2022年2022年基于单片机的单通道位数据采集系统设计 .pdf

1 摘要：数据采集系统是指将温度、压力、流量、位移等工业现场的各种物理量通过传感器变为电信号，经过放大、A/D采样转化为数字量后，由单片机进行储存和显示。 数据采集系统主要由传感器、模拟信号调理电路、 数据采集电路三部分组成。本设计主要是利用单片机集成的ADC 模-数转化器直接将采集到的模拟信号转化为数字信号。 讲述了整个系统的工作流程和工作原理。将采集的数据经过放大器放大之后再进入 A/D 转换器，然后直接通过串口传送的单片机上，可以直接在LED端显示温度数据值并进行简单的数据处理。关键词：单片机；传感器；数据采集；数据储存名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 14 页 - - - - - - - - - 2 目录一、 概述 1 11 设计背景 1 12 系统性能指标 1 二、 数据采集系统综述 2 21 数据采集的意义与作用 2 2. 2 数据采集系统的结构形式 2 2. 3 数据采集系统的基本功能 3 三、 系统硬件设计 3 3. 1 系统结构图 3 3. 2 信号放大模块 3 3. 3 A/D转化模块 6 3. 4 单片机数据采集与控制模块 7 3. 5 LED 显示模块 9 四、 系统的总体电路 9 五、 系统的 PCB图 10 六、 心得与体会10 参考文献12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 14 页 - - - - - - - - - 1 一概论1.1 设计背景为了确切测量某一测试对象的各种特性数据，我们常常需要借助各种仪表和各种手段（直接测量或者遥测） 来获取各种各样的测量数据。但这些数据中通常含有大量的变化误差、 设备误差以及在传输过程中 （当采用遥测方式时） 引入的各种干扰所造成的误差等。 而且这些数据量通常都会很大， 有意义的部分和无意义的部分混杂在一起，如果不加取舍的直接应用，必然会造成极大的不便。传统靠人工控制的温度、湿度、液压等信号的测量、力控系统，外围的电路比较复杂，而且测量的精度较低， 分辨力不高， 需要进行温度校准 （非线性校准、温度补偿、传感器标定等） ；而且体积较大，使用不方便，更重要的是参数的设定是需要的有其它仪表的参与，外界设备多， 成本高，因而越来越适应不了社会的要求。在对多类型、 多通道信号同时进行检测和控制中，传统的测控系统能力有限。如何将计算机与各种设施、设备结合，简化人工操作并实现自动控制，满足社会的需求，成为一个很迫切的问题。数据采集技术是一种实用的电子技术，它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域。近年来，随着数字化技术的不断发展。 数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、 数据量更大的发展趋势。数据采集是为了对温度、压力、流量、速度、位移、光强度、声音等物理量进行在线测量和控制， 通过传感器把上述物理量转换成模拟物理量的电信号。然后将模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，送进计算机处理、 存储、传输和显示。 随着电子测量技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点， 需要利用数据采集系统将多路被测量转化为数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测量。 目前，数据采集系统正朝着集成化、单片机系统化的方向发展。 1 2 系统性能指标 对于此高速系统，具有的具体性能如下： 支持 16 位数据采集； 具有应付突发数据的接收能力； 具有应付长时间数据接收的能力；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 14 页 - - - - - - - - - 2 具有一定的抗高频干扰能力。二 数据采集系统综述2.1 数据采集的意义与作用数据采集 (DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号， 送到上位机中进行分析、 处理。本数据采集系统是结合基于单片机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集，又称数据获取， 是利用一种装置， 从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域：比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期，本实验为1MHz ）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。数据测量方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。 不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速的得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。 在科学研究中， 应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬时物理过程的有力工具。总之，不论在哪个领域中，数据采集与处理越及时， 工作效率就越高， 取得的经济效益就越大。 数据采集系统是被测对象与微机之间的通道， 因为微机只能接受数字信号， 而被测对象常常是一些非电量，所以，数据采集系统的前一环节是通过传感器感受被测对象，后一环节是将模拟信号放大转换为数字信号。 2.2 数据采集系统的结构形式数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。从硬件方面来看， 目前的数据采集系统的主要结构形式有两种，一种是微型计算机的数据采集系统，另外一种是集散型数据采集系统。 而本实验所用到的就是微型计算机俗称单片机。单片机数据采集系统是由传感器，程控放大器，采样/ 保持器， A/D 转换器，单片机以及外设等部分组成。 集散型采集控制系统是计算机网络技术的产物，它是由若干名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 14 页 - - - - - - - - - 3 个数据采集站和一台上位机以及通讯线路组成。由于涉及较复杂， 顾这里不做深究。2.3 数据采集系统的基本功能由数据采集系统的任务可以知道， 所谓数据采集就是将模拟信号转化为数字信号，并进一步予以处理、显示、储存和记录的过程。数据采集系统一般具有以下几方面的功能。数据采集与传输、模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理、数据处理、屏幕显示、数据存储、打印输出、人机联系。而本设计主要面对的就是以温度为例的模拟信号的数据采集与传输过程。三 系统硬件电路设计 3.1 系统结构图图 3.1 系统结构图如图 3.1 所示，本系统分为信号放大模块，A/D 转化模块以及单片机处理与显示模块。3.2 信号放大模块图 3.2.1 信号放大电路信号放大电路信号传入A/D 转化电路单片机显示器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 14 页 - - - - - - - - - 4 信号放大模块应该包括滤波，前级放大，隔离功能。由传感器输出的信号电压较小，并且存在干扰， 故应采用滤波器将无用杂波滤除， 并将小信号进行放大，放大到 A/D 输入电压要求范围内。 对于多个传感器， 当传感器测量不同参数的信号时，由于传感器所提供的信号变换范围很宽，故针对不同参数应采取不同的放大倍数，可以使用可编程增益放大器（PGA ） ，并由 FPGA 控制放大倍数。同时为防止后继电路干扰测量信号，应对前级电路进行隔离，可采用线性光耦来实现。集成 PGA 型号有很多，如 MicroChip 公司的 MCP6S2X 系列和 LTC公司的LTC6910系列。凌特公司（ LTC ）生产的 LTC6910系列数字控制可编程增益放大器（PGA ）单片 IC，是专门为数据采集系统（DAS ） 、动态增益变化、自动测距电路和自动增益控制等方面应用而设计的。LTC6910-3是占用 PCB空间非常小的低噪声数字控制可编程增益放大器。 他可通过 3 位数字输入来提供8 种电压增益以供选择。 Microchip Technology公司的 MCP6S21/2/6/8是模拟增益可编程运放(PGA)芯片。 该芯片的增益可设置为 +1+32,而且具有输入通道选择功能, 可通过SPI 总线选择增益水平和输入信道，以扩大微控制器的仿真输入范围，同时可减少对输入 / 输出管脚数量的需求，从而降低微控制器的成本。考虑设备成本，本系统采用MCP6S2X 系列的 MCP6S28。其引脚图如下：图 3.2.2 MCP6S28 引脚图其内部原理图如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 14 页 - - - - - - - - - 5 图 3.2.3 MCP6S28 原理图可编程调整增益操作可以通过对SPI 的编程来实现， 相应的指令寄存器格式如下：表 3.2.1 指令寄存器其中仅当 M2 、M1 、M0为 010时为写入寄存器， A0为地址指示位， 0 代表增益寄存器， 1 代表通道寄存器。表 3.2.2 增益寄存器G2G1G0 为增益倍数选择位，具体倍数如下表：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 14 页 - - - - - - - - - 6 G2G1G0 增益倍数G2G1G0 增益倍数000 1 100 8 001 2 101 10 010 4 110 16 011 5 111 32 表 3.2.3 增益倍数3.3 A/D转化模块A/D 转换电路如图 3.3.1 所示，本实验所采用的A/D 转换器为 ADS7825 。图 3.3.1 A/D转换电路ADS7825 是一种多通道高精度的模数转换器, 在芯片内部集成了采 / 保电路、时钟源、参考基准电压等 , 从而减少了芯片的外围电路。 该芯片有并行 / 串行两种数据输出模式 , 易于和微处理器接口。 ADS7825 采用双列直插和贴片式两种封装形式供选用 , 它们都符合工业使用标准 -40+85的工作温度范围。 ADS7825 无论是双列直插还是贴片式封装都有28 个引脚。但是 D0 D7这 8 个引脚 , 在并行或串行不同的数据输出模式下, 其引脚定义不同。在并行数据输出模式下 ,D0D7定义为数据线 , 可以一次读取 8 位数据。而在本实验中，所使用的是串行数据输名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 14 页 - - - - - - - - - 7 出 D5 D7为高阻状态 ,D0D4则是为串行数据输出而定义的各种功能。有同步脉冲、内部外部时钟源选择端、 时钟源、串行数据输出端以及串行数据输出标识等。各引脚如图 3.3.1 所示：图 3.3.2 ADS7825 的引脚图ADS7825 可以再连续和间歇两种数据转化模式下工作。由管脚CONTC 决定选择哪种模式工作， CUNTC=1 时，选择连续转换模式，当CS 、SR/和 PWRD 端均为低电平时， AD转换和读数将在AIN0AIN3四个输入通道间连续循环进行。由于本设计只需要单通道，故只需要使用AIN0 口，故置 A0，A1均为 0。 3.4 单片机数据采集与控制模块由于本设计为单通道16位的数据采集系统， 故这里选用了 MCS-96系列单片机 8096。单片机电路如图3.4.1 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 14 页 - - - - - - - - - 8 图 3.4.1 单片机数据采集与控制与控制电路8096CPU 是由寄存器、算术逻辑单元RALU 、寄存器阵列、指令寄存器、控制单元、地址译码寄存器等部分组成。其最大特点是RALU 直接对 232 字节寄存器阵列及专用寄存器进行各种算术逻辑操作，而没有采用常规的累加器结构。 从而加速了数据的处理能力提高了CPU 的吞吐能力。同时由于可通过专用寄存器来直接控制 I/O 口，加速了 I/O 过程。MCS-96系列单片机的主要特点包括以下几个方面：（1）16 位 CPU 具有高速处理能力。没有累加器，采用寄存器寄存器结构，具有 232字节的寄存器阵列。（2）具有高效的指令系统，大大提高了编程效率。（3）4/8 通道的 10 位 A/D 转换器（4）脉宽调制 PWM 输出装置（5）全双工的串行口，并有专门的波特率发生器（6）高速的 I/O 系统（7）5 个 8 位的 I/O 端口（8）可编程的 8 个优先级中断源（9）16 位监视定时器（10）可动态配置的总线（11）ROM/EPROM的内容可加密（12）2 个 16 位的定时器 / 计数器、 4 个 16位的软件定时器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 14 页 - - - - - - - - - 9 MCS-96系列单片机与 MCS-51系列单片机相比较而言，软、硬件资源远比较丰富 CPU采用寄存器寄存器结构， 提高了操作速度和数据吞吐能力，具有更快的运算速度。更多的外围子系统，更高效的指令系统。在89C196KC 以后的芯片中，增加了一个外设事务服务器PTS ，专门用于处理外设中断事务，大大减少了CPU 的软件开销。 3.5 LED 显示模块如图 3.5.1 所示，本实验采用了LED并联显示。图 3.5.1 LED显示模块将 LED模块与单片机并联，接受单片机送达的信号，加以显示。四 系统的总体电路如图 4.1 所示，本实验的总体电路图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 14 页 - - - - - - - - - 10 图 4.1 系统的总体电路五 系统的 PCB图如图 5.1 所示，为整个系统的PCB 图。图 5.1 系统的 PCB图六 心得与体会经过 N周的奋战，我的课设命题终于完成了。在本次课程设计中，在没有做名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 14 页 - - - - - - - - - 11 课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。凭借着张云老师的单片机原理与应用、吴芝路老师的指导以及参加了于启月老师的创新研修课，使我对这次的课题有了比较的了解。 通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多， 以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂， 有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习， 努力提高自己知识和综合素质。 知识必须通过应用才能实现其价值， 有些东西以为学会了， 但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量， 听听不同的看法有助于我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。在此要感谢我们的指导老师吴芝路老师对我们悉心的指导，感谢老师们给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向学长请教等方式， 使自己学到了不少知识， 也经历了一些艰辛， 但收获也很巨大。在整个设计中我了解了有关16 位单片机以及数据采集系统的相关知识，也实际应用了一回自己所学过的单片机知识，这次课程设计培养了我独立工作的能力，也树立了我对自己工作能力的信心，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦， 相信它会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。虽然这个设计做的比较简陋， 电路设计中也有很多漏洞， 在使用 Proteus 进行仿真时候多数是失败的， 而且仅绘制了电路图和PCB图，并没有实际制板调试， 也不清楚自己所做系统的稳定性， 但是在设计过程中所学到的研究的思想是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 14 页 - - - - - - - - - 12 参考文献1 王正光，周忠英 . 数据采集与处理 M ，北京：国防工业出版， 1985.09,1-2 2 朱芳. 基于单片机的数据采集系统设计J, 重庆科技学院学报 ( 自然科学版), 2009年 4 月第 11 卷第 2 期3 郭虹. 数据采集与处理 M ，北京：航空工业出版社，1999.03，1-4 4 邵钟武 . 数据采集系统 M ，山东：石油大学出版社，1998.01，2-3 5 赵怀林 . 微机在数据采集和误差处理中的应用J. 电测与仪表， 995.06 6 刘焰. 基于单片机多路数据采集系统J ，福建电脑， 2008年第 11 期7 冯平，刘志英，白燕. 一种基于单片机的数据采集系统设计J ，陕西天文台台刊， 2001年 6 月第 24卷第 1 期8 王珂. 基于 RS-232的 8 位数据采集系统 D ，成都电子机械高等专科学校，2007.6 9 马明建 . 数据采集与处理技术 M ，西安：西安交通大学出版社，1998.09，2-3 10 马明建 . 数据采集与处理技术2 版M ，西安：西安交通大学出版社，2005.09，4-6 11 黄贤武，郑筱霞 . 传感器原理与应用 M ，西安：西安电子科技大学出版社，1995.05，94-96 12 宋文绪 , 杨帆. 传感器与检测技术 M, 北京：高等教育出版社，2003.08，49-52 13 黄军辉 . 单片机原理与应用 M, 北京：人民邮电出版社，2008.02，15-16 14 张培仁 . 十六位单片微处理器原理及应用M ，北京：清华大学出版社，2005.04，11-12 15 潘永雄 . 新编单片机原理与应用 M ，西安：西安电子科技大学出版社，2008.01，243-262 16 朱清慧 .Proteus 教程-电子线路设计、制版与仿真（第二版）M ，北京：清华大学出版社， 2011.06 17 宋戈.51 单片机应用开发范例大全M ，北京：人民邮电出版社，2011.02 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 14 页 - - - - - - - - -