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1、目 录第1章 前言1.1 数据采集技术介绍31.2通信技术介绍4第2章 单片机数据采集系统总体功能介绍和说明.62.1 系统实现的功能62.2 系统各部分的功能72.2.1 信号调理部分82.2.2 数据处理部分10第3章 单片机数据采集系统硬件设计143.1 主要芯片介绍143.1.1 8051AH的功能特点143.1.2 ADC0809的功能特点183.1.3 DS12887的功能特点203.2 功能模块电路设计243.2.1 数据采集模块电路设计243.2.2 查询打印模块电路设计29第4章 单片机数据采集系统软件设计314.1单片机数据采集的分析与设计334.2单片机与PC通信的分析与
2、设计424.3查询，打印功能的实现46第5章 误差分析51第6章 结束语52致 谢53参考文献54附 录55基于单片机数据采集系统的设计摘 要：面对大量的数据，人工处理已远远无法满足时代的要求，依靠微电子技术来实现数据的采集、存储和显示，成为适应时代步伐的唯一有效捷径。本系统采用模数转换、微处理器、存储器等芯片来实现8路数据的采集，将采集的信号进行存储，按时间上传到上位机PC，通过不同模式的选择进行数据采集、查询、打印和显示等。在文中较系统的介绍了从模拟信号到数字信号的转换过程和讨论了转换过程中的技术参数等问题，在文中最后还进行了系统存在的一些误差分析。关键词：单片机，数据，采集，打印，查询，
3、上位机通信ABSTRACTKEY WORDS: signal chip micro-computer 、acquisition、PC-communcation第1章 前 言数据采集技术研究信息数据的采集、传输、存储、处理以及控制等，它是信息科学的一个重要分支。在智能仪器，信号处理以及工业自动化控制领域，都存在数据的测量与控制问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、电流、电压、流速、开关量、位移以及角度等模拟量转换为数字信号，再将收集到的数据显示、处理、传输与记录的这一过程即称为“数据采集”，相应的系统即为数据采集系统（DAS）。数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检
4、测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广的应用。随着科学和技术的需要，在速度、分辨率、精度、接口能力、软件设计以及抗干扰能力等方面向现代数据采集技术提出了越来越高的要求。可以预言：随着大规模集成电路技术与计算机科学技术的发展，数据采集技术的应用领域更为广阔20世纪90年代后期，各国的单片机和外围芯片大量涌入我国，各种开发工具和软件应有尽有，大大提高了我国单片机的应用水平。目前，单片机正在过程控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器以及网络技术等领域中发挥着重要的控制作用。面对大量的数据，人工处理已远远无法满足时代的要求，依靠微电子技术来实现数据的采集、存储和显示、
5、查询，成为适应时代步伐的唯一有效的出路。设计以单片机为核心的数据采集、存储和显示、查询、打印系统，可以把传感器信号经过处理后，进行控制和存储传给上位机PC，以满足远程控制和无人工作站的建立。数据采集和自动控制技术广泛地渗透到化工、轻工、热工、电力、水力、能源、环保、航空、航天、机械制造和精密仪器等各个领域，需求广泛。一个数据采集系统通常可用两种方法实现，一种是利用传统的数据采集系统设计方法，另一种是利用现有的一些数据采集系统芯片(即处理器)为核心构成。对于传统的数据采集系统设，它的硬件一般由传感器、信号调理电路、多路开关、采样保持电路、模数转换电路、微处理器、存储器等组成。而对于利用数据采集芯
6、片的系统，由于芯片集成了AD转换、闪速电擦除存储器、定时计数器等电路，加上它的高转换速度和高精度，能大大降低系统开发时间和成本、缩小设备体积、提高系统可靠性和电气性能指标，较适合于设计低功耗、便携式的数据采集系统。在一个数据采集系统中AD转换又是十分重要的环节。它的精度会直接影响到整个采集系统的精度。本文将利用传统的数据采集系统设计方法，以实现不同传感器信号的处理。用单片机来对系统进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高采集数据的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。第2章 单片机数据采集系统总体功能介绍和说明在检测系统中，各个组成部分是以信息流的过程来划
7、分的。检测时，首先获取被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，然后进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。所以一个检测系统主要分为信息的获得、信息的转换、信息的处理和信息的输出等几个部分。2.1 系统实现的功能1、8路数据采集：可以进行8路05V的模拟电压进行循环采集，每路采集的8次，超出界限LED显示报警，将采得的数据求平均。2、及时保存数据：对采集的数据按时间及时进行保存。3、数字实时显示：LED将实时显示采集的数据，并且能够显示查询时输入的查询量和查询到的数据。4、可以将采集的数据及时上传到上位PC机功能；5、可按
8、时间查询历史数据，也很方便的打印出来2.2 系统各部分的功能要完成这些功能主要依靠传感器、信号处理电路、显示装置、数据处理装置和执行机构等。其具体组成框图如图 1 .2. 1 所示。 模 数转 换信号处理8051单片机RS-232串口键盘电路盘LED显示模块串行微型打印机DS12887日历/时钟存 储 器传 感 器被检测的各种参数（温度、流量、压力、位移、速度等）由传感器变换成易于后续处理的电信号。由于传感器输出信号太弱或信号质量不高，应经过前端预处理电路进行放大、滤波等，然后经过数据采集系统转换成数字量，并通过接口送入存储器，经过单片机运算、变换处理后，由数据分配子系统和接口输出到执行机构，
9、由基本系统及其接口输出用于显示、记录、打印或绘制成各种图表、曲线等。此外，其他仪器仪表或系统通过通信子系统及接口完成相互之间的信息交换和互连。所以我们把微机自动检测系统也常称为计算机数据采集系统，或简称为数据采集系统。微机自动检测技术不仅能解决传统的检测技术不能或不易解决的问题，而且能简化电路、增加功能、提高精度和可靠性等，还能实现人脑的部分功能，使自动检测系统具有智能化，实现代替人工自动检测的目的，随着微机自动检测技术的不断发展，自动检测系统会变得更加智能化、多功能化。2.2.1 信号调理部分信号调理电路的主要作用就是把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压信号或数字信号，以推动后级的
10、输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。根据测量对象和显示方法的不同，信号处理电路可以是简单的传输电缆，也可以是由许多电子元件组成的数据采集卡，甚至包括计算机在内的装置。传感器前置放大滤波器多路模拟开关传感器前置放大滤波器传感器前置放大滤波器. . . . .（1）传感器接收被测量（如物理量、化学量、生物量等），然后才能将其变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的量（通常为电学量）。它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。（2）从传感器过来的信号较小（常用热电偶的输出变化往往在几毫伏到几是毫伏之间，电阻应变片
11、输出电压的变化只有几个毫伏，人体生物电信号仅是微伏级）。因此需要加以放大才能满足大多数A/D转换器的满量程输入05V的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同，因此需要的放大器种类也很多。例如，为了减少输入信号的共模分量，就采用各种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器；为了使不同数量级的输入电压都具有最佳变换，就产生了量程可以变换的程控放大器；为了减少放大器输入的漂移，就产生了斩波为零和激光修正的精密放大器。（3）传感器以及后续处理电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上
12、噪声，常见的工频信号就是人为干扰源。为了提高模拟输入信号的信噪比，常常需要使用滤波器对噪声信号进行一定的衰减。（4）在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟开关来实现，这样可以简化设计，降低成本。多路模拟开关可以分时选通多个通道中的某一路通道。因此，在多路模拟开关后的单元电路，如采样/保持电路、模/数转换电路以及处理电路等，只需要一套即可，这样可以节省成本和体积，但这仅适用于物理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下。因为这时可以使用普通的微秒级A/D转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时，必须注意泄露及逻辑安排等问题，当信号
13、频率较高时，使用多路开关后，对A/D转换速率要求也随之上升。在数据通过率超过4050kHz时，一般不宜使用分时的多路开关。模拟开关也可以根据需要安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，需注意选择多路模拟开关的类型；若选用继承电路的模拟多路开关，由于它比干簧和继电器组成的多路模拟开关导通电阻大、泄露电流大，因而有较大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关。2.2.2 数据处理部分S/HA/D单片机存储查询打印显示数据通信从传感器采集来的数据经过信号调理电路，信号做好了模数转换的准备。模拟信号要变成数字信号，首先要经过采样，采样保持器是快速拾取输入信号的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提
14、高A/D转换器的转换精度，如果把采样保持电路放在模拟多路开关之前（每通道一个），这可实现对瞬时信号同时进行采样。数据采集的采样方式有两种选择：一为“实时采样”；一为“等效时间采样”。（1）实时采样：数据采集开始后，信号波形的第一个采样点即被采人并数字化，经过一个采样间隔后再采入第二个采样点，这样一直将整个信号波形数字化并存入存储器中。为了不丢失被采样信号所携带的信息，实时采样的采样频率应满足采样定理（香农定理）的要求，当采样频率不满足采样定理时将产生信号混叠现象，使采样后波形中增加了额外的低频成分造成失真，引起误差。在工程上采样频率应取被采样信号所含最高频率的两倍通常采用10-20倍 。实际测
15、量时信号往往会混入各种噪声，谐波成分丰富，频带很宽，智能仪表的采样速度很难达到采样定理的要求，这时就应在A / D 转换之前加入抗混叠模拟滤波器，滤掉多余的高频分量。除了“定时采样”（等间隔采样）外，“实时采样”通常使用“变步长采样”，即“等点采样”。这种方法不论被测信号频率如何，一个信号周期内均匀采样的点总数为N个。由于采样周期随被测信号周期变化，故通常称之为“变步长采样”。（2）“等效时间采样”技术要求信号波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得因此采样可以用较慢的速度进行，采集的样本可以是时序的（步进、步退、差额），也可以是随机的。这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形。评价智能仪表数据采集部分的主要技术指标有分辨率、精度、输人信号形式和信号电平、采集速度，抗干扰能力，设计时应根据被测变量
