基于单片机的数据采集系统ad转换通道设计(编辑修改稿)

基于单片机的数据采集系统ad转换通道设计(编辑修改稿)内容摘要：

................... 24 模拟开关电路 4067 的工作原理 ............................................................ 26 MAX187 的硬件设计 .............................................................................. 27 MAX187 工作过程 ....................................................................... 27 5 模拟量输入系统的软件设计 .............................................................................. 29 简介 KeilUvision2 ................................................................................... 29 数据采集的程序 ...................................................................................... 35 MAX187 的 A/D 转换子程序 ................................................................. 38 结 论 ..................................................................................................................... 40 致 谢 ..................................................................................................................... 41 参考文献 ................................................................................................................. 42 北京交通大学毕业设计 1 1 绪论 研究背景及其目的意义 近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。 数据采集系统起始于 20 世纪 50 年 代， 1956 年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。 由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。 大概在 60 年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。 20 世纪 70 年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表、计算机溶为一体的数据采集系统。 由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统， 因而获得了惊人的发展。 从 70 年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。 20 世纪 80 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。 该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。 这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。 第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。 20 世纪 80 年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大 规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 20 世纪 90 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。 由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（ DAS）。 数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。 该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统北京交通大学毕业设计 2 编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。 尽管现在以 微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。 相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。 这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到 了广泛的应用。 国内外研究现状 数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。 它起始于 20 世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。 各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。 我国的数字地震观测系统主要采用 TDE124C型 TDE224C型地震数据采集系统。 近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、 兼容性更强、低功耗可靠性的 TDE324C 型地震数据采集系统。 该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至 A/D 数字化， A/D 采用同时采样，采样数据经 DSP 数字滤波处理后，变成数字地震信号。 该数据采集系统具备 24 位 A/D 转化位数，采样率有 50HZ、100HZ、 200HZ。 由美国 PASCO 公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由 3 部分组成：（ 1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（ 2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最 高为 25 万次 /S；（ 3）软件：中文及英文的应用软件。 受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。 如爱尔兰 ACRA 公司 2020 年研发推出的新一代 KAM500 机载数据采集系统到了2020 年。 本系统采用 16 位（ A/D）模拟数字变换，总采样率达 500K/S，同步时间北京交通大学毕业设计 3 为 +/250ns，可以利用方式组成高达 1000 通道的大容量的分布式采集系统。 该课题研究的主要内容 数据采集技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。 它是对传感器信号的测量与处理，以 微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。 数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。 随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。 数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。 尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展，并且适于通用微机 (如 IBM PC 系列 ) 使用 的板卡级数据采集产品也已大量出现，组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内，并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响，因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点，使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。 传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持，不管采用什么样的数据存储器，它的存储容量都是有限的，所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新，这样不利于用户对数据进行整体分析，因而 也不能对生产过程的状况进行准确的把握。 本系统是一个实用的数据采集和超限报警系统，该系统以单片机 89C51 为核心，选用了同步串行通信的接口芯片，可以采集最多 16 路模拟量输入信号，并设置了 8 个开关量输出通道，对外部设备进行数据采集和超限报警处理。 这里，主要包括 数据采集系统中的数据采集子系统的设计 ，应用多路模拟开关 4067 和 A/D 转换器 MAX187。 多路模拟开关 4067 是一个 16选 1 模拟开关电路，通过它可以由软件分时选通各个模拟通道的输入。 MAX187 是一个 12 位串行接口的 A/D 转换器，采用三线 SPI 总线和微 处理器通信，接口简单，精度高，功耗低。 北京交通大学毕业设计 4 2 单片机数据采集系统的总体设计 单片机应用系统的设计过程一般要包括总体方案的设计、硬件系统设计、软件系统设计、系统仿真调试和系统运行维护等几部分。 在对应用对象论证、分析的基础上，确定总体方案，合理地安排系统软件、硬件的技术要求。 硬件系统设计包括原理图设计、 PCB（印制电路板）设计、制版和组装、硬件调试等工作。 软件系统设计是根据总体方案和硬件电路，设计出实现系统功能的控制程序。 系统的测试包括功能测评、技术指标的测量、系统的优化等工作。 程序固化后，系统运行，投入正常的 工作中，开发工作完成。 单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（ CPU），随机存取数据存储器（ RAM），只读程序存储器（ ROM），输入输出电路（ I/O 口），可能还包括定时计数器，串行通信口（ SCI），显示驱动电路（ LCD 或 LED 驱动电路），脉宽调制电路 (PWM)，模拟多路转换及 A/D 转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。 这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。 总的而言单片机的特点可 以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。 单片机按内部数据通道的宽度，可分为 4 位、 8 位、 16 位及 32 位单片机。 8位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。 8 位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。 随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭， 32 位单片机应用得到了长足发展。 单片机应用系统的组成 单片机本身是综合了 CPU、储存器、 I/O 接口，定时器 /计数器等计算机基本组成的半导体芯片，而且程序可以固化在单片机芯片中，因此对于一般的应用，只需要单片机加上少量的器件就可以构成一个控制系统的硬件部分，开发出相应的支持程序就可以容易地完成应用系统的设计。 目前，单片机的发展方向就是把各种功能模块尽可能地集成，以单片机系统为目标。 但是，对于目前应用比较广北京交通大学毕业设计 5 泛的 8 位单片机来说，由于其应用方便，成本低廉，可靠性高，体积小，而且 I/O的扩展也比较容易，所以在比较复杂的控制系统中， 8 位单片机仍然得到广泛应用。 典型的单片机应用系统 除主机外，还包括有： （ 1） 前向通道 (即输入部分 )： 数字量、开关量、模拟量信号 (A/D)的输入。 （ 2）后向通道 (输出部分 )： 数字量、开关量、模拟量信号 (D/A )的输出。 （ 3）人机对话通道，即人机交互部分： 键盘、显示器、打印机、看门狗 (监视 )电路等。 图 21 所示为单片机应用系统的组成。 图 21 单片机应用系统的组成 北京交通大学毕业设计 6 单片机应用系统设计的特点：  单片机应用系统一般规模比较小。 设计开发过程要借助专用的开发器、仿真器或开发系统来进行。  单片机应用系统设 计中要综合考虑硬件、软件的组成，以达到较高性能价格比。 可以采用软件固化实现部分硬件功能，也可以采用硬件来实现某些软件的功能。  单片机应用系统要求可靠性高，特别是工作于无人值守、不间断工作的环境中，必须保证安全可靠。 要从电路设计、软件程序等加以考虑。 看门狗监视电路就是其中一种。  单片机应用系统要尽量作到低功耗、小体积。 软件程序固化在单片机内的程序存储器中。 要在专门的编程器或下载设备中完成。 单片机应用系统的设计 1) 根据市场需求 , 进行分析 , 提出本项目的任务。 2) 熟悉和了解控制对 象，确定合理可行的技术指标。 3) 确定系统功能具体实现形式 , 选择出适合该项目，能迅速开发出性能价格比高的应用系统的单片机。 4) 合理地划分硬件和软件两部分的功能要求。 5) 确定总体方案，拟定设计任务书。 按照软件工程的思想，列出各子系统的任。