【正文】 的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個(gè)新的系統(tǒng)[11]。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測已成為日益重要的檢測技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、壓力、流量、濕度等場合。技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)消除或顯著地減少了大多數(shù)問題。隨著PC時(shí)代的到來，嵌入式數(shù)據(jù)采集技術(shù)以其可靠性高、體積小、重量輕、攜帶維護(hù)方便、易擴(kuò)展、成本低、功能強(qiáng)等優(yōu)勢在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。 當(dāng)今現(xiàn)代化建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。人們的日常生活和周圍環(huán)境息息相關(guān)，石油、化工、航天、制藥、檔案保管、糧食存儲(chǔ)等領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境也有著較高的要求。目前我國環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展相對完善,已經(jīng)建立了一整套數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和管理是建立在環(huán)境監(jiān)測、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、電子、通信等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)上的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)主要包括傳感器，A/D轉(zhuǎn)換模塊，輸出控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，顯示模塊五個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，完成了設(shè)計(jì)所有要求。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。本論文結(jié)構(gòu)安排如下：第1章 引言部分。第2章 理論部分。第3章 硬件部分。第4章 軟件設(shè)計(jì)。 第5章 系統(tǒng)仿真。第6章 結(jié)束語。最后在附錄里給出本次設(shè)計(jì)中的元件清單、完整電路圖和軟件程序。由于監(jiān)測點(diǎn)過于分散，分布較廣，而且大多數(shù)啊設(shè)置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備可以將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)送到管理中心進(jìn)行處理，便于管理。第2章 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)理論 數(shù)據(jù)采集的意義和任務(wù)數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集、轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)：采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。任何數(shù)字計(jì)算機(jī)或者數(shù)字設(shè)備只能接受和處理有限位的數(shù)字信號，因此模擬信號在輸入到計(jì)算機(jī)或者數(shù)字設(shè)備之前必須變成時(shí)間上和幅值上都離散的數(shù)字信號。然后用一組數(shù)碼來逼近這些采樣信號，使采樣信號變成幅值上也離散的數(shù)字信號，這個(gè)過程成為量化（quantization）。 采樣過程一個(gè)連續(xù)的模擬信號x(t)，通過一個(gè)周期性開閉（周期為TS，開關(guān)閉合時(shí)間為τ）的采樣開關(guān)K之后，在開關(guān)輸出端輸出一串在時(shí)間上離散的脈沖信號xs(nTs)，這個(gè)過程就稱為采樣過程。采樣信號：xs(nTs) 采樣時(shí)刻：0，TS ,2TS ,3TS …采樣時(shí)間：τtx(t)x(t)KδTs(t)xS(nTS )txS(nTS )τTSTS2TS3TS…x(t)x(t)x(t)x(t)tx(t)tx(t)x(t)tx(t)xS(nTS )x(t)tx(t)xS(nTS )x(t)tx(t)δTs(t)xS(nTS )x(t)tx(t)KδTs(t)xS(nTS )x(t)tx(t)KδTs(t)xS(nTS )x(t)tx(t)KδTs(t)xS(nTS )x(t)tx(t)KδTs(t)xS(nTS )x(t)t圖21 采樣過程 采樣周期：TS 采樣頻率：fS=1/TS在實(shí)際系統(tǒng)中，τ TS ，也就是說，在一個(gè)采樣周期內(nèi)，只有很短的一段時(shí)間采樣開關(guān)是閉合的。這種脈沖調(diào)制過程是將輸入的連續(xù)模擬信號x(t)的波形，轉(zhuǎn)換為寬度非常窄而幅度由輸入信號確定的脈沖序列。tx(t)x(t)KδTs(t)xS(nTS )txS(nTS )τTSTS2TS3TS…x(t) 圖22 脈沖調(diào)整過程輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系表達(dá)式可為 （21）因?yàn)棣?Ts ，所以假設(shè)采樣脈沖為理想脈沖，x(t)在脈沖出現(xiàn)瞬間nTS取值為x(nTS) ，故，上式改寫為 （22）考慮到時(shí)間為負(fù)值沒有意義，上式改寫為 （23）在實(shí)際應(yīng)用中，τTS 。不能無失真地恢復(fù)成原來的信號，出現(xiàn)誤差。 采樣定理 一般連續(xù)信號x(t)可表示為無限個(gè)諧波的疊加，信號x(t)和頻譜X(f)關(guān)系為（24）要由x(nTs)恢復(fù)出x(t) ，頻譜X(f)和采樣間隔Ts必須滿足下列條件：⑴ X(f)有截止頻率fc時(shí)，當(dāng)| f |≥ fc時(shí)， X(f) = 0⑵ Ts ≤1/2fc，或fc≤1/2Ts對一個(gè)頻率在0～fC 內(nèi)的連續(xù)信號進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣頻率為 fS ≥2 fC時(shí)，由采樣信號 xS(nTS )能無失真地恢復(fù)為原來信號x(t) 。在此區(qū)間上，展成付立葉級數(shù) 其中所以 （25）可以得到 （26） 模擬信號的采樣控制方式模擬信號采樣控制方式如圖23所示采樣無條件采樣條件采樣DMA方式采樣定時(shí)采樣（等間隔采樣）定時(shí)采樣（變步長采樣）程序查詢采樣中斷控制采樣圖23 采樣控制方式分類⑴ 無條件采樣采集設(shè)備（A/D轉(zhuǎn)換器）可以認(rèn)為是隨時(shí)都是準(zhǔn)備好工作的，只要有讀取數(shù)據(jù)的命令發(fā)出系統(tǒng)就可以從采集設(shè)備上獲得數(shù)據(jù)而不需要控制系統(tǒng)和采集設(shè)備之間進(jìn)行握手信號的交互。所需要的軟硬件最簡單，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。而且處理器和采集設(shè)備需要同時(shí)工作。⑵ 條件采樣采樣過程受到控制，并不是任何時(shí)候需要數(shù)據(jù)都可以得到滿足，常見的有程序查詢采樣和中斷控制采樣兩種。特點(diǎn)：系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不是很高，處理器和采集設(shè)備之間的交互信息比較多，處理器的使用率不是很高，但是硬件設(shè)備簡單，控制程序容易實(shí)現(xiàn)（只需要一些循環(huán)語句和控制信號就可以實(shí)現(xiàn)）不需要保護(hù)現(xiàn)場。（這兩種方式以及下面的DMA方式和微機(jī)原理中的三中I/O方式是同樣的道理，是它的一種實(shí)際應(yīng)用）。但是需要保護(hù)現(xiàn)場，軟件處理要求比較高一些。但是，中斷方式仍是由CPU通過程序把采集的數(shù)據(jù)從I/O端口傳送至累加器，然后再由累加器送至內(nèi)存。在這個(gè)過程中的最大傳輸效率不超過10000biat/s，從而使數(shù)據(jù)傳輸需要一定的時(shí)間。內(nèi)存CPUI/O外設(shè)DMA控制器圖24 DMA傳送方式示意圖在DMA方式采樣控制下，由硬件完成數(shù)據(jù)傳送操作，數(shù)據(jù)直接在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器MEM之間進(jìn)行傳送，而不通過CPU和I／O，因而可大大提高數(shù)據(jù)的采集速率。也為借助信道上的信號將數(shù)據(jù)從一處送往另一處的操作就稱為數(shù)據(jù)傳輸。② 大多數(shù)傳輸信道是帶通型特性，基帶信號通不過。③ 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸是利用數(shù)字話路傳輸數(shù)據(jù)信號的一種方式。一個(gè)并行數(shù)據(jù)占多少二進(jìn)制數(shù)，就要多少根傳輸線。如圖 25所示。速度雖慢，但只需一條傳輸信道，投資小，易于實(shí)現(xiàn)，是數(shù)據(jù)傳輸采用的主要傳輸方式。儀器計(jì)算機(jī)發(fā)送接收圖26 串行傳輸方式⑶ 異步傳輸和同步傳輸：① 異步傳輸是字符同步傳輸?shù)姆绞健＝邮斩送ㄟ^檢測起、止信號，即可區(qū)分出所傳輸?shù)淖址?。如圖27所示。當(dāng)儀器要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”信號，這個(gè)邏輯低電平后，就開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號。Ⅱ數(shù)據(jù)位當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到起始位后，緊接著就會(huì)收到數(shù)據(jù)位。在字符數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)位從最小有效位（最低位）開始傳輸。奇偶校驗(yàn)位用于有限差錯(cuò)檢測，通信雙方在通信時(shí)須約定一致的奇偶校驗(yàn)方式。奇偶檢驗(yàn)位可有可無，可奇可偶。可以是1位、。② 同步傳輸是位（碼元）同步傳輸方式。在傳輸中，數(shù)據(jù)要分成組（或稱幀），一幀含多個(gè)字符代碼或多個(gè)獨(dú)立碼元。接收端DCE從接收序列中提取位定時(shí)信號，從而達(dá)到位（碼元）同步。一般四線線路為全雙工數(shù)據(jù)傳輸，二線線路可實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸。RS232和RS485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。所謂標(biāo)準(zhǔn)接口，就是明確定義若干信號線，使接口電路標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。采用標(biāo)準(zhǔn)接口后，能很方便地把各種計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、測量儀器等有機(jī)地連接起來，進(jìn)行串行通信。它包括了按位串行傳輸?shù)碾娖骱蜋C(jī)械方面的規(guī)定。20mA電流環(huán)是一種非標(biāo)準(zhǔn)的串行接口電路，但由于它具有簡單、對電器噪聲不敏感的優(yōu)點(diǎn)，因而在串行通信中也得到廣泛使用。⑴ 通信速度與距離通常的標(biāo)準(zhǔn)串行接口標(biāo)準(zhǔn)，其電氣特性都具有可靠傳輸時(shí)的最大通信速度和傳送距離兩方面指標(biāo)，但這兩方面指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性。例如，采用RS232C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為20kb/s，最大傳送距離為15m，而改用RS422標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，最大傳輸速率可達(dá)10Mb/s，最大傳送距離為300m，在適當(dāng)降低數(shù)據(jù)傳輸速率情況下，傳送距離可延伸到1200m。但工業(yè)測控系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境往往十分惡劣，因此，在通信介質(zhì)選擇、接口標(biāo)準(zhǔn)選擇時(shí)要充分注意其抗干擾能力，并采取必要的抗干擾措施。在高噪聲污染環(huán)境中，使用帶有金屬屏蔽層、光纖介質(zhì)來減少電磁噪聲的干擾，采用光電隔離提高通信系統(tǒng)的安全性等，都是一些行之有效的辦法。RS232采取不平衡傳輸方式，即所謂的單端通信。RS—232C總線標(biāo)準(zhǔn)接口目前最常用的串行通信總線接口是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）1969年推薦的RS－232C。計(jì)算機(jī)、外設(shè)、顯示終端等都屬于數(shù)據(jù)終端設(shè)備，而調(diào)制解調(diào)器則是數(shù)據(jù)通信設(shè)備。表21給出了RS232C串行標(biāo)準(zhǔn)接口信號的定義以及信號的分類。RS一232C標(biāo)準(zhǔn)接口（DB25）連接器的機(jī)械性能與信號線的排列如圖29所示。表22為RS232C接口的主要電氣特性。最為簡單且常用的是三線制接法，即地、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連，本文只涉及到最為基本的接法，且直接用RS232相連。如下表23所示。上面表格是對微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串行口而言的，還有許多非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，如接收GPS數(shù)據(jù)或電子羅盤數(shù)據(jù)，只要記住一個(gè)原則：接收數(shù)據(jù)針腳（或線）與發(fā)送數(shù)據(jù)針腳（或線）相連，彼此交叉，信號地對應(yīng)相接，就能百戰(zhàn)百勝。⑷ 串口通訊流控制 我們在串行通訊處理中，常?？吹絉TS/CTS和XON/XOFF這兩個(gè)選項(xiàng)，這就是兩個(gè)流控制的選項(xiàng)，目前流控制主要應(yīng)用于調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通訊中，但對普通RS232編程，了解一點(diǎn)這方面的知識是有好處的。數(shù)據(jù)在兩個(gè)串口之間傳輸時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，或者兩臺計(jì)算機(jī)的處理速度不同，如臺式機(jī)與單片機(jī)之間的通訊，接收端數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已滿，則此時(shí)繼續(xù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。流控制能解決這個(gè)問題，當(dāng)接收端數(shù)據(jù)處理不過來時(shí)，就發(fā)出“不再接收”的信號，發(fā)送端就停止發(fā)送，直到收到“可以繼續(xù)發(fā)送”的信號再發(fā)送數(shù)據(jù)。 PC機(jī)中常用的兩種流控制是硬件流控制（包括RTS/CTS、DTR/CTS等）和軟件流控制XON/XOFF（繼續(xù)/停止），下面分別說明。硬件流控制必須將相應(yīng)的電纜線連上，用RTS/CTS（請求發(fā)送/清除發(fā)送）流控制時(shí)，應(yīng)將通訊兩端的RTS、CTS線對應(yīng)相連，數(shù)據(jù)終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）使用RTS來起始調(diào)制解調(diào)器或其它數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的數(shù)據(jù)流，而數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（如調(diào)制解調(diào)器）則用CTS來起動(dòng)和暫停來自計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流。RTS則用來標(biāo)明接收設(shè)備有沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。一般通過XON/XOFF來實(shí)現(xiàn)軟件流控制。一般可以從設(shè)備配套源程序中找到發(fā)送的是什么字符。 本章小結(jié)本章主要作用是確定設(shè)計(jì)方案，通過對采樣定理、數(shù)據(jù)傳輸方式、RS232串口通信的研究最終確定了本次論文設(shè)計(jì)的方案。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。 系統(tǒng)硬件框圖傳感器放大濾波電路A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)AT89S51PC機(jī)顯示電路圖31 系統(tǒng)硬件框圖圖31為本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。 傳感器本設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，根據(jù)不同需要，采集的數(shù)據(jù)類型也有不同，如：溫度、壓力、流量等。 電壓型溫度傳感器LM35DLM35D輸出電壓與攝氏溫度成正比，其靈敏度為10mV/℃；溫度范圍為0℃－100℃；電壓為430V，可直接用溫控電路的電源，但要加一個(gè)隔離二極管及平滑電容C；精度為土1℃；℃；靜態(tài)電流為80181。如表上讀數(shù)為287mV，℃。電路設(shè)計(jì)如圖32所示。這個(gè)傳感器結(jié)合了高級的微電機(jī)技術(shù)，薄膜鍍金屬。在0℃85℃%，溫度補(bǔ)償是40℃125℃。圖33 壓力傳感器相關(guān)電路氣壓傳感器MPX4115的管腳說明如表31所示：表31 氣壓傳感器MPX4115的管腳說明123456VOUTGNDVSNSNSNS氣壓傳感器MPX4115的特性參數(shù)如表32所示表32 氣壓傳感器MPX4115的特性參數(shù)參數(shù)符號典型最小最大單位壓力范圍Pop15115Kpa供電電壓VSVdc供電電流LO10mAdc最大壓力偏置VPSSVdc滿量程輸出VOFFVdc滿量程比例VFSSVdc精度177。%VFSS A/D轉(zhuǎn)換電路