基于单片机的多参数实时数据采集系统设计 毕业设计说明书.doc

届毕业设计说明书1 引言在现实世界中要通过计算机对现实世界中的信息进行处理和显示，首先必须将计算机和现实世界联系起来，这需要将真实世界中的各种信号(称为模拟信号)转化为计算机可以识别、存储的信号(称为数字信号)，这一过程即是数据采集数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理和计算机控制技术等高科技为基础而形成的综合技术它在许多领域得到了广泛的应用[1]数字技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数据采集系统提出了愈来愈高的要求随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量系统在数字信号处理方面的能力也大大加强了，形成了所谓的数字化测量技术．数字化测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进行信号调理和A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进—步处理的数字信号具体来说，就是将电压、电流、温度、压力 等物理信号转化为数字量并传递到计算机中本文在研究单片机技术、单片机数据采集及单片机通信技术的基础上，设计并实现了基于单片机的多通道数据采集系统，该系统具有构造简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点，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]。

1.1 课题研究的背景及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[3] 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，提高系统的集成度本课题研究的对象是采用51单片机、串行A/D转换器、12864中文液晶屏、基于I2C总线E2PROM存储器AT24C1024该系统可将各种标准变送器送来的模拟电信号经过A/D转换和程序运算处理转换成相应非电量的数值并实时显示和存储[4]1.2 国内外研究状况随着测试测量和控制应用的要求变得愈发苛刻，数据采集(DAQ)板制造商正在提供吞吐速度更快、集成度更高、灵活性更强，且更易于编程的数据采集板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Measurement Computing公司的最新产品包括USB-1608HS和USB-1608HS-2A0这些模块提供真正同时发生的数据捕获，以每通道250kHz的采样率对最多8个通道的16位单端或差分模拟输入数据进行采集。

这两款产品都包含16位的数字I/O，USB-1608HS-2A0还额外包含两个信号范围在-10到+10V的16位模拟输出通道【5】 随着BAQ板制造商使用速度更快的信号转换器及其他高速设计技术，数据采样率也在不断增长几年以前，采样率最快就是用于音频的200ksps，由于技术进步，目前的采样率可以达到500ksps今天，更多的DAQ板开始集成通用串行总线(USB)除Measurement Computing公司之外，NI公司也发布了USB-6221和USB-6229 DAQ板，提供最多32个模拟输入和250ksps的单通道采样率尽管从目前来看，PCI和PXI是很多最新DAQ板中的通用接口总线，但USB却显示了强劲的发展势头由于便携应用的需要，USB已经变成流行的DAQ总线同PCI相比，USB采集板存在等待时间较长的问题，这是因为USB基于操作系统的访问方式和串行性质降低了数据传输率【6】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60～80KHZ[5]。

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[6]1.3 本课题主要研究内容1.3.1 单片机技术在信号采集系统中，单片机主要担当控制ADC，并对采集到的数据传输到上位机的角色，同时若上位机反馈信息、指令，单片机收到指令后还需对外围设备进行相关的控制单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低目前用的比较多的单片机有以下几种：（1）MCS5l单片机MCSSI系列单片机开始是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的[121，但现在以MCS51技术核心为主导的单片祝已成为许多厂家、电气公司竟相选用的对象，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机，同时增加了一些新的功能．例如ATMEL公司推出的AT89S51单片机，,PHILIPS公司系列单片机，华邦(WINBOND),Silicon公司出品的C9051Fxxx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，片内含4Kbytcs的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51系列指令系统及引脚它集Flash程序存储器既可编程也可用传统方法进行编程，片内置通用8位微处理器和FIASH存储单元，功能强大，可灵活应用于各种控制领域[9]2）PIC单片机由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用现今的PIC单片机已成为世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一PIC8位单片机具有指令少、执行速度快等优点，其主要原因是PIC系列单片机在结构上与其它单片机不同该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构这种结构与一般采用CISC(复杂指令集计算机)的单片机在结构上是有不同的PIC的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器I/O口、定时器和程序寄存器等都是采用了RAM结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。

而其它单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容上述各项，就是PIC系列单片机能做到指令总数少，且大都为单周期指令的重要原因[11]3）AVR单片机AVR单片机是ATMEL公司1997年推出的精简指令集(RISC)单片机系列ATMEL公司通过AVR把RISC技术带到了8位单片机世界，这种全新的结构带来了很多优势该系列的程序存贮器是在片内的Flash存贮器，可以反复修改上于次、这对新产品开发，产品升级都是很方便的单片机的指令基本上都是单个晶振周期的，能够到lMIPS/MHS的性能该系列单片机针对应用C语言编程做了优化这一系列单片机好的多型号都是宽电压工作的，同时有各种睡眠模式有利于降低系统功耗．再加上内部的振荡器、看门狗、上电复位、A/D输入，嗍输出等功能，它也可以称为“零外设”的单片机，具有片上系统(SOC，system oil chip)的雏形因此AW单片机适合于很多领域的应用，表现出卓越性能AVR单片机家族已经发展成为一个很全的系列：包括TINY AVR、MEGA AVR、LCD AVR、USB AVR、FPGA AVR等类别Tiny AVR系列的典型芯片如Tinyll、Tinyl2、Tinyl3等等，这一类型的单片机的特点是很好的把价格、性能和灵活性结合在一起，典型的应用包括锂电池充电器、冰箱控制和门禁系统等等。

AVRmega系列的典型芯片如AtmegaS,Atmegal6等等，这一类型的单片机的特点是带有具有自编程能力的程序存储器，可以通过SPI、USART、和二线制接口(I C)编程，适合于需要远程编程和现场升级的应用领域；同时该类型单片机具有很全的外围设备适合于多种应用同时还有一些增加了面向特殊应用具有特殊功能的单片机这些单片机都是在相同的AVR的基础上加上了面向应用的特殊功能，LCD AVR加上了LCD驱动器比如Atmegal69能够驱动4X25段的LCDUSB AVR单片机例如：AT43USB351M集成了USB的物理层和数据链层的硬件协议，同时由AVR核通过编程实现传输层的实现DVD AVR例如：AT78C1501内部通过AVR核实现内部数据通道核缓存的控制．FPGA AVK例如{AT94KOSA则内部集成有FPGA．这些类型构成了AVR系列单片机的庞大家族，使AVR在相应应用领域发挥独特性能尽管AVR系列单片机型号繁多，功能各异，但是所有AVR单片机都有相同的存储器结构和指令集，因此各系列AVR单片机之间的代码移植是很方便的不同系列单片机都会分别具有配置不同的SRAM，EEPROM，外部SRAM的接口，AD转换器，硬件乘法器，UART，USAIIT等等外围设备[12]。

1.3.2 数据采集技术对于数据采集系统中使用哪种技术取决于对下列因素的权衡：（1）分辨率由于精密元件成本高，所以随着分辨率的提高，A/D转换器的价格也会急剧上升8位分辨率的模拟多路器的每通道价格几乎相当于一个转换器的价格分辨率高于12位时，情况则相反，模拟多路切换趋于更加经济2）通道数通道数决定所用多路器的大小、连线数量以及内部连接在许多情况下，把数字多路器连到共用数据总线上，可使连线数量降到最低模拟多路切换适用于8～256个通道；超过这个数目，此技术就难以应用，模拟误差也很难减小在大系统中，模拟和数字多路切换技术常结合在一起应用3）检测速度或吞吐量高速A/D转换器会使系统造价大幅度上升如果模拟多路器要求高速转换器以达到所要求的采样速率，那么，每一通道配置一个低速转换器，并进行数字多路切换就会便宜些4）信号电平及调理对模拟多路切换而言，要使诸通道间具有宽广的动态范围是很困难的低于iv的信号，一般要求价格昂贵的、差分低电平模拟多路切换，而且在MUX(多路器)操作之后，还要有可编程增益放大器．另一种方法可能更有效，这就是：每个通道用一个放大倍数固定的运算放大器，并针对该通道的要求设计信号调理，同时采用数字多路切换。

5）检测点的物理位置鉴于模拟信号存在衰减、传输线反射以及干扰等问题，模拟量多路切换适合。