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1、1绪绪论论随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。随着工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。总之，
2、不论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。此外，计算机的发展对通信起了巨大的推动作用.计算机和通信紧密结合构成了灵活多样的通信控制系统，也可以构成强有力的信息处理系统,这样对社会的发展产生了深远的影响。数据通信是计算机广泛应用的必然产物。数据采集系统，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。数据采集系统一般由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数
3、据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。 数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检2测技术，广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。本文设计的多路数据采集系统采用 MSP430 系列单片机作为 MCU 板的核心控制元
4、件。MSP430系列单片机是由 TI 公司开发的 16 位单片机，其突出特点是强调超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。该系统采样电路采用MSP430 单片机内部 12 位的 AD，使系统具有硬件电路得以简单化，功耗低的特点。由于该系列较高的性能价格比，应用日趋广泛。3第第 1 1 章章 课题概述课题概述1.1设计的要求及目的利用单片机为核心设计一个多路数据采集系统，要求每个通道的信号经 A/D 转换后以 10 进制数在 LED 显示器上显示，并能够通过键盘操作切换显示不同通道的采样值。本系统中包括 8 路模拟量输入，范围 0-5V。要求对 8 个通道的模拟量进行巡回采样，再将采集的数据进
5、行工程量转换后在 LED 显示器上显示，并能通过按键切换所选通道的采样数据。数据采集技术是微型计算机应用技术的重要分支。外部现实对象(广义的外部设备)通过接口和计算机交换信息，在现实对象中信息表现为不同的形式并有明确的物理意义，输入到计算机内部后部变成二进制数，统称为数据。数据经过计算机的加工处理再作用到现实对象，又变成具体的物理信号。上述整个过程部可以看成是数据采集技术涵盖的内容。数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。数据采集系统的输入又称为数据的收集；数据采集系统的输出又称为数据的分配。数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能
6、识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示，以便实现对某些物理量的监视2。 由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能:数据采集、模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理、屏幕显示等过程。41.2 设计的基本原则对于不同的采集对象，系统设计的具体要求是不相同的。但是，由于数据采集系统是由硬件和软件两部分组成的，因此，系统设计的一些基本原则是大体相同的。1.2.1 硬件设计的基本原则(1) 经济合理系统硬件设计中，一定要注意在满足件能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这是
7、硬件设计中优先考虑的一个主要因素，也是一个产品争取市场的主要因素之一。(2) 安全可靠选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保认在规定的下作环境下，系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。要保证连接件的接触可靠。(3) 足够的抗干扰能力有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。1.2.2 软件设计的基本原则(1) 结构合理程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。在程序编序时，要尽量使得程序的层次分明，易于阅读和理解，同时还可以简化程
8、序，减少程序对于内存的使用量。当程序中有经常需要加以修改或变化的参数时，应该设计成独立的参数传递群序，避免程序的频繁修改。(2) 操作性能好5操作件能好是指使用方便。这点对数据采集系统来说是很重要的。在开发程序时，应该考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。(3) 系统应设计一定的检测程序，例如状态检测利诊断程序，以便系统发生故障时容易确定故障部位，对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。(4) 提高程序的执行速度。(5) 给出必要的程序说明。6第第 2 2 章章 系统硬件设计系统硬件设计2.1 系统结构框图数据采集系统的主要分为以下几个模块：数据采集转换模块、数据存储模块、开关控制模
9、块、液晶显示模块等。其中数据采集模块是AD 电压信号量采集。各模块关系图如图 2-1。系统结构的工作原理：物理模拟量的信号输入时，通过数据采集模块，利用单片机程序控制通过编程把 05V 的电压转换成十进制的 BCD 码;，小数点处理，控制循环显示，最终送到显示器，系统的硬件结构计较简单，各个芯片之间的连接将在体统原理图上完全体现2.22.2 系统工作原理系统工作原理该系统工作的总原理图见附录 A物理模拟量数据采集模块开关 键盘单片机液晶显示图 2-1 系统模块关系 图72.3 CPU 处理核心模块MCS-51 系列 8051 是一种高性能低功耗的采用 CMOS 工艺制造的 8 位微控制器，拥有
10、 8KB 的可编程的闪存（Flash programmable and erasable read only memory） 。它提供下列标准特征：8K 字节的闪速存储器，56 字节的 RAM，32 条 I/O 线，3 个 16 位定时器/计数器，一个六中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口，片上震荡器和时钟电路。其管脚图如图 2-2 所示： 引脚说明：VCC：电源电压GND:地P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，作为输出图 2-2 8051 芯片管脚图8口用时，每个引脚能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路。P1 口：P1 口是一带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/
11、O 口。P1口的输出缓冲能接受或输出 4 个 TTL 逻辑门电路。P2 口：P2 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I/O 端口。P2 口的输出缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。P2 口在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如 MOVX DPTR）时，P2 口送出高 8 位地址数据P3 口：P3 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I/O 端口。P3 口的输出缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。P3 口同时具有 AT89C51 的多种特殊功能，具体如下表 2-1 所示。表 2-1 P3 口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD（
12、串行输出口）P3.2 (外部中断 0)0INTP3.3（外部中断 1）1INTP3.4T0（定时器 0）P3.5T1（定时器 1）P3.6（外部数据存储器写选通）WRP3.7（外部数据存储器都选通）RDRST:复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出PROG脉冲，用以锁存地址的低 8 位字节。当在 Flash 编程时还可以作为编程脉冲输出（） 。PROG：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当PSENAT89C52 执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期两次PSEN9有效，除了当访问外部数据存储器时
13、，将跳过两个信号。PSEN/VPP:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数EA据存储器从 0000H 到 FFFH 单元的指令，必须同 GND 相连接。EA当执行内部编程指令时，应该接到 VCC端。EAXTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.3.1 8051 的时钟电路图图 2-3 8051 的时钟电路图102.3.2 复位电路的设计 单片机的 RST 管脚为主机提供了一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为 2 个机器周期以上。单片机的复位方式由上电自动复位和手动复位两种。电阻电容器件的参考值 R1
14、=200 欧、R2=1K 欧、C3=22uF。如图 2.4。图 2-4 8051 的复位电路图的设计2.4 ADC 模数转换1. ADC0809 主要特性ADC0809 是采用 CMOS 工艺制造的双列直插式单片 8 位A/D 转换器。分辨率 8 位，精度 7 位，带 8 个模拟量输入通道，11有通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。启动信号为脉冲启动方式，最大可调节误差为1LSB，ADC0809 内部设有时钟电路，故 CLK 时钟需由外部输入，fclk 允许范围为500kHz1MHz，典型值为 640kHz。每通道的转换需 6673 个时钟脉冲，大约 100110s。输入电压范围为 05
15、V，单一+5V 电源供电。2. ADC0809 内部结构和外部引脚ADC0809A/D 转换器，其内部结构如图 3-4 所示。包括一个高阻抗斩波比较器；一个带有 256 个电阻分压器的树状开关网络；一个逻辑控制环节和 8 位逐次比较寄存器(SAR)；一个 8 位三态输出缓冲器。引脚功能介绍如下：A、 IN0IN8：8 路输入通道的模拟量输入端，输入；B、 2-12-8：8 位数字量输出端；2-1 为最低位(LSB)，2-8 为最高位(MSB)，输出，三态；C、ALE：地址锁存控制信号，输入，上升沿有效。将地址选择信号 A、B、C 锁入地址寄存器；图 2-5 ADC0809 内部结构和外部引脚图
16、12D、START：启动 A/D 转换控制信号，输入，上升沿有效。当输入一个正脉冲，便立即启动 A/D 转换，同时使 EOC 变为低电平；E、 EOC：A/D 转换结束信号，输出，高电平有效。EOC 由低电平变为高电平，表明本次 A/D 转换已经结束；F、OE：输出允许控制信号，输入，高电平有效。OE 由低电平变为高电平，打开三态输出锁存器，将转换的结果输出到数据总线上；G、VREF(-)、VREF(+)：片内 D/A 转换器的参考电压输入端。VREF(-)不能为负值，VREF(+)不能高于 VCC，且 1/2VREF(-)+VREF(+)与 1/2VCC 之差不得大于 0.1V；H、CLOCK：时钟输入端。500kHz1MHz，典型值为 640kHz。2.5 液晶显示流程常用的 LED 数码显示器由 7 个发光二极管组成 7 段 LED 显示器，其排列形状如图所示：此外， dp 用于显示小数点。通过 7 个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。LED 显示器中的发光二极管有共阳极
