基于单片机的数据采集的硬件设计和软件设计Word文档格式.docx
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20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
[3]
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。
由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。
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。
该阶段的数据采集系统采用模块式结构，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，迅速组成一个新的系统。
[4]
与数据采集板卡相比，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，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。
1.2国内外研究现状
数据采集系统是将模拟信号转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。
它起源于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息技术的发展，数据采集技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会发展的主流方向。
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广泛应用。
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。
[5]
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。
[6]
1.3该课题研究的主要内容内容
数据采集技术主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。
它是对传感器信号的测量与处理,以微机技术为基础而形成的一门综合应用技术。
数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
随着微机技术的发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于各种需要同时监控温度、湿度和压力等场合。
数据采集也是工业控制系统中的重要环节之一,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统中不可缺少的部分,数据采集的特点将直接影响到整个系统。
本设计下位机负责完成模拟数据的采集,从单片机负责完成采集八路数据，并回复主机发送的命令，上位机即主机负责处理接受过来的数字量及显示，主机和从机之间我采用RS-232进行通信。
这样用户就可以在上位机上编写程序对文件中的数据进行有效查询和分析,有利于工业过程的长期正常运行和检查。
该系统采用的是AT89C52单片机，此芯片功能比较强大，能够满足设计要求。
第二章数据采集
2.1数据采集系统
数据采集，又称为数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。
数据采集技术广泛引用在各个领域。
在该系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有：
分辨率、转换时间、转换误差等等。
而单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。
在该系统中采用的是8051系列的单片机。
双机通信的串行口可以采用RS232C标准接口，由芯片MAX232实现双机的通信。
而数据的显示则采用的是LED数码管，该器件比较简单，在生活中接触也较多。
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,单片机等组成。
完成毕业设计所需要的系统框图如图2.1所示：
图2.1系统框图
2.2方案论证
2.2.1A/D模数转换的选择
A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。
位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。
A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。
（1）逐渐逼近式A/D转换器：
它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。
（2）双积分A/D转换器：
它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度比较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。
（3）并行式A/D转换器：
它又被称为flash（快速）型，它的转换数度很高，但她采用了很多个比较器，而n位的转换就需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也很贵，只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。
鉴于上面三种方案，在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐逼近式A/D转换器——ADC0809.
2.2.2单片机的选择
单片机作为一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。
此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路（I/O口），还有可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路（LCD和LED驱动电路）、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机任务。
单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，在用keiluvision2把程序下载到单片机内。
而本设计选用的是AT89C52。
2.2.3串行口的选择
该串行口我选用了标准RS-232C接口，它是电平与TTL电平转换驱动电路。
常用的芯片是MAX232，MAX232的优点是：
（1）一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。
（2）单一电源+5V供电
（3）它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。
2.2.4显示部分
LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。
它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为八段发光二极管数码显示器。
对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位选和段选信号。
LED数码显示有动态扫描显示法和静态显示。
在单片机中，为了节省硬件资源，多采用动态扫描显示法。
2.2.5按键
为实现显示指定的通道电压，需要用到单片机的外部中断0和外部中断1来实现跳转，其原理图如下图2-4-1所示，Q11接到外部中断0（P3.2），Q12接到外部中断1（P3.3）。
当按下按键S3时，给P3.2低电平，启动外部中断0；
当按下按键S3时，给P3.3低电平，启动外部中断1，编写相应的中断服务程序就可以实现功能。
图2.2按键原理图
第三章硬件部分
3.1主机部分
该系统是一个主从式数据采集系统，主机和从机均用单片机实现，它的主机部分负责数据处理和显示，主机和从机之间用RS-232进行通信。
它由AT89C52、MAX232、LED数码显示器组成。
3.1.1主机部分原理图设计
由于主机要对从机有一个命令，所以用到按键，将按键接到单片机AT89C52的P3.4的端口上，按键的一端接地，当P3.4这条I/O线为低电平时，则表示按键处于按下状态。
主机还要负责对采集到的数据进行处理和LED显示，用两个74HC573，一个与单片机AT89C52的P2.7口相连用于位选，一个与单片机AT89C52的P2.6口相连用于段选。
单片机的P0口的8位数据线与用于段选的74HC573的D0~D7相连，用于数码管上具体的数字的显示。
单片机P0口的八位数据线与用于位选的74HC573的D0~D7相连，用于在哪个数码管上显示。
主机跟从机的连接，又涉及到一个串行口双机通信的问题，根据单片机双机通信距离、抗干扰性等要求，选择RS-232C串行接口方法，选择串行口MAX232来连接主机和从机，将MAX232的11、12脚分别与单片机AT89C52的P3.1，P3.2脚相连，再将MAX232上的13、14脚分别与db-9的3、6脚相连。
单片机AT89C52的18、19脚与它的晶振电路相连，第9脚与它的复位电路相连。
其原理图如图3.1所示
图3.1主机部分电路原理图
3.1.2单片机
（1）单片机的概述
单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快。
1971年Intel公司首次宣布4004的4位微处理器，1974年12月Fairchild（仙童）公司即推出了8位单片机F8，开创了单片机的门户。
单片机在我国的应用始于20世纪70年代末，那时我国的科研工作者开始对单片机的应用进行了初期探索，20世纪80年代，单片机在我国得以广泛的应用，各理工科院校陆续开设了有关应用课程。
在教学及应用上，Zilog公司生产的Z80CPU成为我国工业控制的主流，以Z80为CPU组成的TP801单板机在教学上及应用领域发挥过巨大作用。
20世纪80年代末至90年代初，我国在工业控制领域开始转向使用Intel公司生产的MCS-51。
单片机从1976年公布8位机至今不到30年的时间，它没有像微处理器那样从8位、16位，一直发展到32位、64位，8位机目前依然是单片机的主流机型。
但是，它突破了原有的集成结构，在内部继承了越来越多的外围电路和外设接口，从而发展成为控制器（MicroController）的体系结构，其发展历程大致分为以下几步：
第一阶段：
单片机的控索阶段
第二阶段：
单片机的完善阶段
第三阶段：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段
第四阶段：
微控制器的全面发展阶段
单片机有着微处理单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。
总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：
集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。
[7]
器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。
然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。
它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能。
[8]
（2）简介AT89C52
AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
[9]其引脚图，如图3.2所示
图3.2AT89C52的引脚图
它一共有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
综上所述，单片机的引脚特点是：
1、单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。
2、单片机具有四种总线形式：
P0和P2组成的16位地址地址总线；
P0分时复用为8位数据总线；
ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX组成控制总线；
而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。
89C52单片机的主要功能
●兼容MCS51指令系统
●8k可反复擦写（>
1000次）FlashROM
●32个双向I/O口
●256x8bit内部RAM
●3个16位可编程定时/计数器中断
●时钟频率0-24MHz
●2个串行中断
●可编程UART串行通道
●2个外部中断源
●共6个中断源
●2个读写中断口线
●3级加密位
●低功耗空闲和掉电模式
●软件设置睡眠和唤醒功能
3.1.3LED数码显示器的应用原理
LED数码显示器由发光二极管组成，其内部结构如图3.3所示，LED数码显示器有两种连接方式：
（1）共阴极接法：
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。
每个发光二极管的阳极与输入端相连。
如图3.4所示
（2）共阳极接法。
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
如图3.5所示
图3.2LED内部结构图3.3共阴极接法图3.4共阳极接法
为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字的七段，再加上1个小数点位，共计八段。
各段位码位的对应关系如表3.1所示。
[10]
表3.1段位码对应关系
段位码
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位码段
dp
g
f
e
d
c
b
a
3.2从机部分
该系统的从机负责完成A/D模数转换，并回应主机的命令，需要用到ADC0809、AT59C52,由于它们两个的时钟频率不一致，所以还要用到一个74LS74。
3.2.1从机的电路原理图设计
本部分需要对模拟量进行一次模数转换，因此要用到一个ADC0809，又因为它们的时钟频率不一致，需要用到一个74LS74进行一个二分频的工作，这个只要把74LS74的第3引脚和单片机AT89C52的第30引脚相连，把74LS74的第9引脚和ADC0809的时钟信号引脚相连。
单片机AT89C52的P0口和ADC0809的D0~D7相连，而ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC依次和P0口的低三位相连。
其用到的MAX232与主机电路连接方法一样。
其电路图如3.5所示
图3.5从机部分电路设计图
3.2.2单片机之间的通信
（1）串口通信RS-232C
由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。
在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，便于不同的设备连接起来进行通讯。
RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是当前最常用的一种串行通讯接口。
它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全称是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容、各种信号的电平加以规定。
（1）接口的信号内容
实际运用中RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。
RS-232-C最常用的9条引线的信号内容。
见表3.2所示。
（2）接口的电气特性
在RS-232-C中所有信号线的电压均为负逻辑关系。
即：
逻辑“1”，-5—-15V；
逻辑“0”+5—+15V。
噪声容量为2V。
即要求接收器至少能识别+3V的信号作为逻辑“0”，高于—3V的信号作为逻辑“1”。
表3.2常用引线的信号内容
引脚序号
信号名称
符号
流向
功能
2
发送数据
TXD
DTE->
DCE
DTE发送串行数据
3
接收数据
RXD
DTE<
-DCE
DTE接收串行数据
4
请求发送
RTS
DTE请求DCE将线路切换到发送方式
5
允许发送
CTS
DCE告诉DTE线路已接通可以发送数据
6
数据设备准备好
DSR
DCE准备好
7
信号地
信号公共地
8
载波检测
DCD
表示DCE接收到远程载波
20
数据终端准备好
DTR
DTE准备好
22
振铃指示
RI
表示DCE与线路接通，出现振铃
（3）接口的物理结构
RS-232C接口连接器通常使用25芯的DB-25型插头座，一般插头在DCE端,插座在DTE端。
一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。
所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。
两个DB-9的连接如图3.6所示
图3.6两个DB-9的连接图
（4）传输电缆长度
尽管RS-232C标准规定了当码元畸变小于4%时，传输电缆长度应为50英尺。
但在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。
（2）简介MAX232
MAX232芯片是美信公司专门为RS-232标
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