺序一位一位地发送或接收。
在串行通信仅需一到两根传输线即可。
异步方式，串行通信的数据或字符是分为一帧一帧地传送地，在异步通信中，一帧数据先用一个起始位“0”表示字符地开始，然后是5到8位数据即该字符地代码，规定低位在前，高位在后，最后一个停止位“1”表示字符地结束。
由于异步通信每传送一帧有固定格式，通信双方只需按约定的帧格式来发送和接收数据，还能利用校验位检测错误。
通过对地址的选择，对不同的地址，地址开关选通不同的模块，从而达到分布式数据采集。
2.2原理框图
3信号调理和数据采集各部分电路及元器件介绍
数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC或其它设备）组成。
本个课题研究的是以AT89C2051为核心，采用串行A/D转换器，设计一个串行数据采集/传输模块。
这个模块有以下几个重要电路组成：
信号调理电路，多路开关，采样保持电路，串行A/D转换电路，串口通信电路这几个重要部分组成。
3．1信号调理电路
信号调理的任务将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。
对于多通道数据采集系统的输入通道，设置多路选择开关，可降低硬件开销。
如图2所示。
为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出信号过小时，每个通道应设前置放大环节（本课题可不加以考虑）。
3．2数据采集电路
把连续变化量变成离散量的过程称为量化，也可理解为信号的采样。
把以一定时间间隔T逐点采集连续的模拟信号，并保持一个时间t，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号瞬时值的一组方波序列信号，即采样信号。
3．2．1数据采集保持电路
我们在这里为了简便将使用芯片LF398来实现数据采集保持。
LF398集成电路：
它具有采样和保持功能，它是一种模拟信号储存器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。
图3是该器件的顶视图。
各引脚端的功能是：
①和④端分别为VCC和VEE电源端。
电源电压范围为正负5V~正负15V。
②端为失调调零端。
当输入Vi=0,且在逻辑输入为1采样时，可调节
（2）端使Vo=0。
③端为模拟量输出端。
⑤端为输出端。
⑥端为采样保持电容CH端。
⑦端为逻辑基准端（接地）。
⑧端为逻辑输入控制端。
该端电平为1时采样，为0时保持。
LF398内部电路结构原理和典型电路如图4和图5所示。
当8端为“1”电平时，使LF398的内部开关闭合，此时A1和A2构成1：
1的电压跟随器，所以，Vo=Vi，并使CH迅速充电到Vo=Vi，并使CH迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。
当8端为“0”电平时，内部开关断，输出电压Vo。
值为控制端8由“1”跳到“0”时CH上保持的电压，以实现保持目的。
端8的逻辑输入又次为“1”、再次采样时，输出电压跟随变化。
3．2．2多路模拟开关
多路模拟开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其他路断开，从而达到分时进行多通道检测的目的。
理想的多路开关其开路电阻无穷大，而接通时的导通电阻为零。
此外，还需要切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。
①常用的多路开关
Ⅰ 机械触点式多路开关：
这类开关主要有干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器等。
其特点是：
断开电阻大，导通电阻小，寿命长，输入电压，电流容量大，动态范围宽。
主要缺点是：
体积大，切换频率低，在通断时存在抖动现象。
因此一般用于低速、高精度检测系统中。
Ⅱ 模拟集成多路开关：
模拟集成开关是指在一个单片上包含多路开关。
其中采用CMOS工艺的模拟开关最为广泛。
其特点是切换速度快，无抖动。
但其导通电阻较大，输入电压、电流容量较小，动态范围有限，常用于高速且系统体积小的场合。
②选择多路开关时要考虑的参数
Ⅰ 泄露电流：
如果信号源内阻很大，传输的是电流量，此时就更多考虑多路开关的泄露电流，一般希望泄露电流越小越好。
Ⅱ 切换速度：
对于需要传输快速信号的场合，就要求多路开关的切换速度高。
同时要考虑其后级采样保持电路和A/D的速度，开关切换速度只需大于它们的速度即可。
Ⅲ 开关电阻：
断开电阻尽可能大，导通电阻应远小于负载电阻。
否则会使信号衰减。
Ⅳ 在进行精密数据采集和测量时，需考虑模拟开关的传输精度问题，尤其需注意模拟开关漂移特性，因为如果性能稳定，即使开关导通电阻较大，也可以采取补偿措施来消除影响。
但如果阻值和漏电流等漂移很大，将会大大影响测量精度。
由于模拟开关在接通时有一定的导通电阻，在某些情况下，可能会对信号的传递精度带来较大的影响。
作为一种补救，一般应尽可能使负载阻抗大一些，必要时可在负载前加缓冲器。
另外，为了防止两个通道在切换瞬间同时导通情况（多选开关），往往在某一通道断开到后一通道闭合之间加一延时。
当然，这会影响到模拟开关的切换速度。
多路模拟开关地典型应用是与采样保持器和A/D转换器配合，构成多路数据采集通道。
多路模拟开关的设计：
在此课题设计中我们用到的多路模拟开关是CD4051。
如图6所示，CD4051由逻辑转换电路、地址译码电路和CMOS开关等三部分组成，其中S引脚为选通端，只有当S为低电平时，才能选中某一通道，时开关接通。
A2～A0是开关通道输入端，当A2～A0输入000～111时，分别对应0～7通道上的开关处于闭合状态。
通常，S和A2～A0信号由接在CPU数据总线上的一个锁存器提供，这样就可以用输出指令实现通道选择，S端和A2～A0引脚均要求输入TTL电平信号，而各个CMOS开关则要求用CMOS电平控制，逻辑电平控制，逻辑电平转换电路完成TTL电平到CMOS电平的转换，8个I/O引脚I/00～I/07可以作为输入端，这时O/I引脚便作为输出端，开关实现8到1的选择功能。
由于COMS开关可以双向工作，即信号也允许从O/I引脚输入，根据需要，从8个I/O引脚从的某一个输出，实现1——8的分配功能。
该片子有3个电源引脚，其中，Vss通常与系统模拟地相连，Vdd接正电压，Vee接负电压或地。
3．2．374LS373锁存器的工作原理及功能作用
74LS373
芯片介绍：
74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。
G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输入端（1D-8D）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D-8D）的数据锁入1Q-8Q的八位锁存器中。
当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。
373为三态输出的8D透明锁存器,373的输出端O0-O7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引脚说明如下：
D0～D7：
锁存器8位数据输入线Q0～Q7：
锁存器8位数据输出线GND：
接地引脚Vcc：
电源引脚，＋5V有效OE：
片选信号引脚G：
锁存控制信号输入引脚。
4AD转换部分电路及元器件介绍
4.1AD转换器ADC0809
4.1.1A/D转换器的选取
①转换时间的选择
转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。
A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。
通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。
由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。
②ADC位数的选择
A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。
要求精度为0.5%。
对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，其精度
为：
输入为0～5V时，分辨率为：
—A/D转换器的满量程值；
—ADC的二进制位数
量化误差为：
ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。
用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。
③采样-保持
为了能不失真的恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号的频谱中最高频率的两倍，这就是采样定理，即
由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。
实际中采样-保持是做成一个电路。
④量化与编码
模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。
还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。
以上为A/D转换的一般步骤，在本电路中由ADC0809芯片完成。
4.1.2ADC0809内部功能与引脚介绍
分辨率和精度在第一部分中已作了相应的计算和分析。
ADC0809八位逐次逼近式A／D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。
8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。
其内部结构如图7所示。
① .ADC0809主要性能
◆逐次比较型
◆CMOS工艺制造
◆单电源供电
◆无需零点和满刻度调整
◆具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容
◆易与各种微控制器接口
◆具有锁存控制的8路模拟开关
◆分辨率：
8位
◆功耗：
15mW
◆最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）
◆转换时间（
）128us
◆转换精度：
◆ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为10～1280kHz。
典型时钟频率为640kHz
② 引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图8所示。
各引脚的功能如下：
IN0～IN7：
8个通道的模拟量输入端。
可输入0～5V待转换的模拟电压。
D0～D7：
8位转换结果输出端。
三态输出，D7是最高位，D0是最低位。
A、B、C：
通道选择端。
当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。
ALE：
地址锁存信号输入端。
该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。
START：
启动转换信号输入端。
从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。
脉冲宽度应不小于100～200ns。
EOC：
转换结束信号输出端。
启动A/D转换时它自动变为低电平。
OE：
输出允许端。
CLK：
时钟输入端。
ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100μs。
REF（-）、REF（+）：
参考电压输入端。
ADC0809的参考电压为＋5V。
VCC、GND：
供电电源端。
ADC0809使用＋5V单一电源供电。
当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。
在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。
在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。
OE为低电平时，D0～D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。
ADC0809芯片的转换速度在最高时钟频率下为100us左右，速度低，故可以在和CPU接口时要求采用查询方式或中断方式。
A/D转换器一般总是和取样保持电路一起使用，如LF398采样保持器：
单片的模拟集成电路。
采样所得的模拟信号也在同一芯片中保存。
也是暂存，所以A/D转换器一般不需要数据锁存器了。
系统中CPU对A/D转换板的主要操作为：
多通道选择命令、启动A/D转换命令、判断A/D转换是否完成、读A/D转换结果。
这些操作是靠执行对不同端口地址的读/写命令来完成的。
选定通道后，模拟量即为通过采样/保持器AD582的+LOGICIN端，使AD582处于采样状态，其保持电容器CH上的电压随输入的模拟信号的变化而变化，即处于跟随状态。
转换的启动：
进行转换时，要由外部发出启动信号。
逐次比较寄存器和比较器是ADC0809的核心。
4.1.3ADC0809的时序逻辑
如图9所示，启动脉冲START和地址锁存允许脉冲ALE的上升沿将地址送上地址总线，模拟量经C、B、A选择开关所指定的通道送到A/D转换器。
在START信号下降沿的作用下，逐次逼近过程开始，在时钟的控制下，一位一位地逼近。
此时，转换结束信号EOC呈低电平状态。
由于逐次逼近需要一定的过程，所以，在次期间内，模拟输入值应维持不变，比较器要一次次进行比较，直到转换结束。
此时，如果计算机发出一输入允许命令（OE呈高电平），则可读出数据。
ADC0809具有较高的转换速度和精度，受温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功能较低，且带有8路模拟开关，可以直接与微机系统相连，而不需要另加接口逻辑。
也可以单独使用。
所以用于过程控制是比较理想的器件。
4.2AT89C2051芯片
① 它是一种内部含FLASH存储器的特殊单片机。
所谓单片微型计算机，就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口电路都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
② 9系列单片机是ATMEL公司的8位FLASH单片机系列。
这个系列单片机的最大特点就是在片内含有FLASH存储器，在便携式和省电、特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。
③ ATMEL89系列单片机是以8031核构成的，所以，它和8051系列单片机是兼容的系列。
89系列单片机对于一般用户来说，存在下列很明显的优点：
Ⅰ 内部含有FLASH存储器：
因此在系统的开发过程中可以十分容易的进行程序的修改，这就大大的缩短收发周期。
同时，在系统工作过程中，能有效的保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。
Ⅱ 和80C51插座兼容：
89系列单片机的引脚是和80C51一样的，所以，当用89系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换。
这时，不管采用40引脚亦或是44引脚的产品，只要用相同引脚的89系列单片机取代80C51的单片机即可。
Ⅲ 静态时钟方式
89系列单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功能十分有用。
Ⅳ 错误编程也无废品产生
一般的OTP产品，一旦错误变成就成了废品。
而89系列单片机内部用了FLASH存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。
Ⅴ 可进行反复系统试验
用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验：
每次试验可以输入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。
而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断能追随用户的最新要求。
④ 89系列单片机的内部结构和80C51相近：
所含部件有：
①、8031CPU；②、振荡电路；③、总线控制部件；④、中断控制部件；⑤、片内FLASH存储器；⑥、片内RAM；⑦、并行I/O接口；⑧、定时器；⑨、串行I/O接口。
其中在89系列单片机中，AT89C1051的FLASH存储器容量最小，只有1K，内部不含串行接口，RAM只有64GE字节。
4.2.1AT89C2051的概括功能
*和MCS-51产品的兼容
*2K字节可重编程闪速存储器
*耐久性：
1000写/擦除周期
*2.7～6V的操作范围
*全静态操作：
0HZ～24MHZ
*两级加密程序存储器
*128*8位内部RAM
*15根可编程I/O引线
*两个16位定时器/计数器
*六个中断源
*可编程串行UART通道
*直接LED驱动输出
*片内模拟比较器
*低功耗空载和掉电方式
4.2.2AT89C2051的结构
AT89
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