多通道数据采集系统分析建模.doc

本科毕业论文（设计）题 目 多通道数据采集系统分析与建模 学 院 计算机与信息科学学院 专 业 自 动 化 年 级 2007级 学 号 222007321042083 姓 名 路 康 指 导 教 师 杨 颂 华 成 绩 2010年4月28日多通道数据采集系统分析与建模摘要：针对目前国内数据采集器测试点较少、体积大、无记忆功能、使用不方便、大多需要与计算机连接工作等问题，系统采用单片机AT89C52作为核心控制单元，将传感器传输来的数据经A/D转换后送单片机处理、存储、在LED数码管显示，并将采集数据定时上传到上位机该数据采集系统能有效弥补目前国内数据采集器的不足，具有较高的独立性、体积小、使用方便、存储记忆功能本文对这种多通道数据采集系统进行了分析和建模，利用仿真软件Keil C51和Proteus对其可行性、有效性进行论证。

关键字：数据采集；AT89C52；A/D转换；Proteus；储存记忆Multi-channel Data Acquisition System Analysis and ModelingAbstract: For the problem like fewer test points, bulky, no memory,inconvenient to use，most needing to connect with computer of current national data collection.System uses AT89C52 as the core control unit,data collected by sesor transmission to the AT89C52 processing,storage,LED digital display and regularly uploaded to the host computer.The data acquisition system can make up for national data collection's shortage with high independence,small size,easy to use,storage and memory.In this paper,this multi-channel data acquisition system is analyzed and modeled using Keil C51 and Proteus in order to demonstrate its feasibility and effectiveness.Keywords：data acquisition;AT89C52;A/D conversion;Proteus;memory1 引言1.1研究背景及内容 在国外，数据采集技术已发展相当成熟，数据采集器的性能越来越好，功能越来越强，朝着小型化、操作简单化、智能化方向发展，但价格昂贵。

在国内，数据采集技术也发展迅速，市场上出现了多种新型的数据采集器但相比较国外的数据采集，国内的数据采集器数据测试点少，而且主要是数据采集板卡，无记忆功能，使用有很大的局限性 因此，开发高性能且价格较低的多通道数据采集器将有广阔的市场前景同时，体积小、功耗低、具有记忆功能、处理精度高、性价比高的单片机也为开发这样的数据采集器提供了可能本文正是基于此来对这种高性能多通道数据采集系统进行分析与建模在这个过程中，作者利用keil和proteus软件进行硬件设计和软件仿真，用到了51单片机、串行A/D转换器、LED显示、非易失存储器、监控芯片（watchdog）使这种新型多通道数据采集器能实现大量数据测试点数据采集、丰富显示功能、存储记忆功能、较强抗干扰能力多路开关MUX传感器传感器传感器基于单片机的多通道数据采集器基本构成形式如图1所示A/D放大器单片机LED存储通信 图1： 多通道数据采集器基本构成Figur 1：Multi-channel Data Acquisition Basic Components图中各个传感器通道都有各自独立的保持器，但公用一个A/D转化器，通过多路开关MUX对各路信号分时进行A/D转换。

这种结构虽然由于只使用了一个A/D转换器，采集速度会稍微减慢，但不影响多路数据采集功能的实现还节约了成本在本系统中，作者选择了proteus中的模拟信号发生器产生的虚拟模拟信号来模拟传感器采集的信号，作为被测对象信号来进行这种多通道数据采集系统的分析、建模和仿真1.2数据采集系统简介 数据采集系统在工业现场和科学研究领域广泛应用它可以对生产和科研过程中的参数进行采集、监控和记录，是控制系统构成的一个基本环节它将温度、压力、流量、速度、位移、光强度、声音等物理量通过传感器转换为相应模拟电信号，经过A/D转换器转换成数字信号送单片机处理、存储、传输、显示数据采集器一般由数据采集部分(滤波、放大、采样、保持、转换部分)和数据处理传输部分(微机及接口部分)，有单通道和多通道以及低速与高速之分为满足工业多数据采集点、实时性要求，数据采集技术朝着高速、多通道方向发展1.3 系统总体设计 多通道数据采集系统包括硬件系统和软件系统硬件系统由模拟信号发生器、51单片机、A/D转换器、LED显示等组成软件系统包括主程序、监控子程序、定时中断子程序等组成只有硬件系统和软件系统协调配合才能组成高性能的数据采集系统。

硬件系统要考虑软件系统的实际实现，软件设计要了解硬件系统工作原理 系统设计过程包括硬件设计、软件设计、系统抗干扰设计、仿真调试四部分2 硬件系统分析与设计2.1 硬件系统总体设计 硬件系统以单片机为核心，外接电路包括时钟电路、A/D转换器、非易失存储器、键盘控制电路、RS232通信、显示驱动芯片以及电源电路等组成其结构图如图2传感器 单 片 机时钟电路显示驱动调理电路A/D转换数码显示键盘控制存储器复位电路电源RS232 图2 硬件系统组成框图Figur 2 Hardware System Block Diagram硬件电路设计应考虑软件设计，能软件实现的可由软件实现，只有在高实时性要求时才硬件实现外接电路较多时要考虑单片机驱动能力同时兼顾可靠性和抗干扰能力系统芯片和器件的选择应考虑货源是否充足、具有较高性价比、选择熟悉的系列型号利于缩短开发周期2.2 硬件系统2.2.1 单片机芯片 采用ATMEL公司的AT89C52，AT89C52是低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

与传统的8051单片机相比，AT89C52具有8kb字节的Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路支持两种软件可选的节电工作模式空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通行口及中断操作掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位2.2.2 A/D转换器被测对象的状态测试一般都离不开传感器、A/D转换器传感器将非电模拟信号转化成电量（电流或电压），经过A/D转换后送单片机若传感器输出的信号为大信号的模拟电压，能直接满足A/D转换输入要求，则可直接送入A/D转换若为小信号的模拟电压，则应先将该信号电压放大到满足A/D转换的要求若传感器输出的信号为电流信号则应先进行I/V转换为电压信号，一般的I/V转换采用一个精密电阻A/D转换的主要技术指标：量化误差，分辨率，转换精度，转换时间和速度A/D转换器主要的选择原则：根据允许的误差范围选择A/D转换的精度和分辨率，根据信号对象的变化率选择A/D转换的速度，根据计算机接口特征选择A/D转化器的输出状态。

本系统为多通道数据采集系统，选择ADC0809转换芯片已能满足大多工业现场需要ADC0809是8通道8位逐次逼近型A/D转换器，典型时钟频率为640KHz,每通道转换时间约为100us；时钟频率越高，转换速度越快，允许最大时钟频率为1280KHz，功耗为15mWADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3所示图3 ADC0809引脚图Figur 3 ADC0809 pin其中，通过ADD A、ADD B、ADD C三根地址线选通8路模拟输入中的一路此三位000到111的组合，分别选择IN0到IN7ALE为地址锁存允许信号，START为A/D转换启动信号，EOC为A/D转换结束信号、输出，OE为数据输出允许信号、输出V（REF）为参考电压，VCC为+5V电源在与单片机的连接中用到了74LS373芯片、74LS04芯片等接线图如图4所示图4 A/D转换接线图Figue 4 A / D Converter Wiring Diagram2.2.3 LED显示电路LED显示器的显示方式有静态和动态两种在静态显示中，各个字段连续通过电流，而动态显示的字段是断续通过电流的在动态显示中，逐次把所需显示的字符显示出来；在每点亮一个数码管之后，必须持续通电一段时间，使之发光稳定，然后再点亮另一个显示器，如此巡回扫描所有的显示器。

虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但人的视觉为每个显示器都在稳定的显示 在本多通道数据采集系统中，采用7SEG-MPX6-CC显示器动态扫描显示既简化了电路也降低了成本在设计动态显示硬件电路时，不需要加限流电阻，可以将单片机输出端码的I/O直接接到LED的8个发光二极管的各个引出脚7SEG-MPX6-CC芯片是6个共阴极数码管合一的，引脚123456表示选择的数码管供电的管脚，abcdefg dp是数码管的段码输入该芯片引脚如图5所示增加一个74LS245芯片为LED数码管的驱动，单片机的P1口为LED的段码输出口，P3.0到P3.6分别是LED的为位码输出口图5 7SEG-MPX6-CC引脚Figur 5 7SEG-MPX-CC pin2.2.4时钟电路 AT89C52单片机芯片内部设有一个反向放大器所构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部或者外部产生，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元器件，内部振荡电路就会产生自激振荡本系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路晶振频率选择为12MHz，C1、C2的电容值为30pF，电容的大小可起到频率微调的作用。