【正文】 摘 要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為溝通模擬域與數(shù)字域的必不可少的橋梁有著非常重要的作用。本文介紹的重點是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了模塊化的設(shè)計，數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了單片機8051來實現(xiàn)，硬件部分是以單片機為核心，還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊，和串行接口部分，還有一些簡單的外圍電路。8路被測電壓通過通用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理，用LCD顯示模塊來顯示所采集的結(jié)果，并將數(shù)據(jù)通過串行口傳輸?shù)絇C機上，MCU與 PC機間的電平匹配采用MAX232接口芯片，由PC機完成數(shù)據(jù)接收和顯示，VB程序編寫了更加人性化的人機交互界面。關(guān)鍵詞：單片機，LCD，模數(shù)轉(zhuǎn)換，串行傳輸ABSTRACT KEY WORDS：前 言在各種測控系統(tǒng)中，往往需要對一些參數(shù)進行測量并送回計算機進行監(jiān)控及處理，因此多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應用于各種測控場合。單片機作為微型計算機的一個重要分支,應用廣泛,對人類社會產(chǎn)生了巨大的影響。Intel公司生產(chǎn)的51系列單片機，由于具有集程度高、處理功能強、可靠性好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于使用等優(yōu)點。在我國已經(jīng)得到了廣泛應用。在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、電力電子、機電一體化方面取得了矚目的成就。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為溝通模擬域與數(shù)字域的必不可少的橋梁地位十分重要?；趩纹瑱C的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全能夠滿足各種測控系統(tǒng)需要，實時性好，應用前景廣闊。對于本設(shè)計而言，其主要任務就是將0～5伏的直流電壓進行測量并送到遠端的PC機上進行顯示。由于采集的是直流信號，對于緩慢變化的信號不必加采樣保持電路，選用了市面上比較常見的逐次逼近型ADC0809芯片，其轉(zhuǎn)換速度快，價格低廉，可以直接將直流電壓轉(zhuǎn)換為計算機可以處理數(shù)字量?？紤]到本系統(tǒng)是采用5伏電池供電，選用了低功耗的LCD顯示器件，以滿足其在終端顯示采集結(jié)果的需求。終端鍵盤控制采用盡可能少的鍵來實現(xiàn)控制功能，為了防止鍵盤不用時的誤操作，設(shè)置了鎖鍵功能，在鍵盤的輸入的消抖方面采用了軟件消抖的方法，以降低硬件的開銷，來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。軟件設(shè)計方面，采用了功能模塊化的設(shè)計思想；鍵盤模數(shù)轉(zhuǎn)換等采用了中斷的方式來實現(xiàn)，大大提高了單片機的效率，實時處理能力。在上位機PC端運用了可視化編程語言VB，界面簡單明了，人機交互性界面好。第一章 課題分析與方案論證在任何計算機測控系統(tǒng)中，都是從盡量快速，盡量準確，盡量完整的獲得數(shù)字形式的數(shù)據(jù)開始的，因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為溝通模擬域與數(shù)字域的橋梁起著非常重要的作用。70年代初，隨著計算機技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是微處理器及高速A/D轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變革。原來由小規(guī)模集成的數(shù)字邏輯電路及硬件程序控制器組成的采集系統(tǒng)被微處理器控制的采集系統(tǒng)所代替。因為由微處理器去完成程序控制，數(shù)據(jù)處理及大部分邏輯操作，使系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大的提高，系統(tǒng)的硬件成本和系統(tǒng)的重建費用大大的降低。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，多路切換電路，采樣保持電路，A/D，單片機組成。 調(diào)理與放大電路：包括：阻抗匹配、放大電路、隔離電路、濾波等電路。（1）阻抗匹配：放大電路與傳感器之間往往存在阻抗不匹配的現(xiàn)象，信號要進入A/D轉(zhuǎn)換器也存在阻抗匹配問題，阻抗不匹配會使信號在傳輸過程中嚴重畸變，導致嚴重檢測誤差，條例過程中必須十分注意阻抗匹配問題，一般阻抗匹配可以由運算放大器組成的跟隨器完成。（2）信號放大電路：是信號調(diào)理電路的核心，一般傳感器輸出的物理信號量值很小，需要通過放大調(diào)理電路來增加分辨率和敏感性，將輸入信號放大為A/D轉(zhuǎn)換所需要的電壓范圍，為了獲得盡可能高的精度，應將輸入信號放大至與ADC量程相當?shù)某潭?。?）信號隔離電路：隔離是指使用變壓器、光電耦合或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)中與測試系統(tǒng)之間傳輸信號，避免直流的電流或電壓的物理連接的一種手段。（a）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所監(jiān)測的設(shè)備可能會有高壓瞬變現(xiàn)象，足以使計算機與數(shù)據(jù)采集板損壞，隔離可使傳感器信號與計算機隔離開，使系統(tǒng)安全得到保障。（b）保證數(shù)據(jù)采集各個環(huán)節(jié)間不受地電位或共態(tài)電壓差異的影響，從而影響測試精度，這是因為在采集信號時，都需要以“地”為基準，如果在兩“地”之間存在電位差，就可能導致地環(huán)路產(chǎn)生，從而導致所采集的信號再現(xiàn)不準確，若這一電位差太大，可能危機測量系統(tǒng)的安全，利用隔離電路的信號模塊可以消除地環(huán)路，并保證準確的采集信號。模擬信號的隔離比數(shù)子信號的隔離難度大的多，成本高，常用的方法是，采用線性光耦或兩個特性幾乎完全接近的普通光耦用特殊的電路實現(xiàn)，另外，直接采用具有隔離作用的儀表放大器也行。（4）信號濾波：幾乎所有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會不同程度的受到來自電源線或機械設(shè)備的50Hz噪聲干擾，因此大多數(shù)信號調(diào)理電路包含低通濾波器，最大限度的剔除50Hz或60Hz的噪聲。交流信號（如振動）則往往需要防混淆濾波器，防混淆濾波器是一種低通濾波器，具有非常陡峭的截止頻率，幾乎可以將頻率高于采集板輸入信號帶寬的信號全部剔除；若不除去，這些信號將會錯誤的顯示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入帶寬內(nèi)的信號。 多路切換電路通常被檢測的物理量有很多個，如果每一通道都要有放大和ADC幾個環(huán)節(jié)就很不經(jīng)濟。而且電路也復雜。采用模擬多路開關(guān)就可以使多個通路共用一個放大器和ADC，采用時間分割法使幾個模擬開關(guān)通道輪流接通。這樣既經(jīng)濟，又使電路簡單。模擬多路開關(guān)的選擇主要考慮導通電阻的要求，截止電阻的要求和速度要求。常用的模擬多路開關(guān)有CD4501，CD4066，AD7501，AD7507等。為降低截止通道的負載影響，提高開關(guān)速度，降低通道串擾，采用多級模擬多路開關(guān)來完成通道切換。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）ADC是計算機同外界交換信息所必須的接口器件，它需要考慮的指標有：分辨率，轉(zhuǎn)換時間，精度，電源，輸入電壓范圍等。單片機構(gòu)成了基本的微處理系統(tǒng)，它完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取，處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸任務等。選擇MSC51系列8051單片機。完成任務書所要求的功能的系統(tǒng)框圖如下圖115所示 圖115系統(tǒng)框圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分，有8位，10位，12位和16位等。位數(shù)越高分辨率就越高，價格也就越貴。A/D轉(zhuǎn)換器的型號很多，在精度和轉(zhuǎn)換速度上差異很大。（a）雙積分A/D轉(zhuǎn)換器：雙積分式是一種間接式A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點是轉(zhuǎn)換精度高，速度快缺點是轉(zhuǎn)換時間長，一般要40～50ms，適用于轉(zhuǎn)換速度不快的場合。（b）逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器：逐次逼近式的屬于直接式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，速度高，價格適中，是目前種類最多，應用最廣的A/D轉(zhuǎn)換器，典型的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器有ADC0809。 鑒于方案（b）的換速度比方案（a）快，價格適中，種類繁多，應用廣泛，在本設(shè)計中采用ADC0809。單片微機是屬于Embedded System(嵌入系統(tǒng))，此系統(tǒng)的是把CPU 加上一些少量的內(nèi)存和輸出入組件(I/O)，都嵌入在一顆芯片內(nèi)，再使用特定的組譯和編譯軟件編輯程序，利用燒錄器把程序儲存到單芯片，如此加上一些簡單的周邊電路，即可變成一個控制系統(tǒng)，所以單芯片又稱為微控制器在本設(shè)計中選用Intel8051其中內(nèi)部已內(nèi)建程序存儲器ROM，不必再去外擴程序存儲器，使用更加方便。 串行接口器件的選擇（a）PC機配有標準RS232接口，單片機輸出的是TTL電平。因此，單片機與PC機之間通訊時，需要電平轉(zhuǎn)換。RS232電平轉(zhuǎn)換芯片有MC1489，MC1488。MC1488內(nèi)有三個與非門和一個相反器，供電電壓為+15V~15V或者+12V~12V，輸入為TTL電平，輸出為RS232電平。MC1489內(nèi)部有四個相反器，輸入為RS232電平，輸出為TTL電平。 （b）采用MAX232作為單片機與PC之間通訊的橋梁。MAX232的優(yōu)點是： ①一片芯片可以完成發(fā)送轉(zhuǎn)換和接收轉(zhuǎn)換的雙重功能。 ②單一電源+5V供電。方案（a）中的MC1488和MC1489，完成電平轉(zhuǎn)換時電路設(shè)計麻煩，比較容易出現(xiàn)錯誤，而且功能不如MAX232齊全。所以選擇方案（b）中的MAX232作為電平轉(zhuǎn)換的芯片，它不僅在功能上能滿足本系統(tǒng)的要求，且電路設(shè)計與連接比較簡單。 顯示部分 LCD是一種被動式的顯示器，即液晶本身并不發(fā)光，而是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線通過方向的特性，而實現(xiàn)顯示的目的。液晶顯示器具有功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點被廣泛應用在各種儀器儀表和控制系統(tǒng)中。 現(xiàn)在市面上的LCD顯示器多以模塊化形式出現(xiàn)，模塊由LCD控制器、LCD驅(qū)動器、LCD顯示裝置三部分組成，它與CPU之間是通過LCD控制器直接進行溝通的，使用方便。 所以在本系統(tǒng)中采用低功耗的SDEC廠生產(chǎn)的2A16DRG LCD第二章 硬件設(shè)計 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理介紹在我們所測控的信號中均是連續(xù)變化的物理量，通常需要用計算機對這些信號進行處理，則需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器就是為了將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計算機能接受的數(shù)字量。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，常用的A/D轉(zhuǎn)換器可分為兩種，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。（1）雙積分A/D轉(zhuǎn)換器工作原理雙積分A/D轉(zhuǎn)換器采用間接測量的方法，它將被測電壓轉(zhuǎn)換成時間常數(shù)T，其工作原理如圖 所示，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)，積分器，比較器，計數(shù)器和控制邏輯等部分組成。比較器VxVref標準時鐘計數(shù)器控制邏輯電子開 關(guān)數(shù)據(jù)輸出所謂雙積分就是進行一次A/D轉(zhuǎn)換需要兩次積分。電路先對被測的輸入電壓Vx進行固定時間(T0)的正向積分，然后控制邏輯將積分器的輸入端通過電子開關(guān)接參考電壓Vr，由于參考電壓與輸入電壓反向且參考電壓值是恒定的，所以反向積分的斜率是固定的，從反向積分開始到結(jié)束，對參考電壓進行反向積分的時間T,正比于輸入電壓。圖211（a）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖圖211（b） 兩次積分的輸出曲線如圖211（b）所示，