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1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：杨毅敏学 号：0606024127学 院、系：电子与计算机科学技术学院专 业：微电子学设 计 题 目：基于单片机的多参数实时采集系统设计 指导教师:张晓明2009 年12 月18日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1 绪论在冶金、化工、医学、和电器性能测试等许多场合需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送、再由上位机进行数据分析和处理，信号波形显示、自动报表生成等处理，这些都需要数据采集系统来完成，但很多数据采集系统存在功能单一、采集通道少
2、、采集速率低、操作复杂、并且对操作环境要求效高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。基于单片机的数据采集系统将来自传感器的信号放大、线性化、同步采样保持处理后，输入A/D转换器进行处理，然后通过单片机与PC机的通信将数据送到PC机进行外理，实现处理功能强大、显示直观，性性价比高、应用广泛等特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化，智能家居等诸多领域。2 课题设计研究的背景和意义数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的信号，并送入计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制
3、系统用来控制某些物理量。数据采集系统的市场需求量大，特别是随着技术的发展，可用数据器为核心构成一个小系统,而目前国内生产的主要是数据采集卡，存在无显示功能、无记忆存储功能等问题，其应用有很大的局限性，所以开发高性能的，具有存储功能的数据采集产品具有很大的市场前景。随着电子技术的迅速发展，一些高性能的电子芯片不断推出，为我们进行电子系统设计提供的更多的选择和更多的方便，单片机具有体积小、低功耗、使用方便、处理精度高、性价比高等优点，这些都使得越来越广泛的选用单片机作为数据采集系统的核心处理器。一些高性能的A/D转换芯片的出现也为数据采集系统的设计提供了更多的方便，无论是采集精度还是采样速度都比以
4、前有了较大的提高。其中一些知名的大公司如MAXIM公司、TI公司、ADI公司都有推出性能比效突出的A/D转换芯片，这些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特点，有些芯片还具有多通道的同步转换功能。这些芯片的出现，不仅因为芯片价格便宜，能够降低系统设计的成本，而且可以取代以前繁琐的设计方法，提高系统的集成度。3 国内外的研究现状数据采集器是目前工业控制中应用效多的一类产品，数据采集器的研究在国内外已经相当成熟，而且数据采集器的种类不断增多，功能越来越强大，主要体现为体积小、功能多样、和使用方便等方面。比如美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器。它可单
5、独使用又可与计算机连接使用，它具有多种测试功能，多种数据存储功能和控制方式。在国内，由于数据采集技术不断发展，市场上出现各种新型的数据采集器。例如北京凯文斯系统集成系统有限公司E16（单端），可编程增益为1，2，4，8倍，分辨率为十六位，采用率为16位，采样最高频率决定于微机的CPU及处理速度，一般6080KHZ。国内的数据采集器与国外的数据采集器相比，在技术上仍有一定的差距。目前国内的数据采集器在高精度、高速度、实时数据采集和数据采集器的现场处理能力等方面仍有不足，不能满足运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程和变电站自动化等领域的要求。4 数据采集系统的组成4.1数据采集单片机数据采集
6、电路包括单片机电路、A/D转换电路、按键电路、显示电路、通信电路等。4.2单片机技术在信号采集系统中，单片机控制整个系统工作，将采集到的数据传输到上位机，若上位机有反馈信息、指令，单片机收到上位机发来指令后还需对外围设备进行相关的控制。常用的单片机有MSC51系列单片机、PIC系列单片机、AVR系列单片机，各系列单片机都有自己的特点。51系列单机应用非常广泛，有很多电气公司推出了与51单片机兼容的单片机如ATMEL公司的AT89S51、PHILIS公司系列的单片机、Silicon出品的C8051系列单片机。以现在常用的AT89C51为例：AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，片
7、内含4Kbytes可编程的Flash只读存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，集成有Flash程序存储器，既可在线编程又可用传统的方法编程。PIC单片机采用CISC结构，寄存器组采用RAM结构形式，只需要一个周期就可以完成访问与操作，具有指信令少、指行速度快、低电压、低功耗的优点。AVR单片机的特点是带编程能力程序存储器，增加了很多特殊功能的外设，适合于多种应用。目前单片机种类发展较快，型号繁多，要根据设计不同系统的功能的要求选择不同的单片机，一般来说控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机，控制关系比较复杂的场合，如通信产品、工业控制系统可CISC单片机。4.3 A/D转换器
8、能够把模拟量转换成数据字量的元器件称为A/D转换器,包括单片机在内的微机所能识别的是数字量，然而在现实生活中的物理量都是一些模拟量，必须经过A/D转换器才能转换成数字量。A/D转换器的主要特性参数有分辩率、转换时间、通道数、采样速率等。目前市场上A/D转换器有很多种，性能和价格差别很大。A/D转换器按转换方式分可分为并行式模数转换器、连续逼近式模数转器、连续计数式模数转器、双斜率式模数转换器，根据数据的输出方式分可分为并行输出的A/D转换器、并行输出的A/D转换器。并行式模数转换器的转换速度最快、连续逼近式模数转器次之、连续计数式模数转器和双斜率式模数转换器转换速度最慢。随着电子技术的发展，一
9、些知名大公司推出了性能比效突出的A/D芯片，这些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特点，转换精度较高。在选择A/D转换器时，应根据数据采集系统的应用范围和A/D芯片的价格选择A/D芯片，也可以选择一些片内集成有A/D转换器的单片机如AVR mega16、C8051F020等。4.4 显示部分为了从单片机上直接了解当前采集信号的信息和机器状态，可在单片机上安装数码管或液晶屏。数码管只能显示一些数字信息，很难从这些数字了解机器的状态。液晶显示模块是一种常用的人机界面，其在单片机系统中应用极为广泛。液晶显示模块既可显示字符，又可显示简单图形。液晶屏种类繁多常用的液晶屏有只显示英语字母和数字的1602和能显
10、示汉字和图形的12864和160128等。4.5单片机与PC机的通信 单片机将通常是通过串行通信方式将信息传到PC机上，串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并串转换转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式以供接收方使用。串行通信要求具有规范的数据格式、传输时序等，随着集成电路技术的发展，这些控制逻辑已经被集成到一个芯片中，使得串行数据通信的实现比效容易。常用的串行传输类型有：RS-232串行通信接口、RS-442串行通信接口、RS-485串行通信接口等，它们在传输距离、抗干
11、扰性、技术成熟性等方面性能不同，可根据数据采集器的具体应用选择不同的通信方式。5 基于单片机数据采集系统的发展趋势及未来前景单片机与FPGA、DSP等高速器件相比，运行速度有较大差距，因此基于单片机的数据采集系统采样速率与基于DSP的数据采集系统的采样速率有较大差距，但随着一些高速单片机和一些高速器件的出现，这方面的差距会减小。在一此生产和实验过程中，要求将采集数据通过较长距离的通信将数据传输出去并远程控制采样方式以便及时地了解生产和实验情况，目前单片机在这方面技术还不是很成熟。很多数据采集系统工作时所处的环境较恶劣如：高温、高压、高酸、高碱等，这些都会对数据采据集系统的运行和寿命产生影响，需
12、进一步提高单片机数据采集系统的抗环境的能力。基于单片机的数据采集系统正朝着高精度、高采样速率、远距离通信、低功耗、高性价比、高可靠性和抗恶劣环境方向发展。参考文献：1 欧全梅.基于单片机的多通道数据采集系统.华中科技大学硕士学位论文.2006-6.28-32 王海峰.89S52单片机的通用数据采集系统.中国石油大学硕士学位论文. 2006.4.93 尹海宏，陈雷.基于单片机的数据采集系统.信息技术报.2008.5,36-64 李自红，张炜，贾丽娟.基于单片机的数据采集系统.仪表技术.2007.7,20-25 许强.基于8位单片机的数据采集系统的研究湖南广播电视大学学报.2005.1,15-36
13、 徐顺刚.基于单片机的高速数据采集系统重庆师范学院学报2003.9，20-37 石磊，贺定强，王利猛.一种基于单片机的高速数据采集系统的设计与实现.电测与仪表学报.2005.1第一期8 张斌.基于C8051F350的高精度数据采集系统的设计与实现2009-2.电工技术2009年第3期9 胡晓光，王来军.基于单片机的高压断路器机械状态在线监测数据采集系统.电气自动化学报.2002-4.第四卷第六期10杨博，李伟州.基于单片机的新型多路数据采集系统.仪表及技术与传感器学报.2006，27-11 11 彭伟.单片机C语言程序设计实例100例.电子工业出版社.2009.512 吴戈，李玉峰.案例学单片
14、机C语言开发.人民邮电出版社.2008.1213 张俊谟.单片机中级教程.北京航空航天大学出版社.1999.1214 周国运.单片机原理及应用.中国水利水电出版社.2009.415 戴仙金.51单片机及其C语言程序开发实例.清华大学出版社.2008.12 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1 本课题设计要解决的问题本课题要解决的问题主要是如何运用单片机实现数据采集。要解决的问题有：如何实现采样模式转换功能，包括进行单通道采样、多通道循环采样等采样模式之间的转换。通过按键或单片机与上位机的通信可改变采样频率以适应不同应用环境的要求。采样所得到的结果上
15、传到上位机，单片机收到上位机发来的命令后执行相应的动作。2 本课题设计拟采用的研究手段本系统的实现手段如下：通过TLC1543AD芯片将传感器传来的模拟信号转换为10bit精度的数字信号，由单片机接收、处理AD芯片传过来的数字信号。用带I2C总线的EEPROM存储器芯片24C08将单片机接收到的数字量存储，通过按键或单片机与上位机的通信可设置数据存储的时间间隔，从而改变存储器的存储频率。一般PC机上的串口采用RS-232的电平，而单片机的输入输出为TTL电平。因此单片机与PC机进行串行通信时必须完成电平的转换，本系统通过单片机的串行数据输出线输出数字量，通过MAX232将电平转换成RS-232电平，再通过串口传给上位机。上位机发送给单片机的信号由串口传给MAX232，通过MAX232的电平转换，再传到单片机的串行数据输入线。本系统的显示界面为中文液晶屏12864，在12864上显示单片机和AD转换器的工作状态和采集的数据值。在设计中将系统硬件分成两部分，一部分是AD转换器、单片机、液晶屏、按键和串口，这部分单独使用一块PCB板设计，另一部分传感器、放大电路和采样保持电路。这样设计是为了使得需求更改不需要重新设计整个系统，而只需要更换传感器和在程序上做简单的修改，即增加设计的灵活性，又使以后应用更加方便。2.3 原理框图
