【正文】 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計序言隨著計算機技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、傳感器技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如：在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本提供信息和手段；在科學(xué)研究中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信號，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲得科學(xué)奧秘的重要手段之一?？傊徽撛谀膫€應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集與處理越及時，工作效率、性能價格比就越高，取得的經(jīng)濟效益就越好?？傊瑪?shù)據(jù)采集是工、農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)[1]。數(shù)據(jù)采集是工、農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，在醫(yī)藥、化工、食品、等領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，往往需要隨時檢測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時，還要對某一檢測點任意參數(shù)能夠進行隨機查尋，將其在某一時間段內(nèi)檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來，以便進行比較，做出決策，調(diào)整控制方案，提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。本畢業(yè)設(shè)計對一種多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了初步的研究，該多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能對多路模擬信號進行采集和處理。系統(tǒng)以89C51為控制單元核心，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0809完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，結(jié)合單片機RS232串口功能，實現(xiàn)八路信號的采集、存儲、顯示及與PC機通信等功能，形成了良好的人機界面。 第1章 緒 論 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹隨著工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集勢必將得到越來越多的應(yīng)用，為適應(yīng)這一趨勢，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學(xué)研究中，運用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，也是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和生成知識的重要手段之一?？傊徽撛谀膫€應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理將直接影響工作效率和所取得的經(jīng)濟效益。 此外，計算機的發(fā)展對通信起了巨大的推動作用。算機和通信緊密結(jié)合構(gòu)成了靈活多樣的通信控制系統(tǒng)，也可以構(gòu)成強有力的信息處理系統(tǒng),這樣對社會的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。數(shù)據(jù)通信是計算機廣泛應(yīng)用的必然產(chǎn)物[2]。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴(yán)格的意義上來說，應(yīng)該是用計算機控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實行存儲、處理、分析計算以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個部分組成。輸入通道要實現(xiàn)對被測對象的檢測，采樣和信號轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存儲與管理要用存儲器把采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并進行管理和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關(guān)干擾噪聲，無關(guān)信息和必要的信息，提取出反映被測對象特征的重要信息。另外，就是對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以便于檢索；或者把數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來物理量的形式，以可輸出的形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出，例如打印，顯示，繪圖等。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问竭M行輸出和顯示。 由于RS232在微機通信接口中廣泛采用，技術(shù)已相當(dāng)成熟。在近端與遠端通信過程中，采用串行RS232標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)PC機與單片機間的數(shù)據(jù)傳輸。在本畢業(yè)設(shè)計中對多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作了初步的研究。本系統(tǒng)主要解決的是怎樣進行數(shù)據(jù)采集以及怎樣進行多路的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳至計算機[2]。 設(shè)計思路多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)采集單元和AT89C51單片機來對它們進行控制,不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點,而且可以大幅度提高采集數(shù)據(jù)的靈敏度及指標(biāo)。通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)單片機與PC機的異步串行通信，設(shè)計中的HD7279實現(xiàn)了鍵盤控制與LED顯示顯示功能。本文設(shè)計了一種以AT89C51和ADC0809及RS232為核心的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是通過鍵盤控制選擇通路，將采集到的電壓模擬兩轉(zhuǎn)換成數(shù)字量實時的送到單片機里處理從而顯示出采集電壓和地址值，最終控制執(zhí)行單片機與PC機的異步串行通信。連接好硬件后，給ADC0809的三條輸入通路通入直流電壓。4F鍵為功能鍵，4E鍵為復(fù)位鍵，F(xiàn)鍵為確認(rèn)鍵。1－3鍵為通道選擇鍵，分別采集三個通道的數(shù)據(jù)值并實時顯示出數(shù)值和地址值。結(jié)合單片機RS232串口功能還實現(xiàn)了與PC機的異步串行通信功能。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路由AT89C51單片機最小系統(tǒng)、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、HD7279鍵盤控制與LED顯示電路、RS232串行通信電路四部分組成。該電路采用AT89C51單片機最小化應(yīng)用設(shè)計，ADC0809接成的是總線方式電路，P0口是作為系統(tǒng)擴展的地址總線口，其端口總線地址為7FFFH。圖11 系統(tǒng)硬件方框圖 各硬件模塊的功能 ：把ADC0809采集過來的數(shù)據(jù)進行處理實現(xiàn)實時的顯示并能實現(xiàn)與PC機的串行通信2. A/D采集：將采集到得模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量：選擇數(shù)據(jù)采集的通路及控制功能：顯示通路地址值、電壓值：結(jié)合單片機RS232串口功能，實現(xiàn)八路信號的采集、存儲、顯示功能 系統(tǒng)設(shè)計方案；；；，并實時顯示測量數(shù)據(jù)。 方案論證針對上述設(shè)計要求，有兩種方案可供考慮：方案一：采用鍵盤/顯示芯片HD7279A，在一塊印制板上能夠同時實現(xiàn)按鍵和顯示功能。獨立的單片機最小系統(tǒng)，采集模塊采用ADC0809及外圍電路構(gòu)成。串行通信采用RS232標(biāo)準(zhǔn)，芯片MAX232實現(xiàn)了接口轉(zhuǎn)換[3]。方案二：采用單片機最小系統(tǒng)、4*4矩陣鍵盤電路、單獨顯示電路、采集模塊采用ADC0832及外圍電路構(gòu)成。串行通信采用RS458標(biāo)準(zhǔn)，芯片MAX487實現(xiàn)了接口轉(zhuǎn)換。經(jīng)過以上兩種方案的比較，方案一具備了以下優(yōu)點：（1） 硬件資源使用方便，便于調(diào)試，減少了出錯的概率；（2） 程序比較簡單，模塊化，方便檢查；（3）RS232是常用的的一種物理接口標(biāo)準(zhǔn)且適合短距離（大概十幾米）。（4）ADC0809是八通道輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換精度和速度在本設(shè)計中是完全達到要求的。綜上所述，本設(shè)計中采用方案一來實現(xiàn)其功能。第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)硬件設(shè)計電路包括：鍵盤/顯示芯片HD7279A，在一塊印制板上能夠同時實現(xiàn)按鍵和顯示功能；獨立的單片機最小系統(tǒng)、采集模塊采用ADC0809及外圍電路構(gòu)成、串行通信采用RS232標(biāo)準(zhǔn)、芯片MAX232實現(xiàn)了接口轉(zhuǎn)換。 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計圖21 單片機最小系統(tǒng)電路圖單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計是本設(shè)計的核心,通過其外圍電路實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理及各種控制功能。它要正常工作必須具備3個條件：首先供電要正常，其次是復(fù)位電路和晶振電路要工作正常[4]。電源與接地端AT89C51單片機的40腳為電源端，接+5V的電源；20腳為接地端。由于只需訪問AT89C51的內(nèi)部程序存儲器，故/EA接+5V。復(fù)位電路復(fù)位電路使單片機初始化操作，作用是使CPU和系統(tǒng)中其它部件在通電的瞬間都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。本系統(tǒng)采用人工復(fù)位電路，在RESET端接一個按鈕與電容并聯(lián)至Vcc(+5V)和一個電阻至接地端。這樣按一下開關(guān)就會在RESET端出現(xiàn)一段時間的高電平，至使器件復(fù)位。晶振就電路圖中Y1為12MHz晶振，CC2為20pf瓷片電容。晶振主要是決定所產(chǎn)生的時鐘頻率，電容CC2的作用有兩個：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率f起微調(diào)作用。 鍵盤/顯示電路設(shè)計圖22 HD7279鍵盤、顯示電路圖按鍵是控制數(shù)據(jù)采集通道的選擇，數(shù)碼管能顯示出采集通道和數(shù)據(jù)值。HD7279的4個使能端、clk、dat、接單片機的4個口,用來控制芯片接受及發(fā)送鍵盤值。Dig0—dig7 為位選端，數(shù)碼管的哪一位點亮需由寫控制字來判斷。Dip、a—g為字型碼端，它與數(shù)碼管的字型碼端相連[5]。 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計圖23 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖圖所示為ADC0809與單片機80C51的一種接口電路。采用線選法規(guī)定其端口地址，因此端口地址為7FFFH.。片選信號和WR信號一起經(jīng)“或非”門產(chǎn)生ADC0809的啟動信號START和地址所存信號ALE，片選信號和RD信號一起經(jīng)“或非”門產(chǎn)生ADC0809的輸出允許信號OE。OE=1時選通三態(tài)門使輸出所存器的轉(zhuǎn)換結(jié)果送入數(shù)據(jù)總線。ADC0809的 EOC 信號經(jīng)反相后接到80C51的INT1引腳用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換完成的中斷請求信號。ADC0809芯片的3位模擬量輸入地址碼輸入端A 、B 、C分別用矩陣鍵盤控制[5]。 RS232串口通信電路設(shè)計圖24 RS232串口通信電路設(shè)計單片機與PC機之間不能直接進行通信，收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，由于RS232信號在正負(fù)電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在5～15V電平。發(fā)送電平與接收電平的差為2V至3V左右，MAX232實現(xiàn)了其串口電平轉(zhuǎn)換功能[7]。 電路元器件說明與選用 AT89C51單片機AT89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖如下圖25所示：圖25 MCS51單片機結(jié)構(gòu)框圖AT89C51是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4KB快閃可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Eraseable Read Only Memory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，并且與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容[8]。單片機內(nèi)部包括有中央處理器CPU、時鐘電路和中斷控制電路、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、并行口、定時器以及特殊I/O部件，CPU通過內(nèi)部部件總線和其余的模塊相連。中央處理器（CPU）是單片機的核心部件，它由運算器、控制器、中斷部件、時鐘和定時控制邏輯等組成。CPU控制數(shù)據(jù)的處理和整個系統(tǒng)的各種操作。不同系列的單片機具有不同功能特性的CPU和指令系統(tǒng)，在運算速度、中斷、實時控制功能等方面差別很大，CPU及其指令系統(tǒng)的功能決定了單片機主要的功能技術(shù)指標(biāo)。從編程的角度看，AT89C51的CPU對用戶開放的寄存器主要有以下幾個：累加器ACC、寄存器B、程序計數(shù)器PC、數(shù)據(jù)指針DPTR（由DPH和DPL兩個8位寄存器組成），程序狀態(tài)寄存器PSW、堆棧指針SP。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809 圖26 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、原理圖1. 基本結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。輸入輸出與TTL兼容。 ADC的功能是將輸入模擬量轉(zhuǎn)換位與其成比例的數(shù)字量，它是智能化測量控制儀表的一種重要組成器件。按其工作原理，有比較式、積分式以及電荷平衡（電壓—頻率轉(zhuǎn)換）式等。在實際使用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選用合適的ADC芯片。不同的芯片具有不同的聯(lián)結(jié)方式，其中最主要的輸入、以及控制信號的聯(lián)結(jié)方式。從輸入端來看，有單端輸入的，也有差動輸入的。差動輸入有利于克服共模干擾。ADC芯片的啟動轉(zhuǎn)換信號有電平和脈沖兩種型式。設(shè)計時應(yīng)特別注意，對要求用電平啟動轉(zhuǎn)換的芯片，如果在轉(zhuǎn)換過程中撤去電平信號，芯片將停止轉(zhuǎn)換而得到錯誤的結(jié)果[9]。ADC轉(zhuǎn)換完成后，將發(fā)出結(jié)束信號，以示主機可以從轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)。結(jié)束信號也用來向CPU發(fā)出申請。CPU響應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)子程序中讀取數(shù)據(jù)。也可用延時等待和查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的方法來讀取數(shù)據(jù)。 2 . 主要特性ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將ABC 三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B 和C 為地址輸入線，用于選通IN0－IN7 上的一路模擬量輸入通路。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 鍵盤/顯示芯片HD7279A 圖27 HD7279芯片實物、原理圖1. 基本特性HD7279是一片具有串行接口，可同時驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片。該芯片同時還可以連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。它的主要特點是串行接口，各位獨立控制譯碼、不譯碼且有消隱和閃爍屬性；通過左移、右移指令能方便地實現(xiàn)顯示數(shù)碼的左、右移動及循環(huán)移動。內(nèi)含64鍵鍵盤控制接口及去抖動電路。IHD7279的工作性能和控制指令HD7279采用串行方式與微處理器通訊。串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步，當(dāng)片選信號變?yōu)榈碗娖胶?，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279的緩沖器。 HD7279內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收BCD碼獲16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。 HD7279具有片懸信號，可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示。2. 典型應(yīng)用HD7279A典型