2022年单片机的数据采集系统设计 .pdf

1 工业生产过程中常常需要对温度、湿度、压力、流量等各种工艺参数随时进行检测和监控，同时还要将检测到的数据及时传递给上位机，以实现对参数的随机查询，对信息的存储与处理， 及时调整控制方案， 提高生产效率和产品质量。 为此，笔者以 89C51单片机作为主控制器设计了一种简单易行的远程数据采集系统。1系统硬件电路的设计远程数据采集系统框图，由两部分组成：一是基于89C51 实现的现场数据采集电路，二是 PC 机与 89C51 之间的远程通讯电路。1189C51 数据采集系统数据采集系统的硬件原理如图1 所示。该系统选用 89C51 单片机作为主控制器，此芯片与8051完全兼容，且内部带有 4 KB 闪速可编程、可擦除PEROM，工作时钟可高达24 MHz。MAX691 主要用来实现掉电保护， 同时起到 “ 看门狗 ” 的作用。系统电源突然断电时， MAX691PF0 端及时向 89C51INT0 申请中断，保护采集的数据不丢失。若软件执行中出现故障， 89C51P3 2 经一定时间间隔没有脉冲输出时，MAX691将起“ 看门狗 ” 的作用，使 RST 复位有效，重新启动系统。数据存储器 6116 主要作为数据传输的缓冲，显示电路由8155 完成， PA 口作键盘输入， PB 口作字形显示， PC 口作控制线用。 8155内部 256 BRAM 用于存放 8 通道采集到的原始数据。数据采集与转换由12位 AD 转换器 ICL7109 来完成。7109 是高精度、低噪声、 低漂移的双积分模数转换器， 其内部带 14 位锁存器和 14位三态输出寄存器，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 2 具有较强的接口处理能力。设定7109 为直接接口方式。这种工作方式下，7109可连续进行数据的转换，转换结束时由STATUS 发出转换结束信号送至单片机INT0 请求中断。 89C51 将转换后的数据分两次先低8 位后高 4 位读取。为了实现对 8 个通道的参数测量， 同时尽量降低成本， 简化系统配置， 设计了利用模拟多路开关 CD4051 进行通道的切换，共用一片7109 由 89C51 控制，分时完成所有通道的采样与转换。12远程通讯电路由于是远程数据采集系统，对数据传输的距离提出了较高的要求。PC机与单片机 232C 串行口直接相连，传输距离只有十几米，无法满足系统要求。为此采用了一个 RS232C到 RS422A 的转换装置，PC机与 89C51间接相连，以 RS422A方式进行通讯，大大增加了传输距离。PC机与 89C51串行通讯电路框图如图2 所示。RS422A 是一种以平衡方式传输的标准，可双端发送、双端接收。发送端和接收端分别采用平衡发送及差动接收。通过前者把逻辑电平变成电位差，完成始端信息传送；通过后者把电位差变成逻辑电平， 完成终端信息接收。 并且 RS422A采用双线传输，大大提高了抗干扰能力。最大传输速率可达10 Mbs（传输距离 15 m 时），传输速率降至 90 kbs 时，最大传输距离可达1200 m，这能充分满足系统的 “ 远程” 要求。2软件设计软件设计采用模块化程序设计方法，按功能分为 4个模块，其中数据通信模块又分为单片机串行通信程序和PC 机通信程序，除与PC 机通信程序使用 VC编程，其余均采用汇编语言编制。21主程序模块主程序主要完成对系统硬件电路的初始化，设置堆栈指针、串行口、T0、T1 工作方式、 8155 显示指示符，扫描键盘获取键值并进行散转处理。主程序模块负责管理和调用各子模块。22数据采集模块该模块完成对数据的采集及处理，中间调用了数字滤波子程序、 数据转换子程序、字形转换及显示子程序等。系统数据采样模块框图如图3 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 3 系统上电即执行初始化程序。 当操作员按下采样键时执行数据采样模块。从0007 通道间隔每秒采集每个通道的5 个值，调用滤波子程序得到准确值，再通过数据转换子程序分别送到6116 数据区及 8155RAM 区，通过字形显示子程序显示各通道检测的数据。每采集完一个周期后，89C51单片机通过MAX232接口 PC 机查询有无通信命令，有则响应，无则继续采集数据。该程序一直按框图流程循环执行，直至意外掉电或强迫复位后，才能终止数据采集。23故障诊断模块数据采集过程中， 若出现故障会直接影响采样结果，所得到的错误数据不允许存档，并应该记录故障原因及持续时间。故障诊断模块主要是89C51 外围芯片 MAX691 的电源监控以及掉电保护电路检测到硬件故障后向单片机发出中断请求 INT0 所执行的外部中断服务子程序。该程序主要功能是在累加数据保存完毕后，置位 89C51内部的特殊功能寄存器PCON 中的 PD，使 RAM 进入掉电模式，保护数据不变， 同时显示故障类型和发生的时间。若为软件死循环引起的故障，则 MAX691 的“ 看门狗 ” 电路自动使程序跳出陷阱，强迫系统复位。24数据通信模块分单片机通信程序和PC 机通信程序。241单片机通信程序流程图如图 4 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 4 242Win98 下 PC机与 89C51通信程序通讯程序编写中首先在项目头文件中嵌入MSComm 控件的头文件MSCommh 及实现文件 MSCommcpp，其次，为了用该控件控制一个串口的通讯操作，还必须在相应程序中插入该控件。为此，设计在某对话框中插入MSComm 控件，其 ID 为 IDCMSComm1，并利用 ClassWizard 为其添加变量CCMSComm mCom1，通讯程序中对串口的所有操作都可以通过mCom1 来实现。89C51通过中断方式采集和传递数据。当其数据缓冲区满时，向CPU 发出中断申请， 若 CPU 响应并经与 PC 机握手后便可发送数据。 因此 PC 机采用查询的通讯方式。 设计中将 PC 机串口每接收一帧数据设置成串口要响应的事件EVRXFLAG 事件，通过此事件激活消息处理函数OnComm（），在 OnComm（）中加入处理代码，判断是否是所需的数据，再作出相应的显示、存盘等处理。下面简要给出用事件驱动方式接收89C51 单片机发送数据的程序源代码。通讯时 PC 机串口与 89C51 串口参数的设置必须一致，否则两者无法进行通讯。设置 PC 机串口参数的初始化程序如下：If（！mCom1getportOpen （）mCom1SetPortOpen （TRUE）；打开串口mCom1SetSettings （9600，n，11，1）；串口参数设置mCom1InputMode（1）；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 5 建立 1024字节输入队列SetCommEvent （mCom1，EVRXFLAG ）；设置串口要响应的事件EVRXFLAGmCom1SetRThreshold （200）；每接收 200 帧激活 OnComm（）事件3结束语本文通过 PC 机与 89C51 单片机组成一简单的多机系统， 通过串行通信实现了远程数据采集系统的基本功能。在硬件连接上，为提高传输距离，采用了RS 232CRS422A 转换电路， 以差分传输、 差分接受的形式解决了这一问题。在软件编制上， 采用流行的 VC60 下的 Active X 控件，通过对控件相关属性及代码的编写，实现了 Windows 98 环境下 PC 机与 89C51 单片机的远程通信。该方法也可以用于类似的工业场合中。参考文献1何立民单片机应用系统设计北京：航空航天大学出版社，1998 2赵仕健 VC60 编程与实例解析北京：科学出版社，2000 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -