程控放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)論文35363

1、論題程控放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)摘 要本次課題設計了一個利用程控放大技術對數(shù)據(jù)進行采集的系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號的獲取、放大、調理、變換、存儲與處理等幾個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)通過兩次采樣完成一次數(shù)據(jù)采集過程。在第一次采集（即預采樣）后，單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行檢測，確定在較小放大倍數(shù)下數(shù)據(jù)的幅值范圍，從而選擇相應的二次采樣放大倍數(shù)，并輸出到程控放大電路完成數(shù)據(jù)放大。在第二次采樣中取得精確的數(shù)據(jù)，從而完成一次數(shù)據(jù)采集。放大倍數(shù)和a/d轉換結果構成一個完整的數(shù)據(jù)。檢測得到的數(shù)據(jù)可以暫存于擴展的數(shù)據(jù)存儲器中進行簡單的處理，也可以通過串口實時傳送到上位機。系統(tǒng)的控制由簡單的人機接口完成。關鍵詞：程控 數(shù)據(jù)采集 單片

2、機 a/轉換dabstractthe main task of designed subject is to date with the technology of programmed-control amplifier. the system can used to gather coordinate, convert and preserve signals. cpu complete a sample process by two samples. in the fitrst sample, micro control unit checked received data for ch

3、osen properly amplifier, then output to programmed-control amplifier circle.in the next sample system get precise data preserved and tackled in extended data preserved temporately or communicated with pc. system control completed by simple person-machine interface.keyword: programmed-control data co

4、llect micro-control unit a/d目 錄摘 要abstract第一章 前 言1第二章 系統(tǒng)構成1第三章 硬件設計 2 3.1 可控放大濾波 2 3.1.1一般放大濾波 2 3.1.2 程控放大濾波 2 3.2 ad轉換3 3.2.1 adc0809的內部結構3 3.2.2 adc0809主要特性43.3 單片機部分 5 3.3.1 mcs51系列單片機結構53.3.2 靜態(tài)存儲器ram6264 53.4 串口通訊7 3.4.1 串行口的工作原理7 3.4.2 波特率的設定7 3.4.3 電平轉換max2328第四章 軟件設計8第五章 結語8參考文獻 9附 錄10致 謝14

5、聲 明15第一章 前 言隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各行各業(yè)都有廣泛的應用。目前，已有各種各樣高速高精度、多通道的數(shù)據(jù)采集卡問世。計算機通過卡上的模數(shù)轉換器采入數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和圖形顯示等工作。其中以單片機在控制系統(tǒng)當中的應用最為常見，而在很多控制系統(tǒng)當中，特別是在工控場合，都要對模擬量進行檢測1。設計一個完整，理想而又適用的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，對實現(xiàn)計算機的自動控制有重要的作用。對于要設計的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，我們應考慮該系統(tǒng)的實時性，準確性，通用性，同時應使性價比盡可能高。以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體現(xiàn)了采集對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系。系統(tǒng)有以下三方面的特點：一、數(shù)據(jù)采集

6、系統(tǒng)主要進行被測試對象的狀態(tài)，量值的檢測，故系統(tǒng)要與被檢測信號直接相連。因此，現(xiàn)場條件直接影響到系統(tǒng)的結構選擇；二、由于目前的傳感器多數(shù)為模擬量輸出型，也有少數(shù)的頻率量或數(shù)字量輸出型，所以對于多數(shù)系統(tǒng)對輸入模擬量需要經(jīng)過放大，變換，隔離，整形等處理，才能與微機系統(tǒng)相連；三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接與現(xiàn)場相連，是干擾信號串入的主要渠道，因此抗干擾是設計的主要環(huán)節(jié)1,3。一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均具以下幾個單元，信號發(fā)生電路單元，放大電路單元，濾波電路單元，a/d轉換單元，數(shù)據(jù)存儲處理單元，數(shù)據(jù)顯示。圖1所示是一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖，本次設計使用串口通信模式，單片機串口通過rs232與pc機連接3。在系統(tǒng)中，對于

7、拾取到的模擬小信號，一般需要前置放大，以使模擬電壓適合于a/d轉換器的電壓轉換范圍，對于不同的模擬信號必須采用不同增益的放大器，才能使a/d轉換前的信號規(guī)范化（如15v）。如果用一個固定增益的放大器對各路信號放大，則既不能兼顧各種動態(tài)范圍的信號放大，也不能滿足不同模擬信號的要求。信源放大濾波數(shù)模轉換器單片機串口通信pc機ram 圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖第二章 系統(tǒng)構成 在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，信源發(fā)出的信號經(jīng)放大濾波、a/d轉換后，由單片機將其存入存儲器，再經(jīng)d/a將其轉換后顯示所采集的數(shù)據(jù)，或者與pc機相通訊在windows下對所采集的數(shù)據(jù)進行處理2。在實際應用中，因8位a/d轉換器對弱小信號的

8、轉換存在精確度的問題，不利于對數(shù)據(jù)的準確描述，因此采用程控放大技術即由單片機來控制弱信號的放大倍數(shù)，再通過多路模擬開關來實現(xiàn)放大，即而提高了對采集信號描述的準確性，以及a/d轉換的效率。系統(tǒng)流程如圖1所示，整個系統(tǒng)分為信源，濾波，程控放大，a/d轉換，數(shù)據(jù)的接收與存儲，串行通訊等模塊。 信號 源濾波路電程控放大a/d轉換數(shù)據(jù)的接收檢測、存儲、與處理 串行通訊反饋控制pc機 圖2 系統(tǒng)整體框圖 第三章 硬件設計3.1可控放大濾波3.1.1一般放大濾波在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，a/d轉換之前需要對信號進行調節(jié)，以使達到a/d轉換芯片輸入信號的規(guī)范。信號調節(jié)的主要方式是濾波和放大。對低頻弱信號的采集，濾波電

9、路只需采用簡單的一階低通濾波電路，其截止頻率設為1000khz。而放大電路就是運用通用放大器進行兩級放大，放大倍數(shù)是一定的3。其電路圖如圖2所示： 圖3 一般放大濾波電路3.1.2程控放大濾波在數(shù)據(jù)采集的過程中，對弱小信號采集存在著一定的困難。幅值過低的信號，經(jīng)過a/d轉換后的二進制數(shù)值，有效數(shù)值位數(shù)較少，造成轉換精度過低，降低了系統(tǒng)的性能?；诖?，本次設計中采用了可控放大技術，通過軟件來控制信號的放大倍數(shù)，這樣就可以充分的得到精確的采樣和數(shù)據(jù)轉換，從而極大地提高系統(tǒng)的性能。實際的數(shù)據(jù)采集中，實時信號的幅值是難以預見的，所以必須通過程序對它進行檢測來控制開關的閉合，從而改變信號預處理部分的放大

10、倍數(shù)，盡可能地增加a/d轉換后的二進制數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。系統(tǒng)需要的程控開關有兩種方案可供選擇：其一、由單片機控制的繼電器組，理論上只需三個繼電器，即可實現(xiàn)上述功能；其二、選用芯片cd4016bc，這種芯片里有集成的多路開關，可由高低電平來控制其閉合，正好符合要求，相對繼電器具有經(jīng)濟、實用、體積小、功耗低等優(yōu)點。因此確定了第二種方案，該芯片里集成有四路開關電路，各有一個控制端，控制端高電平有效，即得到如圖3所示的原理圖。用四級放大對不同等級的小信號實現(xiàn)不同的倍數(shù)的放大，其放大倍數(shù)由單片機對數(shù)據(jù)檢測后通過程序來選擇。圖 4 程控放大電路圖在圖3中將每個運放的輸出端接入芯片cd4016bc的i/o端，

11、同時接入單片機的p1口，用以檢測信號的強弱，來決定放大倍數(shù)，將檢測結果送給cd4016bc的control端口。放大器中反相端電阻為10歐，反相端的反饋電阻分別為10歐、100歐、1k歐、10k歐，這樣根據(jù)放大器的運算法則，所以得到放大倍數(shù)為1，10，100，1000，這樣就實現(xiàn)了可控放大的目的。從分析中看到，這種可控放大在很大程度上都依靠單片機，通過軟件來實現(xiàn)，所以軟件是其核心部分，具體的設計方案在軟件設計中詳細闡述。3.2 a/d轉換在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，a/d轉換是不可缺少的一個環(huán)節(jié)，目前，a/d轉換技術得到廣泛的應用，利用a/d轉換技術制成的各種測試儀器，因其測量的結果準確而受到歡迎。在實

12、際中用的是a/d轉換器來實現(xiàn)的，常用的有adc0804，adc0809，max1177/1188等4。在本次設計中考慮到a/d轉換速率和單片機接收存儲數(shù)據(jù)速率的匹配問題，選用了的adc0809。 3.2.1 adc0809的內部結構adc0809是最常用的8位a/d轉換器。內部結構如圖4所示，從圖中可以看到，它的內部結構總體看來由四大部分構成：8位模擬多路開關，地址鎖存與譯碼器，八位a/d轉換器，三態(tài)輸出鎖存器。adc0809由單一+5v電源供電，片內帶有鎖存功能的8路模擬電子開關，可對05v8路輸入模擬量分時進行轉換，完成一次轉換約100us,輸出具有ttl三態(tài)鎖存緩沖器，可直接與mcs-5

13、1數(shù)據(jù)總線相接，通過適當?shù)耐鈬娐罚€可對05v的雙極性模擬信號進行a/d轉換。5圖5 0809內部結構3.2.2 adc0809主要特性在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，a/d轉換是不可缺少的一個環(huán)節(jié)，目前，a/d轉換技術得到廣泛的應用，利用a/d轉換技術制成的各種測試儀器，因其測量的結果準確而受到歡迎。在實際中我們用的是a/d轉換器來實現(xiàn)的，常用的有adc0804，adc0809，max1177/1188等。在本次設計中考慮到a/d轉換速率和單片機接收存儲數(shù)據(jù)速率的匹配問題，選用了經(jīng)濟實用的adc0809。分辨率為8位；總的不可調誤差為+_1/2lsb或+_1lsb；轉換時間為100us無零點和滿刻度調整

14、；單一+5v供電，帶鎖存控制邏輯；具有鎖存的三態(tài)輸出，輸出與ttl兼容；功耗為15mw。7 0809的接法比較固定，因為引腳的功能比較單一，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中也是如此，在本實驗中采用的是單路模擬量輸入，因此地址輸入端全部接地，用in0作為輸入端，d0d7作接單片機的p0口，圖5所示為設計中的硬件圖。 圖6 a/d轉換電路設計圖 3 .3單片機部分3.3.1 mcs51系列單片機結構信號經(jīng)a/d轉換后的數(shù)據(jù)須送入單片機加以處理和存儲，mcs51系列的單片機常用的有8031，8051，8052，8032，8751，at89c51，at89c52。mcs51系列單片機的其結構方塊如圖6所示，其一般特點如

15、下： * 一個8位cpu；* 一個片內振蕩器及時鐘電路；* 4kb rom程序存儲器；* 128b ram數(shù)據(jù)存儲器* 兩個16位定時器/計數(shù)器；* 可尋址64kb外部數(shù)據(jù)存儲器和64kb * 外部程序存儲器空間的控制電路； * 32條可編程全雙工串行口； * 五個中斷；* 兩個優(yōu)先級嵌套中斷結構.圖7 mcs51結構方塊圖 單片機內部雖然設置了一定的容量存儲器，但是顯然這種存儲器容量較小，遠遠滿足不了實際需要，因此從外部進行擴展，配置外部存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，我們在選擇這些存儲器時應該根據(jù)實際的需要進行擴展，以達到資源的合理利用。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)ram和動態(tài)ram兩種在本

16、次設計中選用的是最常用的8051，共有四個i/o端口，為p0，p1，p2，p3，都是雙向的，且每個口都具有鎖存器，每個口都有8條線。內部自帶存儲功能，其存儲器包括：（1） 內部數(shù)據(jù)存儲器（ram）：8051為128字節(jié)，8052為256字節(jié)。（2） 內部程序存儲器（rom）：8051為4kb，8052為8kb。（3） 外部擴充程序存儲器（rom）：最大可擴充至64kb（含內部rom）。（4） 外部擴充數(shù)據(jù)存儲器（rom）：最大可擴充至64kb（不含內部ram）。這里遇到的問題就是存儲器的擴展問題，單片機內部雖然設置了一定的容量存儲器，但是顯然這種存儲器容量較小，遠遠滿足不了實際需要，因此從外部

17、進行擴展，配置外部存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，我們在選擇這些存儲器時應該根據(jù)實際的需要進行擴展，以達到資源的合理利用8 。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)ram和動態(tài)ram兩種。在本系統(tǒng)中，用6264即8k×8的靜態(tài)外部數(shù)據(jù)存儲器進行擴展，以便我們對采集數(shù)據(jù)的存儲和處理。在擴展存儲器時除了將單片機的地址和存儲器的相映地址端相接外，就是片選端的接法，存儲器必須實現(xiàn)的是兩種功能，一方面對接收的數(shù)據(jù)進行寫操作；另一方面要求單片機能讀取其中的數(shù)據(jù)，所以存儲器的輸出端d0d7和單片機的p0口連接，這樣存儲器的擴展就完成了，其電路圖如圖7所示：圖8 單片機電路圖3.4串口通訊3.4.1串行通訊概述

18、微型計算機系統(tǒng)中，主機與外部的基本通訊方式有兩種：并行通訊數(shù)據(jù)的所有位同時傳輸；串行傳輸數(shù)據(jù)的各位一位一位的傳輸。在單片機內部或與極近距離的外部一般都采用并行傳輸方式，其特點是傳輸速度快，效率高，但須多根傳輸線。在與外部距離較遠的數(shù)據(jù)傳輸時多采用串行通訊，其特點是只須一對傳輸線，大大節(jié)省傳輸線及有關設備，成本低，但傳輸速度慢，效率低8。串行通信的應用已經(jīng)非常普遍，從傳輸方式上有遠距離有線傳輸、短距離有線傳輸、遠距離無線傳輸、短距離無線傳輸。用單片機也可實現(xiàn)串行通信，at89c51的串行口是全雙工的uart，它可同時發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，是使用特殊寄存器的sbuf寄存器及scon串行控制寄存器7。3.

19、4.2串行口結構簡介mcs51系列單片機的串行口結構如圖11。 由圖可見它主要由兩個數(shù)據(jù)緩沖器sbuf和一個輸入移位寄存器組成,其內部還有一個串行控制寄存器scon和一個波特率發(fā)生器(t1或內部時鐘及分頻器).接收與發(fā)送緩沖器占用同一個地址99h,其名稱亦同樣為sbuf，cpu寫sbuf操作,即修改發(fā)送寄存器,同時啟動數(shù)據(jù)串行發(fā)送;cpu讀sbuf,就是讀接收寄存器,完成數(shù)據(jù)的接收.特殊功能寄存器pcon的最高位smod為串行口波特率的倍增控制位.特殊功能寄存器scon用以存放串行口的控制和狀態(tài)信息.以下是其格式與各位含義：sm0sm1sm2rentb8rb8tirism0，sm1按組合確定串

20、行通訊的工作方式。sm2:允許方式2或方式3多機通訊控制位。ren：允許/禁止串行接收控制位。tb8：在方式2和方式3，它為要發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)。ti：發(fā)送中斷請求標志位。ri：接收中斷請求位。8051串行口正是通過對專用寄存器的設置、檢測與讀取來管理串行通信的9.圖9 mcs51系列的單片機的串行口3.4.3串行口的工作原理串行通信中，發(fā)送時，cpu向sbuf寫入數(shù)據(jù)就啟動了發(fā)送過程，在發(fā)送控制器的控制下按照設定波特率的速率由低位到高位一位一位發(fā)送,當一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,置位發(fā)送中斷標志t1(scon.1)，該位可作為查詢標志，如果設置允許中斷，將引起中斷，cpu再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。接收時，需預先

21、置位ren(scon.4)即允許接收，接收方按設定的波特率將對方發(fā)來的數(shù)據(jù)有低位到高位順序進入移位寄存器，當一幀數(shù)據(jù)到齊接收緩沖器滿，置位接收中斷標志ri(scon.0)，該位可作為查詢標志，如設置為允許中斷，將引起接收中斷，通過讀sbuf，cpu即可將這幀數(shù)據(jù)讀入6。3.4.4波特率的設定在串行通信中，收發(fā)雙方對發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的速率(即波特率)要有一定的約定，8051的波特率發(fā)生器的時鐘來源有兩種，一是來自系統(tǒng)時鐘的分頻值,由于系統(tǒng)時鐘的頻率是固定的，所以次種方式的波特率是固定的，另一種是由定時器1提供，波特率是由定時器的溢出率控制，t1的計數(shù)初值是可以通過軟件來改寫的，因此是一種可變波特率

22、方式，此時t1工作于定時方式2(8位自動再裝入方式)。波特率是否提高一倍由pcon的smod值確定，smod=1時波特率加倍。串行口的工作方式中，方式1和方式3采用可變波特率。我們選取方式1，其計算公式如下：mode 1= （2/32）*振蕩頻率/12*256-（th1） 波特率為2400bps。本實驗通信線的連接如圖8所示。 圖10 通信線的連接在本實驗中，選用方式1，故pcon設置為80h、scon設置為50h，定時器1工作在方式2，波特率為9600位/秒，故tmod設置為20hth1=tl1=0f3h。3.4.3電平轉換max232在很多應用場合，需要由pc機和mcs-51單片機組成多機

23、系統(tǒng)，單片機的串口與之相接時必須考慮到電平轉換的問題，因為單片機中高低電平被定義為3v以上和1v以下，在pc機中也是如此，在傳輸線路中的高低電平是+-15v，因此必須考慮到電平轉換的問題，然后其他的接法通常比較一致。在這里選用電平轉換工具max232來完成。硬件結構圖 第四章 軟件設計本系統(tǒng)的軟件設計采用結構化模式。主程序先初始化，其程序分為三大塊，分別為模數(shù)轉換存儲子程序，單片機檢測數(shù)據(jù)子程序，串口通訊發(fā)送端子程序。下面將這三大部分分別闡述：模數(shù)轉換與存儲 在此程序塊中，最關鍵的是通過硬件圖找出0809的端口地址，其次是將采集到的數(shù)據(jù)直接存于外部存儲器的過程。要著重考慮的是外部存儲器容量有限

24、（我們采用的是8k*8的ram6264）因此不能無限制的存儲，因此解決這樣的問題，一是定時：即確定采集時間；二是定量：即存儲到一定量的數(shù)據(jù)后，自動停止采集。本次實驗采用后者。其流程、原代碼見附錄。單片機檢測數(shù)據(jù) 此程序用以檢測單片機接受到的小信號，將接受的信號分別與11111111、00111111、00001111、00000000進行四次比較，將小信號分為四個不同的等級，分別由單片機的p1.0至p1.3選中多路開關的四個控制端,再由放大器實現(xiàn)四個不同等級的放大，其流程見附錄。串口通訊發(fā)送數(shù)據(jù)端 單片機與pc機通訊的發(fā)送端程序在單片機中完成，主要用到單片機串行通訊口和控制寄存器scon，關鍵

25、是波特率的設定：我們的發(fā)送端選用方式1，它傳送的是8位數(shù)據(jù)，波特率可變。我們用mov scon，#50h確定此方式。根據(jù)波特率=2/32*震蕩頻率/12*（256-（th1），用mov th1，0f3h將th1定為f3。波特率則為2400位/秒；其流程圖見附錄。第五章 結語經(jīng)過這一次的課題設計，我比以往更清晰明了地掌握了單片機的基礎知識，也鍛煉了自己的邏輯思維能力和鉆研精神。在課題設計中，我明白到自己的知識還是很有限的，應該不斷地學習，才能使自己的頭腦更充實。同時我也體會到團體合作的重要性。作為計算機家族的重要成員之一的單片機，結構簡單，用途廣泛，是我們應該很好地掌握的一門知識，一種工具。我們

26、本次設計的課題mcs51系單片機組成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。mcs51系列單片機是功能極強的8位高檔單片微機，它既可用于簡單的測控系統(tǒng)，又適用于復雜的測控系統(tǒng)，特別使用邏輯控制。由于它功能/價格比高，組成應用系統(tǒng)靈活、方便，是當前國內普遍選用的機種。如工業(yè)過程控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。一開始以為只是簡單的程序設計方面的內容,后來在設計的過程中,才發(fā)現(xiàn)涉及的范圍相當廣,比如說微機控制及單片機方面均有不同程度的涉及。雖然說單片機等均屬于我們的專業(yè)課,但是以前所學的均為書面知識,而且還有很多地方均還是特別清楚。通過本次設計,在把書面知識應用到實際過程中時,首先要有較高的自學能力,自學獲取知識及相關信

27、息的能力,而我認為在大學中所真正應該掌握的就是這種能力。在以后的工作中,還需要我們不斷地汲取新的東西,而其中絕大部分都需要我們靠自學去解決。其次是要有較強的動手能力,實際的東西往往與理論的東西不同,尤其是很多書本上的東西,往往在實際應用中行不通。這就需要我們在實際中進行運行、調試、制作,在實際應用進行檢驗,直至得出正確的答案。在設計的過程中,我曾遇到過不少困難，如前所述，后來在老師和同學的幫助下，都得到了解決。對于本次設計總體上來說,應該是屬于較為成功。參考文獻1 孫育才： mcs-51系列單片機微行計算機及應用 (第三版) 東南大學出版社 ，2000年3月2 姜葦、李剛、李寧：windows

28、下智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，天津大學精密儀器及電子 工程學院，2003年5月3 周立功等：增強型80c51單片機應用速成與實踐，廣州周立功單片機發(fā)展有限公司，2003年1月。4 張凱等：單片機應綜合系統(tǒng)及其設計開發(fā)，科學出版社，1996年2月。5 李群芳 黃建 ：單片微行計算機與接口技術，電子工業(yè)出版社，2001年9月。6 張紅潤 藍清華 ：單片機應用技術教程 清華大學出版社，1997年11月。7 李華 孫曉民 李紅青 徐 平 張新宇 ： mcs-51系列單片機實用接口技術北京航空航天大學出版社 ，2002年2月。8 張毅剛 彭喜源 譚曉昀 曲春波： mcs-51單片機應用設計 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2001年1月。附 錄1、模數(shù)轉換 外部中斷1初始化啟動in0輸入將結果存于外部存儲器存了8k字節(jié)的數(shù)？停止采集開始 y2、串口通信 開始定時器串行口初始化地址指針dptr，長度計數(shù)器r7，校驗寄存器r6等置初值發(fā)送呼叫信號06等待乙機回答發(fā)送字節(jié)長度發(fā)送數(shù)據(jù)等待乙機回答返回是00h傳輸正確嗎？發(fā)送完否？ 3、數(shù)據(jù)檢測是否大于00111111p1.1=1p1.0=0np1.3=1p1.2=0.3=1p1.2=0是否大于00000000是否大于00001111p1.2=1