【正文】 集系統(tǒng)。 該課題研究的主要內(nèi)容 數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一 , 它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等問題。它是對(duì)傳感器信號(hào)的測(cè)量與處理 , 以微型計(jì)算機(jī)等高技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。數(shù)據(jù)采集也是從一個(gè)或多個(gè)信 號(hào)獲取對(duì)象信息的過程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及應(yīng)用 ,數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為非常重要的檢測(cè)技術(shù) ,被 廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控壓力、溫度和濕度等數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)不可缺少的環(huán)節(jié) ,大多 采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的專用單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其控制功能。作為測(cè)控系統(tǒng)至關(guān)重要的部分 ,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是因?yàn)闆]有上位機(jī)的支持 ,所以 無(wú)論使用什么樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ,它都只有有限的存儲(chǔ)容量 ,所以不得不覆蓋刷新歷史數(shù)據(jù) ,這樣一來不利于用戶整體分析數(shù)據(jù) ,因而也不能準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)過程的狀況并做出適當(dāng)?shù)挠?jì)劃。 本系統(tǒng)采用下位機(jī)負(fù)責(zé)模擬數(shù)據(jù)的采集 ,單片機(jī)負(fù)責(zé)采集八路數(shù)據(jù)，并應(yīng)答主機(jī)發(fā)送的命令，上位機(jī)即主機(jī)是負(fù)責(zé)處理接受過來的數(shù)字量的處理及顯示，主機(jī)和從機(jī)之間用 RS485進(jìn)行通信。這樣用戶可以在上位機(jī)上編寫各種程序?qū)ξ募械臄?shù)據(jù)進(jìn)行有效查詢和分析 ,有利于工業(yè)過程的長(zhǎng)期正常運(yùn)行和檢查。該系統(tǒng)采用的是 AT89C52單片機(jī)，此芯片功能比較強(qiáng)大，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 2 數(shù)據(jù)采集總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 （ 1） 將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便處理的數(shù)字量。 （ 2） 對(duì)完成轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行處理。 （ 3） 能夠控制信號(hào)的采集、處理、顯示等。 （ 4） 該系統(tǒng)要具有準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。 （ 5） 給出具體的硬件和軟件。 在系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循以下原則 : （ 1） 為了給硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下基礎(chǔ)，盡可能多地選擇典型電路。 （ 2） 系統(tǒng)外圍設(shè)備的配置要滿足系統(tǒng)的功能要求，留有余地，以便進(jìn)行改進(jìn)。 （ 3） 應(yīng)將硬件結(jié)構(gòu)和軟件相結(jié)合。 （ 4） 系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及簡(jiǎn)介 數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采 集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。 70 年代初，隨著大規(guī)模集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是微處理器及高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的誕生，數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的改變。原來由硬件程序控制器組成的采集系統(tǒng)及小規(guī)模集成的數(shù)字邏輯電路變?yōu)楸挥晌⑻幚砥骺刂频牟杉到y(tǒng)所代替。由微處理器完成程序控制，邏輯操作及大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理，使系統(tǒng)的可靠性和靈活性得到了較大的提高，系統(tǒng)的硬件成本和重建費(fèi)用也得到了較大的降低 [7]。 在本系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而 A/D 是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，它 需要考慮的指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、轉(zhuǎn)換誤差等等。而單片機(jī)是該系統(tǒng)的基本的微處理系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)讀取、處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗械娜蝿?wù)。在該系統(tǒng)中采用的是 8051 系列的單片機(jī)。雙機(jī)通信的串行口可以采用 RS485C 標(biāo)準(zhǔn)接口，由芯片 MAX485 實(shí)現(xiàn)雙機(jī)的通信。而數(shù)據(jù)的顯示則采江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 用的是 LED 數(shù)碼管，該器件比較簡(jiǎn)單，在生活中接觸也較多。 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集八路模擬信號(hào)。由于采集的信號(hào)多種多樣，需要多種轉(zhuǎn)換器把信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)，本文就不不作介紹。系統(tǒng)把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)串口經(jīng)過 TTL 電 平轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到 PC 機(jī)由 PC 機(jī)處理采集的信號(hào)。 其中： AT89C52 ( 主控芯片 ) : CPU 作為該系統(tǒng)的核心控制芯片 , 起采集、控制顯示的作用。 顯示模塊： 采用四位一體共陰 LED 數(shù)碼管用來顯示采集到的數(shù)值。 通信模塊：采用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)間的通信 。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：采用 ADC0809 進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以供給單片機(jī)采集數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)框圖如圖 21 所示： 信號(hào)采集電路A / D轉(zhuǎn)換單片機(jī)R S 4 8 5P C鍵 盤顯 示 圖 21 系統(tǒng)框圖 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 3 硬件部分 信號(hào)采集過程中，被測(cè)量一般由傳感器供給，常為微弱信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由 于此處輸入信號(hào) 多種多樣 ， 不能一一列舉， 所以本文并 未 詳細(xì)討論。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中必不可少。 單片機(jī)基本模塊 單片機(jī)是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計(jì)算機(jī)中的一個(gè)重要的分支。此系統(tǒng)是由 CPU、輸入輸出電路（ I/O 口），還包括定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行通信口、顯示驅(qū)動(dòng)電路（ LCD 和 LED 驅(qū)動(dòng)電路）、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一個(gè)單塊芯片上，構(gòu)成了一個(gè)最小但完善的計(jì)算機(jī)任務(wù)。單片機(jī)要使用特定的組譯和編譯軟件編譯程序，再用 keiluvision2 把程序下載到單片機(jī)內(nèi)。 AT89C52 單片機(jī) 美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C52 是低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 256 bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）和 8K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器 (EEPROM)，器件不僅采用 ATMEL 公司的非易失性、高密度存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，而且兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品的引腳，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元， AT89C52 單片機(jī)的強(qiáng)大功能，能適合于許多比較復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合。因此，在這里我選用 AT89C52 單片機(jī)來完成，它的優(yōu)點(diǎn)很多，比如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、經(jīng)濟(jì)、易于 連接等，特別是其內(nèi)部的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)資源豐富，具有較高的應(yīng)用價(jià)值 [8]。 AT89C52 單片機(jī) 主要 特性 AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) FLASH 閃速存儲(chǔ)器， 256 字節(jié)片內(nèi)RAM， 32 個(gè) I/O 口線，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)， 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行通信口，時(shí)鐘電路及片內(nèi)振蕩器。同時(shí)， AT89C52 降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式。空閑方式體制 CPU 的工作，但允許 RAM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM中的內(nèi)容，但 振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89C52 單片機(jī)的引腳如圖 31 所示 [99]。 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40JP2AT89C52 圖 31AT89C52 單片機(jī)的引腳圖 AT89C52 單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路 的設(shè)計(jì) AT89C52 單片機(jī)為 40 引腳雙列直插芯片 ,有四個(gè) I/O 口 P0,P1,P2,P3, MCS51 單片機(jī)共有 4 個(gè) 8 位的 I/O 口（ P0、 P P P3），每一條 I/O 線都能獨(dú)立地作輸出或輸入。 單片機(jī)的時(shí)鐘電路連接圖如圖 33 所示 ,18 引腳和 19 引腳接時(shí)鐘電路 ,在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器， XTAL1 接外部晶振和微調(diào)電容的一端 ,在片內(nèi)它是高增益反相放大器的輸入 ,XTAL2 接外部晶振和微調(diào)電容的另一端 ,在片內(nèi)它是高增益反相放大器的輸出，所以這樣就構(gòu)成了自激振蕩器。結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求采用內(nèi)部振蕩方式，所選的晶振為 6MHz。 復(fù)位電路是完成單片機(jī)片內(nèi)電路的初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)下開始運(yùn)行。第 9 引腳為復(fù)位輸入端 ,接上電容 ,電阻構(gòu)成上電復(fù)位電路。 另外計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工作的時(shí)候，有時(shí)會(huì)不可避免地受到一些外界的干擾，如電源的波動(dòng)、電磁場(chǎng)的干擾、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾等，這些都可能造成系統(tǒng)“死機(jī)”或程序跑飛，使系統(tǒng)不能正常 工作。對(duì)于事務(wù)處理、辦公自動(dòng)化的應(yīng)用場(chǎng)合，操作者在現(xiàn)場(chǎng)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就馬上進(jìn)行處理，如進(jìn)行復(fù)位操作或關(guān)斷電源重新啟動(dòng)。在單片機(jī)和嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)用的對(duì)象對(duì)可靠性的要求更高，特別在無(wú)人值守、 24 小時(shí)連江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 續(xù)工作的場(chǎng)合，如火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、安全防盜報(bào)警系統(tǒng)等應(yīng)用中，決不允許應(yīng)用系統(tǒng)“死機(jī)”或程序跑飛。這樣，就要求單片機(jī)或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)到并能自動(dòng)重新復(fù)位或啟動(dòng)系統(tǒng)，保障應(yīng)用系統(tǒng)正常工作。為此，在單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)中引入自動(dòng)監(jiān)視技術(shù)，即俗稱的看門狗技術(shù)（ WatchDog）。 看門狗技術(shù)的監(jiān)控思路是：在系統(tǒng)中設(shè)置 一個(gè)定時(shí)器（看門狗定時(shí)器），處理器正常運(yùn)行時(shí)，軟件程序中每隔一定時(shí)間間隔要發(fā)出一條（或幾條）指令，將看門狗定時(shí)器清零，使看門狗定時(shí)器在系統(tǒng)正常工作時(shí)總是不能溢出。一旦處理器“死機(jī)”或程序跑飛，處理器就不能向看門狗定時(shí)器發(fā)出清除脈沖?？撮T狗定時(shí)器就會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出信號(hào)，該信號(hào)和處理器的復(fù)位引腳相連，因此就會(huì)自動(dòng)復(fù)位微處理器，應(yīng)用系統(tǒng)重新啟動(dòng)和繼續(xù)工作。這些操作是系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)和進(jìn)行的，不需要人為干預(yù)，可保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地工作。 在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 89C52利用 P1端口的四條線和看門狗芯片 X5045的 SPI 接 口相連。 89C52 的 連接到 X5045 的 SI 端， 連接到 X5045 的SCK， 連接到 X5045 的 SO 端和 CS/WDI 端， X5045 的 RESET 輸出信號(hào)連接到 89C52 的復(fù)位輸入端 RST 上，電路圖如圖 32 所示 [9]。 CS/WDI1SO2RESET7VCC8VSS4SI5SCK6WP3U5X5045GNDVCC1KR1RST 圖 32 X5045 連接圖 綜上，將時(shí)鐘電路和復(fù)位電路與單片機(jī)相連單片機(jī)控制系統(tǒng)最基本的部分，如圖 33 所示 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 CS/WDI1SO2RESET7VCC8VSS4SI5SCK6WP3U5X5045GNDVCC1KR1Y1C130μFC230μFGNDRXDTXDVCC12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40JP2AT89C52STEOCRD1KR1KR3S10SWPB100pFC2GNDVCC 圖 33 單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 在我們所采集的信號(hào)中大多是連續(xù)變化的物理量，而要對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行處理 ,則需要將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī) 能處理的數(shù)字量， A/D 轉(zhuǎn)換器就是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字量。 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的 種類很多，就位數(shù)來說，可以分為 8 位、 10 位、 12 位和 16位等。位數(shù)越高其分辨率就越高，價(jià)格 也就越貴。 A/D 轉(zhuǎn)換器型號(hào)很多，而其轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換誤差也各不相同。 按模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的原理可以分為 3 種：雙積分式、逐次逼近式及并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器。 (1)逐漸逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器：它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾微秒到幾百微秒。 (2)雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器：它是 一種間接式的 A/D 轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，精度比較高，不足是數(shù)度很慢，適用于系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換度要求不高的場(chǎng)合。 (3)并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器：它又被稱為 flas