基于80C51单片机的通用数据采集与处理系统.pdf

扔掘2 0 0 8 年第4 期总第3 5 卷机电一体化4 9 基于8 0 C 51 单片机的通用数据采集与处理系统陈延奎(迭州职业技术学院。四川遮州6 3 5 0 0 0)麓要：数据采集是单片机应甩系统中最为善连的应用需求，数据采集的对象可以是温度、压力、浇量等连续变化的模拟量。也可以是代表某些状态特性的开关量等脉冲信号。数据采纂和处理系统可以是复杂控制系统的一部分，也可以是配备卫示(或打印)输出的独立系统(成仪表)。介绍了一种基于8 0(2 5 1 单片机的通用数据采集与处理系统，其模拟输入通道由传感器、多路开关、放大器、采样保持器和A D 转换器五部分组成。关键诃：8 0 C 5 1；数据采集与建理；模拟输入通道；系统功能；爰件电蓐；流程图中图分类号：T P 2 7 4+2文献标识码：A文章编号：1 0 0 6 0 3 1 6(2 0 0 8)0 4 0 0 4 9 0 4G e n e r a ld a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do n8 0 C 5 1m i c r o c o n t r o l l e rC H E NY a h k u i(D a z h o uV o c a t i o n a lT e c h n i c a lC o H e g e，D a z h o u6 3 5 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：D a t aa c q u i s i t i o ni st h em o s tc o m m o na p p l i c a t i o nn e e d so fm i c r o c o n t r o l l e r,t h ed a t aa c q u i s i t i o no b j e c tm a yb et h es i m u l a t i o nq u a n t i t ys u c ha st e m p e r a t u r e，p r e s s u r e，c u r r e n tc a p a c i t ya n dS Oo nw h i c hc h a n g ec o n t i n u o u s l y a l s om a yb cr e p r e s e n t ss o m ec e r t a i nc o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i cs u c ha ss w i m hq u a n t i t ys i g n a li m p u l s e sa n dS Oo n T h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt h ep r o c e s s i n gs y s t e mm a yb eap l u r a l i t yo fc o n t r o l ss y s t e m Sp a r t m a ya l s ob ep r o v i d e st h ei n d e p e n d e n ts y s t e mw h i c ht h ed e m o n s t r a t i o n(e i t h e rp r i n t i n g)o u t p u t s(o rm e a s u r i n ga p p l i a n c e)I n t r o d u c eac o n v e n t i o n a ld a t ag a t h e n n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do n8 0 C 51m i c r o c o n t r o l l e r,i t sa n a l o gi n p u tc h a n n e li sc o m p o s e db yt h es e n s o r,t h em u M-c h a n n e ls w i s h e s，t h ea m p l i f i e r,t h es a m p l i n gr e t a i n e ra n dt h eA Ds w i m h K e yw o r d s：8 0 C 51；d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g；a n a l o gi n p u tc h a n n e l s；s y s t e mf u n c t i o n s；h a r d w a r ec i r c u i t s；f l o w c h a r t单片机通用数据采集和处理系统是单片机应用领域中使用最多的一类系统。它主要是实时采集外界诸如温度、压力、流量和转速等连续变化的模拟量，通过模数转换器把这些模拟信号转换成数字信号送入单片机；也可以直接采集代表某些状态特性的开关量，单片机系统对这些采集信号进行数据处理，并根据用户的要求，将处理后的数据送显示、打印，也可通过串行口送给其它计算机，或者通过数膜转换器变换成模拟信号控制外部设备，输出的开关量也可直接用于控制目的。l 模拟输入通道的组成模拟输入通道的一般构成如图l 所示，主要由传感器、多路开关、放大器、采样保持器和A D 转换器五部分组成。传感器多路开关放大器采样保持器一一舡A D一厂转换一厂器一厂。图I 模拟输入通道的一般构成(I)传感器传感器把被测物理量(如温度、压力等)作为输入参数，转换为电量(电流、电压、电阻等)输出。物理量性质和测量范围不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号(已有许多新型传感器采用数字量输出)。当信号的数值符合A D 转换器的输入等级时，可以不用收稿日期：2 0 0 7-0 8 1 2作者简介：陈延奎(1 9 7 1 一)，四川渠县人，主要研究方向为仪器仪表技术。万方数据5 0 机电一体化柳芴2 0 0 8 年第4 期总第3 5 卷放大器放大；当信号的数值不符合A D 转换器的输入等级时，则需放大器放大。(2)多路开关多路开关的作用是可以利用个A D 转换器进行多路模拟量的转换。利用多路开关轮流切换各被测回路与A D 转换器间的通路，以达到分时享用A D 转换器的目的。(3)放大器放大器通常采用集成运算放大器。在环境条件较差时，可以采用数据放大器(也称为精密测量放大器)或传感器接口专用模块。(4)采样保持器采样保持器具有采样和保持两个状态。在采样状态时，电路的输出跟随输入模拟信号变化；在保持状态时，电路的输出保持前一次采样结束前瞬间的模拟量值。使用采样保持器的目的是使A D 转换器转换期间输入的模拟量数值不变，从而提高A D转换的精度。(5)A D 转换器A D 转换器的主要指标是分辨率，它与A D 转换器位数有直接关系；另一重要指标是转换时间。选择A D 转换器必须满足分辨率和速度的要求。2 系统的主要功能(1)可实现1 1 6 通道单端模拟信号输入或1 勰通道差分信号输入；(2)输入电压为1 0 一1 0 V，分辨率为1 2 位；(3)双通道8 位模拟量输出；(4)8 路开关量输入；(5)8 路开关量输出；(6)全双工的串行接口，可与其它计算机通信或与具有串口的外部设备连接；(7)配置有8k 的外部程序存储器和8k 的外部数据存储器。3 硬件电路基本系统配置电路图如图2 所示。电路中主要有外部存储器扩展电路、模数转换电路、开关量输入输出电路、并行口扩展电路。(1)外部存储器扩展电路8 0 C 5 1 内部只有1 2 8B 的R A M 和4 k B 的R O M，为保证系统在实际应用中能够存储和处理大量数据，具有更广泛的通用性，进行R A M 和R O M 外部扩充。根据系统的要求，R A M 采用容量为8k B 的静态存储器芯片6 2 6 4；R O M 则采用容量为8k B 的E 2 P R O M2 8 6 4 A。2 8 6 4 A 与同容量的6 2 6 4 兼容，扩展电路基本相同。当然，根据选择的8 0 C 5 1 系列中型号的不同和实际应用的需要，可以选择扩展其它种类的R O M，如F l a s hR O M。单片机的地址分离与锁存使用锁存型芯片7 4 L S 3 7 3。外部存储器扩展电路如图3 所示。蚍锁存尚尚行I O 口糕b_ J A O U T l弼嚣图2 通用数据采集和处理系统配置电路图P 0 0 一IA L E，P R4 L S1 3 87 4 L$3 7：【Q 8 QI D 8 DA 1 2盖8C EO E2 口A 7D O D jA 1 2k 8C tEO E2 8 6 4,dO A 7D 0 D 图3 外部存储器扩展电路图(2)模数转换电路模数转换由A D 5 7 4 A 完成。A D 5 7 4 A 是美国模拟器件公司生产的1 2 位逐次逼近式A D 转换芯片，配有三态输出缓冲电路，可不附加逻辑接口电路而直接与各种8 位、1 6 位C P U 接口；含高精度参考电压源和时钟电路，可在不需任何外部电路和时钟信号的情况下完成A D 转换，转换时间为3 5 邮。各通道的模拟信号经过差分电路和采样保持电路输入到A D 5 7 4 A 的模拟信号输入端，差分电路和采样保持器是为了保证系统的抗干扰能力及模数咖蝴咄叱舡”瑚隧蹶雕鄙=钉鼎Pl i万方数据柳笏2 0 0 8 年第4 期总第3 5 卷机电一体化5 1 转换的精度。采样保持器可选择L F 3 9 8 或A D 5 8 2，这里选择L F 3 9 8。常用多路开关有c D 4 5 0 1，C D 4 5 0 2和A D 7 5 0 1 A D 7 5 0 2 等，本系统中采用两片A D 7 5 0 1组成1 6 路模拟输入通道。A D 转换电路如图4 所示。P S E N(R D)P 3 7(W R)P 3 6存D B 7逻辑门7 4 L S 0 8、7 4 L S 0 0、7 4 L S 3 2 与7 4 L S 0 4等构成系统的读写控制电路，特点是将分别由P S E N信号控制的程序存储空间和由R D、W R 信号控制的数据存储空间组合为个统一编码的存储空间。V O L G I C 2 0 VI N1 2 81 0 V I NC ER，CB I P O F FD B l l D B 8D B 7 D B F E 兀R E F OD B 3 _ D B OA 0C SA N A L O GD I G l A I。图4 A D 转换电路图(3)开关量输入输出电路8 路输入开关量可以通过光电隔离器件直接与8 0 C 51 的P 1 口相连。8 路输出开关量通过扩展的并行接口8 2 5 5 A 的B 通道输出。(4)并行口扩展电路8 2 5 5 是I n t c l 公司专为需要扩展I O 接口的各种微处理器设计的一种可编程I O 扩展芯片，具有使用方便、通用性强的特点，成为单片机与外部设备联接时所选用的中间接口芯片，在单片机系统中应用广泛。其与8 0 C 5 1 单片机的接口电路如图5 所示。图58(1(2 5 1 与8 2 5 5 A 接口电路图4 程序设计系统软件包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制等一系列子程序。这里主要介绍主程序和采样保持L F 3 9 8模拟开关o U f 5 0 lO U T模拟开关7 5 0 lA 1 0=A 1 7一A 1 8A I l 5模数转换子程序。主程序流程图和定时器0 中断服务程序流程图如图6 所示。圃(a)主程序(b)定时器0 中断服务子程序图6 程序流程图(下转第5 4 页)恐抄忿淼B 一写驻M|l 鬣眺mH 心m吣川跳鐾I一变一一一一一一一卤幽万方数据5 4 机电一体化扔旃2 0 0 8 年第4 期总第3 5 卷的R S 4 8 5 电路：通过R S 2 3 2 R S 4 8 5 转换电路将P c 机串E lR S 2 3 2 信号转换成R S 4 8 5 信号；通过P C I 多串口卡，即直接选用输出信号为R S 4 8 5 类型的扩展卡。在该系统中采用第一种方法，其通信结构如图4 所示。图4 R S 4 8 5 通信结构图在该采集系统中，使用7 5 L B C l 8 4 接口芯片。该芯片内A、B 引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，可承受峰值为4 0 0W(典型值)的过压瞬变，故能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。在环境较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需外加保护元件。该芯片还有个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，其输入阻抗为R S 4 8 5 标准输入阻抗的2 倍(I 2 4k Q)，故可在总线上连接6 4 个收发器【2】。在该系统中，单片机处理后的信号，经过7 5 L B C l 8 4 与外围电路形成的R S 2 3 2 R S 4 8 5 电平转换器电路，传到远方的P C机进行实时监控。具体实现电路如图5 所示。图5 通信接口电路3 系统软件设计在A T 8 9 C 5 5 W D 单片机系统硬件设计基础上，必须要有相应的软件配合，才能完成所需的功能，达到数据采集的目的。本系统采用K e i l 公司V 7 0的C 5 1 编译器，能很好地与I N T E L 公司的M A S M 5 1宏汇编兼容，支持模块化编程，可方便地与高级语言接口。其程序框图如图6 所示。4 结束语基于A T 8 9 C 5 5 W D 单片机的数据采集系统已用于某大型柴油机厂的柴油机监控系统中，目前运行状态良好，其主要特点是系统稳定性好、可靠性高、数据采集速度快、操作方便、可以同时对多个对象进行监测，受到用户较好的评价。墅塑皇塑塑垡l童 待串行中断h|_ 一人N：看中断、面南问中断子程序l启动A，D 转换卤卤r _ l 向主机II 些鍪塑ln 新图6 单片机系统软件设计程序框图参考文献：【l】李映颖，王海军，孟祥谦串行A D 转换器T L C 2 5 4 3 与5 l 系列单片机的接口设计【J】仪表技术，2 0 0 4(1)【2】朱晓荣，周东辉一种实用的分布式数据采集和控制系统【J】电子产品世界，2 0 0 3(8)(上接第5 1 丙)系统将在定时器0 控制的采样周期内完成1 6 通道的模数转换及数据采集巡检。主程序中包含了定时器0 的初始化指令，每个通道数据转换完成后的定时器0 时间常数重装指令等。F o=0，表明主程序在等待定时器0 中断；F o=l为从定时器0 中断返回，此时，主程序将判断通道巡检是否完成，以决定程序的流向。5 结束语本文介绍了基于8 0 C 51 单片机的一种通用的数据采集和处理系统。实际应用中可根据具体情况增加其它功能，如单片机与P c 机连接以实现更高级的数据处理和控制及远程数据采集与处理。参考文献：【l】李全利单片机原理及应用技术【M】北京：高等教育出版社，2 0 0 1【2】李广弟单片机技术【M】北京：中央广播电视大学出版社，2 0 0 1【3】李全利，迟荣强单片机原理及接口技术【M】北京：高等教育出版社，2 0 0 4【4】王福瑞单片机测控系统设计大全【M】北京：航空航天大学出版社。1 9 9 8 万方数据