基于單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計

郭琳琳

摘 要： 本論文的目的就是設(shè)計實現(xiàn)一個具有一定實用性的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文介紹了基于單片機的數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是模擬域與數(shù)字域之間必不可少的紐帶，它的存在具有非常重要的作用。數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了模塊化的設(shè)計，數(shù)據(jù)采集與通信控制采用了單片機AT89C51來實現(xiàn)，硬件部分是以單片機為核心，還包括A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊，和串行接口電路。本系統(tǒng)能夠?qū)?路模擬量，8路開關(guān)量和1路脈沖量進行數(shù)據(jù)采集。被測數(shù)據(jù)通過TLC0838進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串行口MAX232傳輸?shù)缴衔粰C，由上位機負責(zé)數(shù)據(jù)的接受、處理和顯示，并用LCD顯示器來顯示所采集的結(jié)果。對脈沖量進行采集時，通過施密特觸發(fā)器進行整形后再送入單片機。本文對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信等程序進行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 AT89C51單片機 TLC0838 MAX232

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0298-01

前言

數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。近年來，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們越來越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它的主要功能是完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、控制以及與PC機之間的通信等。在該系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，而 A/D是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，他需要考慮的指標有：分辨率、轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換誤差等等。而單片機是該系統(tǒng)的基本的微處理系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)讀取、處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗械娜蝿?wù)。本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能進行分析，設(shè)計并實現(xiàn)采用單片機為核心，擴展電源電路、復(fù)位電路、LCD接口電路等，并配有標準RS-232串行通信接口。系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需采用硬件和軟件方面的抗干擾措施。

一、系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)對8路模擬信號，8路開關(guān)信號和1路脈沖信號進行采集并處理，系統(tǒng)設(shè)計了2個按鍵，當(dāng)按鍵1按下時，系統(tǒng)開始工作，采集數(shù)據(jù)，當(dāng)按鍵2按下時，系統(tǒng)檢查是否通過RS-232連接PC機，若連接成功，則執(zhí)行傳輸命令，把所采集的數(shù)據(jù)送入PC機進行處理。

二、單片機與PC機相連結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選擇一個串行的A/D轉(zhuǎn)換芯片，可采集8路的模擬量。開關(guān)量采集可以直接用單片機的I/O，單片機還有兩個外部中斷接口，即可用來測量脈沖量的輸入，采集其輸入頻率。單片機可以通過串口與上位PC機進行通訊，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機上。PC機有非常強大的運算能力，由PC機處理采集到的數(shù)據(jù)，PC機處理數(shù)據(jù)速度快，界面友好直接，所以選擇單片機通過MAX232與PC機相連，便于方便地處理數(shù)據(jù)。

三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

主控制器是本系統(tǒng)的核心部分，它負責(zé)數(shù)據(jù)的采集及處理。在本系統(tǒng)中主控制器我選擇了單片機，單片機控制功能強，性價比優(yōu)異，體積小巧，適用于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

單片機就是單片微型計算機，單片機微型計算機的核心是微處理器MPU，與一般微型計算機所不同的是是它將微處理器，內(nèi)存，I/O接口，中斷邏輯，定時器/計數(shù)器集成在一個集成電路芯片上。

在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用了MCS-51系列：AT89C51芯片。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。

由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集8路模擬信號，選用A/D轉(zhuǎn)換器TLC0838，TLC0838是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。存全8位分辨率下，它允許任意小的模擬電壓編碼間隔。

對開關(guān)量的采集電路相對比較簡單，因為開關(guān)量的狀態(tài)只有0和1兩種，所以只要用單片機的并口就可以了，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用的是P2口，各開關(guān)通過擴展輸入口74LS244與單片機相連。開關(guān)合上時將P2口的相應(yīng)引腳送低電平，反之，開關(guān)打開時送高電平。

74LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅(qū)動器。74LS244沒有鎖存的功能。地址鎖存器就是一個暫存器，它根據(jù)控制信號的狀態(tài)，將總線上地址代碼暫存起來。

鎖存器是一個很普通的時序電路。一般的，它在時鐘上升沿或者下降沿來的時候鎖存輸入，然后產(chǎn)生輸出，在其他的時候輸出都不跟隨輸入變化，這就是所謂邊緣觸發(fā)的D觸發(fā)器。

脈沖信號是周期變化的信號，AT89C51單片機有兩個外部中斷INT0和INT1接口，利用這兩個外部中斷輸入接口，可以對脈沖量信號進行測量。脈沖量可以直接送到單片機的外部中斷接口，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用施密特觸發(fā)器進行整形后送入單片機。

利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。 當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達V-，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的。

四、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本軟件系統(tǒng)有一個主程序，七個子程序，七個子程序分別為向串口發(fā)送數(shù)據(jù)子程序、鍵盤掃描子程序、LCD數(shù)據(jù)顯示子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、開關(guān)量采集子程序、脈沖量采集子程序。

系統(tǒng)上電后首先進行自檢，檢查各功能模塊電子器件是否正常工作，檢查完畢后進行各功能模塊初始化，掃描鍵盤，當(dāng)有“按鍵1”按下時，系統(tǒng)可讀到P0口為低電平，此時系統(tǒng)開始執(zhí)行測量數(shù)據(jù)的工作，將采集到的數(shù)據(jù)儲存到特定寄存器，當(dāng)有“按鍵2”按下時，系統(tǒng)將檢查是否與上位機已經(jīng)建立連接，若連接成功則通過RS-232接口進行數(shù)據(jù)傳送。