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1、多路数据采集系统吉林工程技术师范学院电子信息工程 摘要高精度 AD 转换、海量数据存储与便携技术，是目前数据采集研究领域一个比较关注的热点，这些技术的实现和应用，可以很好的解决传统数据采集中精度低、数据不易保存等一些问题。 本套数据采集装置由主控单元与数据采集单元两部分构成，主控单元具有数据显示、实时时钟、数据存储功能，数据采集单元可采集 8 路模拟量信号、 8 路开关量信号，与主控单元用 SPI 接口进行数据传输。关键词：AD 转换、8 路、数据采集Abstract: High-accuracy AD conversion, and portable mass data storage te
2、chnology, data acquisition is a field of research attention, the realization of these technologies and applications, can be a very good solution to the traditional low accuracy of data collection, data preservation, such as some of the problems is not easy. This set of data acquisition device from t
3、he main control unit and data acquisition unit constituted of two parts, main control unit with the data show that real-time clock, data storage, data acquisition unit can capture 8 analog signals, 8-way switch signal, and the main SPI interface with control unit for data transmission.Keyword: AD co
4、nversion 、8-way switch 、data transmission目 录第一章 绪论.11.1 背景11.2 方案论证与比较2第二章 系统设计.52.1 总体设计52.2 总体流程图8第三章 理论分析和说明103.1 各部分电路原理说明.103.2 理论分析.13第四章 调试154.1 出现的问题154.2 解决方法与改进15第五章 测试数据及分析16第六章 结论及展望.17参考文献附 录第一章 绪 论1.1 背 景数据采集是指通过查看数据库中存储的大量数据来发现有意义的新关系新模式和新趋势，以及使用模式识别技术和精确的统计技术的过程。 通过数据采集用户可以发现模式并自动建模而
5、无需确切知道用户所要寻找的内容， 数据采集有助于避免处理数据时人脑的不足以及分析问题的盲目性。 数据采集系统在工业测控以及实验室研究方面的应用非常广泛， 随着科学技术的发展数据采集技术成为现代科学研究和技术发展的一个重要方面并向着高精度高速度稳定可靠和集成化的方向发展。一种应用在工业控制系统中的数据采集远程无线传输模块,由模拟数据采集电路,模拟数据输出电路,AD 转换电路和 GPRS模块四个功能电路构成。其中，模拟数据采集电路采集探测器输出的模拟信号,将其分成两路进行输出，一路传输至模拟数据输出电路,另一路传输至 AD 转换电路。模拟数据输出电路将模拟数据采集电路采集到的模拟信号透明输出给工业
6、控制系统，AD转换电路将模拟数据采集电路采集到的模拟信号转换成可编译的数字信号,并输出至 GPRS 模块，GPRS 模块将来自 AD 转换电路的数字信号发射到互联网服务器上,进行远程无线数据传输。本实用新型能与现有工业控制系统无缝联接,在不影响现有系统正常功能的条件下而使系统的数据进行无线远传,将数据上传到指定的服务器上。1.2 方案论证与比较设计要求：自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在 200Hz2kHz 范围变化，再经频率电压变换后输出相应 15V 直流电压（200Hz 对应 1V，2kHz 对应 5V）。数据采集器第 1 路输入自制 15V 直流电压，第 27 路
7、分别输入来自直流源的 5，4，3，2，1，0V 直流电压，第 8 路备用。将各路模拟信号分别转换成 8 位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。 主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。图 1-1 整体要求方案一：该方案的系统原理框图如图 1-2 所示,它能完成所要求的功能。但是存在不足之处是：编程不方便,主要是 A/D 接口和RS485 接口编程不方便。 图 1-2 方案一系统框图 方案二：该方案的系统原理框图如图 1-3 所示,图 1-3 方案二系统框图 方案三：用 ICL8038 为函数信号发生器模块，用 ADC0809 为数据采集模块，AT89C51 为控制
8、模块，串行口加 74LS164 组合的 LED数码管位显示模块，不同按键触发中断式为设置模块。模拟信号发生器频率电压变换电路ADC0809 数据采集键盘控制采集方式数码管显示采得电压值图 1-4 方案三系统框图 比较这三种方案，从可行性、严谨性、安全性及经济效益多方面来看，第三种方案均为最佳，故我们选择第三种方案。第二章 系统设计2.1 总体设计总体设计分五部分，用 ICL8038 接为函数信号发生器，模拟信号发生，LM331 接成一个频率电压变换电路，产生 05V 电压，ADC0809 进行数据采集，74164 与数码管为显示电路，另外还有键盘控制部分。 ICL8038 是一种具有多种波形输
9、出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.1 300 kHZ 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。故可以用它来接为正弦波信号发生器电路，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在 200Hz2kHz 范围变化。 图 2-1 正弦波信号发生器电路LM331 为单片 V/ F 转换器，V/ F 转换器是把输入的电压转换为脉冲输出的一种电路。输出脉冲的频率能与输入的电压成线性关系 ,并可通过测量其输出端的脉冲频率来间接测量输入的电压值。它实际上也是一种 A/D 转换器，且具有应用简单、精度高、线性度好、频率动态变化范围宽、抗干扰能力强、
10、价格较低等诸多优点。故可用它来接为电压 05V 可调的频率转换电路。图 2-2频率电压变换电路ADC0809 是一种逐次比较式的 8 路模拟输入、8 路数字量输出的 A/D 转换器。ADC0809 通过其内部的模拟开关切换，分时处理 8 路模拟量输入信号。在某一时刻，模拟开关只能接通一路模拟量通道，之后，AD 转换器对该通道的模拟量进行转换。当地址锁存信号 ALE 为高电平时，A、B、C 三条线上的数据送入ADC0809 内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道，并进行数据采集。图 2-3 ADC0809 采集电路显示电路采用 6 位数码管静态显示方式 ,以 74LS164 作为锁存驱
11、动芯片。把 AT89C51 的 RXD 作为数据输出线 ,TXD 作为移位时钟脉冲。74LS164 为 TTL 单向 8 位移位寄存器 ,可实现串行输入 ,并行输出，故可用与 6 位数码管相接并显示测得的电压值。图 2-4 74LS164 与数码管显示电路按键 P1-0 可实现循环采集，按键 P1-4 为通道选择开关，按几下即可显示对应通道采集的电压值，按键 P1-7 为关通道开关，按下后数码管无显示。2.2 总体流程图 图 2-5 主程序 图 2-6 选择采集子程序 图 2-7 循环采集子程序第三章 理论分析和说明3.1 各部分电路原理说明 正弦波信号发生器ICL8038 函数信号发生器由开
12、关 SW、恒流源 I、恒流源 II、比较器 I、比较器 II、触发器、缓冲器、三角波/正弦波变换器和外接电容 C 等组成。其工作原理参见图 3-2 的 ICL8038 时间图。ICL8038 的基本应用电路示于图 3-3。图 3-2 中 ICL8038 的 2 端产生正弦波的频率是由恒流源 I 对外接电容 C 的充电时间 t 和恒流源 II 对外接电容 C 的放电时间 t 决定的。恒流源对外接电容C 充电，单位时间内电压的增量为：(1)dtIV)/(1电容 C 上电压从 V/3 增至 2V/3 的时间为：(2)11/3Itr恒流源 II 对 Cr 的放电时间为：（3）)/(212ICVtr由于
13、图 3-3 中 ICL8038 的 7 端和 8 端短接，因此，电路中 R 上电流对于充电电流 I 为：(4)/(21ARVI其中， 为 ICL8038 的内阻。KR39,12图 3-2 ICL8038 时间图图 3-3 使用 ICL8038 的基本电路 频率电压变换电路另外还有一个频率电压变换电路,它的输入信号为正弦波信号。正弦波信号经放大,变为方波信号作为 LM331 芯片的输入信号。调节滑动电阻，使得 200Hz 对应 1V 输出,2kHz 对应 5V 输出。LM331 控制输出的单稳态定时器产生的时间 ，带入下tCRT1.式中：当 时，输入pFCKRKRttis 470,10,36,
14、010V 电压所对应的输出频率为 0100KHZ。 ADC0809 数据采集过程单片机的 ALE 引脚输出为地址锁存允许信号，经单片机 ALE的 2MHZ 二分频后得到 1MHZ 的时钟提供给 ADC0809。ADC0809 通过 ALE 选通八路通道，A、B、C 编码 000111 对应 8 个通道IN0IN7 的地址，可在此改变输入通道电压的大小，采集数据，8 路通道的电压值可在 6 位数码管上显示出来。转换启动信号 START 的上升沿将 ADC0809 复位，当被选中通道的模拟量到达 A/D 转换器时，A/D 转换器并未对其进行转换，只有当转换启动信号 START 出现下降沿并经延迟后
15、，才会启 A/D转换器进行转换.ADC0809 的转换过程是在时钟信号的协调下进行的，ADC0809 的时钟信号由 CLOCK 端送入，时钟频率的典型值为 640KHZ,在这个频率下，ADC0809 的 A/D 转换时间为 100us.由于 ADC0809 片内没有时钟，因此，当 ADC0809 用于 AT89C51单片机系统时，ADC0809 的时钟信号可由 AT89C51 单片机的地址锁存允许信号 ALE 经过一个二分频电路获得。一般情况下，ALE 信号在每个机器周期出现两次，因此其频率为 AT89C51 单片机的 1/6.若单片机采用 12MHZ 的晶振，则 ALE 的输出频率为2MHZ,再经二分频后为 1MHZ,这个频率符合 ADC0809 对时钟频率的要求。ADC0809 的输出通过锁存器 74LS373 后接在 AT89C51 的 P0口，通过串行口输出，数码管与移位寄存器连接显示通道 07的测得电压。按键按下几次表示选通哪一通道
