毕业课题论文程控放大数据采集系统方案

1、 毕业论文设计 程控放大数据采集系统 摘要本课题设计了一个利用程控放大技术采集数据的系统。数据采集系统包括信号采集、放大、调理、转换、存储和处理。系统通过两次采样完成一次数据采集过程。第一次采集(即预采样)后，单片机对接收到的数据进行检测，在较小的放大倍数下确定数据的幅度，然后选择相应的二次采样放大倍数，输出到程控放大电路，完成数据放大。在第二次采样中获得准确的数据，从而完成第一次数据采集。放大倍数和A/D转换结果构成一个完整的数据。检测到的数据可以暂时存储在扩展数据存储器中进行简单处理，也可以通过串口实时传输到上位机。系统的控制由简单的人机界面完成。关键词:程控数据采集单片机A/ D转换目录

2、摘要第二章系统组成第三章硬件设计3.1可控放大滤波3.1.1一般放大滤波3.1.2程控放大滤波3.2模数转换3 . 2 . 1 ADC 0809部门结构3 . 2 . 2 ADC 0809的主要特性3.3 MCU部分3.3.1 MCS51系列单片机结构3.3.2静态存储器Ram62643.4串行通信3.4.1串口工作原理3.4.2波特率的设置3.4.3电平移动最大值232第四章软件设计第五章结论参考文献附后第一章导言随着微电子和计算机技术的发展，数据采集系统广泛应用于各行各业。目前，各种高速、高精度、多通道的数据采集卡已经问世。通过计算机卡上的模数转换器采集数据，然后进行数据存储、数据处理和图

3、形显示。其中单片机是控制系统中最常见的应用，在很多控制系统中，尤其是工业控制场合，都要检测模拟量1。设计一个完整的、理想的、适用的数据检测系统对实现计算机的自动控制起着重要的作用。对于要设计的数据检测系统，要考虑其实时性、准确性和通用性，并使性价比尽可能高。以单片机为核心的数据采集系统体现了采集对象与系统之间的联系。该系统具有以下三个特点:第一，数据采集系统主要检测被测对象的状态和数值，因此系统应与被测信号直接相连。因此，场地条件直接影响系统的结构选择；第二，由于目前的传感器大部分是模拟输出型，少数是频率或数字输出型，所以大部分系统的输入模拟信号需要经过放大、变换、隔离、整形后才能接入微机系统

4、。第三，数据采集系统直接连接到现场，是干扰信号进入的主要通道，所以抗干扰是设计的主要环节1，3。一般的数据采集系统有以下几个单元:信号产生电路单元、放大电路单元、滤波电路单元、A/D转换单元、数据存储与处理单元和数据显示单元。图1显示了一个通用数据采集系统的框图。本设计采用串行通信方式，单片机的串口通过RS232与PC机相连3。在系统中，对于拾取的模拟小信号，一般需要前置放大，使模拟电压适合A/D转换器的电压转换范围。对于不同的模拟信号，必须采用不同增益的放大器，使A/D转换前的信号有规律(如15V)。如果用固定增益的放大器来放大每一个信号，既不能兼顾各种动态范围的信号放大，也不能满足不同模拟

5、信号的要求。在本设计中，采用浮点放大系统作为前置放大器，可以有效解决这一问题，从而提高A/D转换器的有效精度。信息源信息源放大过滤数模转换器单片微型计算机串行通信个人电脑机器随机存取存储图1数据采集系统框图第二章系统组成在一般的数据采集系统中，来自信号源的信号经过放大、滤波、A/D转换，然后由单片机存储在存储器中，再经过D/A转换显示采集到的数据，或者在WINDOWS 2下与PC机通信处理采集到的数据。在实际应用中，由于8位A/D转换器在转换微弱信号时存在精度问题，不利于数据的准确描述，因此采用了程控放大技术，即由单片机控制微弱信号的放大，再由多路模拟开关实现放大，提高了采集信号描述的准确性和

6、A/D转换的效率，系统流程如图1所示。整个系统分为信号源模块、滤波模块、程控放大模块、A/D转换模块、数据接收与存储模块和串行通信模块。认为认为数字来源过滤器波浪路电流程控放大模数转换转动变化数据接收、检测、存储和处理串在一起线条穿过询问计数器赠送某物控制制造个人电脑图2系统总体框图第三章硬件设计3.1可控放大和滤波一般放大滤波在数据采集系统中，信号需要在A/D转换前进行调整，以满足A/D转换芯片对输入信号的要求。信号调节的主要方式是滤波和放大。对于低频微弱信号的采集，滤波电路只需要简单的一阶低通滤波电路，其截止频率设置为1000kHz。放大电路是用一般的放大器进行两级放大，放大倍数是一定的3

7、。电路图如图2所示:图3一般放大和滤波电路程控放大滤波在数据采集过程中，很难采集到微弱的信号。幅度太低的信号，A/D转换后的二进制值，有效位数少，导致转换精度太低，降低了系统的性能。基于此，本设计采用了可控放大技术，通过软件控制信号的放大倍数，从而充分获得精确的采样和数据转换，大大提高了系统的性能。在实际数据采集中，实时信号的幅度是不可预测的，必须通过程序检测来控制开关闭合，从而改变信号预处理部分的放大倍数，尽可能增加A/D转换后二进制数据的有效位数。系统所需的程控开关有两种选择:一是单片机控制的继电器组，理论上只需三个继电器就能实现上述功能；其次，选择芯片CD4016BC。这个芯片集成了多路

8、开关，可以高低电平控制，正好满足要求。与继电器相比，具有经济、实用、体积小、功耗低等优点。因此确定了第二种方案，在芯片中集成了四个开关电路，每个开关电路都有一个控制端，控制端的高电平有效，即得到图3所示的原理图。四级放大用于放大不同倍数的不同等级的小信号，放大倍数由单片机检测数据后选定。图4程控放大电路图在图3中，每个运算放大器的输出端连接到芯片CD4016BC的I/O端，同时连接到单片机的P1端口，以检测信号的强度，确定放大倍数，并将检测结果发送到芯片CD4016BC的控制端口。放大器反相端的电阻为10欧姆，反相端的反馈电阻分别为10欧姆、100欧姆、1k欧姆、10k欧姆，这样根据放大器的工

9、作规律，放大倍数为1、10、100、1000，实现可控放大的目的。从分析可以看出，这种可控放大在很大程度上依赖于单片机，由软件来实现，所以软件是其核心部分，在软件设计中阐述了具体的设计方案。3.2模数转换在数据采集系统中，A/D转换是一个不可缺少的环节。目前，A/D转换技术已经得到了广泛的应用，由A/D转换技术制成的各种测试仪器因其测量结果准确而广受欢迎。实际中是通过A/D转换器实现的，如ADC0804、ADC0809、MAX1177/1188等。4.在本设计中，ADC0809的选择考虑了A/D转换速率与单片机数据接收和存储速率的匹配问题。ADC 0809的部门结构ADC0809是最常用的8位

10、模数转换器。电路结构如图4所示。从图中可以看出，其电路结构一般由四部分组成:8位模拟多路复用器、数据锁存器和解码器、8位A/D转换器和三态输出锁存器。ADC0809采用+5V单电源供电，内置一个带锁存功能的8通道模拟电子开关。可分时转换05V8输入模拟信号，完成约100us的转换。输出有TTL三态锁存缓冲器，可以直接连接到MCS-51数据总线。还可以通过适当的外围电路对05v双极模拟信号进行A/D转换。5图5 0809结构ADC 0809的主要特性在数据采集系统中，A/D转换是一个不可缺少的环节。目前，A/D转换技术已经得到了广泛的应用，由A/D转换技术制成的各种测试仪器因其测量结果准确而广受

11、欢迎。实际中，我们使用ADC0804、ADC0809、MAX1177/1188等模数转换器。在本设计中，考虑到A/D转换速率与单片机数据接收和存储速率的匹配问题，选用了经济实用的ADC0809。分辨率为8位；总不可调整误差为+_1/2LSB或+_ 1 LSB；转换时间为100us，无零点和满量程调整；带锁存控制逻辑的+5V单电源；采用锁存三态输出，输出与TTL兼容；功耗为15mW。7809的连接方式比较固定，因为引脚的功能比较单一，数据采集系统也是如此。本实验采用单通道模拟输入，所以地址输入全部接地，IN0作为输入端，D0D7作为单片机的P0口。图5显示了设计中的硬件框图。图6模数转换电路设计

12、图3 .3 MCU部分3.3.1结构3.3.1 MCS51系列单片机信号A/D转换后的数据必须送到单片机进行处理和存储。MCS51系列单片机常用的有8031，8051，8052，8032，8751，AT89C51，AT89C52。MCS51系列单片机的结构框图如图6所示，其总体特点如下:* 8位中央处理器；*芯片振荡器和时钟电路；* 4KB ROM程序存储器；* 128B RAM数据内存*两个16位定时器/计数器；*可寻址的64KB外部数据存储和64KB*外部程序存储空间的控制电路；*32个可编程全双工串行端口；*五次中断；*两个优先级嵌套中断结构。图7 MC s51结构框图虽然在单片机中设置

13、了一定容量的存储器，但是很明显这个存储器容量很小，远远不能满足实际需要。所以从外部扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。在选择这些内存时，我们应该根据实际需要对其进行扩展，以实现资源的合理利用。常用的数据存储包括静态RAM和动态RAM。本设计选用了最常用的8051。有四个I/O端口，P0、P1、P2和P3，它们是双向的，每个端口有一个锁存器，每个端口有八条线。它有自己的记忆功能，它的记忆包括:(1)数据存储器(ram): 8051有128字节，8052有256字节。(2) ROM: 4KB ROM):8051，8052用8KB。(3)外部扩展程序存储器(ROM):最大可扩展到64K

14、B(包括部分ROM)。(4)外部扩展数据存储器(ROM):最大可扩展到64KB(不包括RAM)。这里遇到的问题是内存的扩展。虽然单片机部门设置了一定容量的存储器，但是很明显这个存储器容量很小，远远不能满足实际需要。所以需要从外部扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。在选择这些记忆时，要根据实际需要进行扩展，以便合理利用资源8。常用的数据存储包括静态RAM和动态RAM。在该系统中，扩展了6264 (8k8)的静态外部数据存储器，以便对采集的数据进行存储和处理。在扩展存储器时，除了将单片机的地址与存储器对应的地址端连接外，就是片选端的连接。存储器必须实现两个功能:一方面，写入接收到的数

15、据；另一方面需要MCU读取数据，所以存储器的输出端D0D7连接到MCU的P0端口，这样就完成了存储器的扩展。电路图如图7所示:图8单片机电路图3.4串行通信串行通信概述在微型计算机系统中，主机与外部之间有两种基本的通信方式:并行通信所有数据位同时传输；串行传输-逐位传输数据。单片机部门或外部很近的部分一般采用并行传输方式，特点是传输速度快，效率高，但需要多条传输线。串行通信常用于外部远距离的数据传输，其特点是只有一对传输线，大大节省了传输线和相关设备，成本低，但传输速度慢，效率低8。串口通信的应用已经非常普遍，有长距离有线传输，短距离有线传输，长距离无线传输，短距离无线传输。单片机也可以实现串

16、行通信。AT89C51的串口是全双工UART，可以同时发送和接收数据。它是SBUF寄存器和SCON串行控制寄存器使用的特殊寄存器7。3.4.2串口结构简介MCS-51单片机的串口结构如图11所示。从图中可以看出，它主要由两个数据缓冲器SBUF和一个输入移位寄存器组成，在其部分有一个串行控制寄存器SCON和一个波特率发生器(T1或一个时钟和分频器)。接收和发送缓冲器占用相同的地址99H，它们的名字也是SBUF。CPU写SBUF，即修改发送寄存器，开始串行数据传输。读取CPU的SBUF意味着读取接收寄存器来完成数据接收。专用功能寄存器PCON的最高位SMOD是串口波特率的乘法控制位。特殊功能寄存器

17、SCON用于存储串口的控制和状态信息。以下是它的格式和含义:SM0SM1SM2振铃等效数TB8RB8全音阶的第七音印度尼西亚SM0，SM1通过组合确定串行通信的工作模式。SM2:允许模式2或模式3下的多机通信控制位。REN:启用/禁用控制位的串行接收。TB8:在模式2和模式3中，这是要发送的数据的第九位。TI:发送中断请求标志位。RI:接收中断请求位。851串口通过设置、检测和读取特殊寄存器来管理串行通信9。图9 MC s51系列单片机的串口3.4.串口工作原理在串行通信中，发送时，CPU将数据写入SBUF启动发送过程，按照设定的波特率在发送控制器的控制下从低位向高位发送。当发送一帧数据时，发

18、送中断标志T1(SCON.1)被置位，它可以用作查询标志。如果允许中断，就会引起中断，CPU会发送下一帧数据。接收时，需要事先设置REN(SCON.4)，即允许接收。接收方根据设定的波特率，将对方发送的数据按照低位到高位的顺序输入移位寄存器。当一帧数据到达满接收缓冲区时，设置接收中断标志RI(SCON.0)，它可以用作查询标志。如果设置为允许中断，将导致接收中断。通过读取SBUF，CPU可以将这一帧数据读入63.4.2波特率设置在串行通信中，发送方和接收方必须就发送和接收数据的速率(即波特率)达成一致。8051波特率发生器有两个时钟源。一个是系统时钟的分频值，所以第二种模式的波特率是固定的，另

19、一个是定时器1提供的，由定时器的溢出率控制。T1的初始值可以用软件重写，所以它是一个可变波特率。波特率是否翻倍由PCON的SMOD值决定，SMOD=1时波特率翻倍。在串口工作模式下，模式1和模式3采用可变波特率。我们选择方法1，其计算公式如下:Mode = (2/32) *振荡频率/12*256-(TH1)波特率为2400bps。本实验中通信线路的连接如图8所示。图10通信线路的连接本实验选择模式1，所以PCON设为80H，SCON设为50H，定时器1工作在模式2，波特率为9600比特/秒，所以TMOD设为20HTH1=TL1=0F3H。3.4.3电平移动MAX232在许多应用中，需要由一台P

20、C机和MCS-51单片机组成多机系统。单片机的串口与之连接时，必须考虑电平转换的问题，因为单片机中的高低电平定义为3V以上1V以下，PC中也是如此。所以，传输线中的高低电平都是+-15v，所以必须考虑电平转换的问题，然后其他连接通常是一致的。本文采用电平转换工具MAX232来完成。硬件结构图第四章软件设计本系统的软件设计采用结构化模式。首先初始化主程序，其程序分为三块，即模数转换存储子程序、单片机检测数据子程序、串口通信发送端程序。以下三部分分别阐述:模数转换和存储这一块，最重要的是通过硬件图找出0809的端口地址，其次是将采集到的数据直接存储到外存的过程。重要的是要考虑到外存储器容量有限(我

21、们用的是8K*8 RAM6264)，所以不能无限存储。所以解决这类问题，一个是时机:即确定采集时间；二是量化:存储一定量的数据后，会自动停止收集。本实验采用的是后者。其流程和原代码见附录。单片机检测数据这个程序用来检测单片机接收到的小信号。将接收到的信号与11111111、001111、000111、0000000进行四次比较，将小信号分为四个不同的等级。单片机的P1.0到P1.3分别选择多路开关的四个控制端，然后放大器实现四个不同级别的放大。流程见附录。串行通信发送数据端单片机与PC机通信的发送程序在单片机中完成，主要利用单片机的串行通信口和控制寄存器SCON，关键是波特率的设置:我们的发送

22、器采用模式1，传输8位数据，波特率可变。我们用MOVSCON的#50H来确定这种方式。根据波特率=2/32*振荡频率/12*(256-(TH1)，用MOV TH1，0F3H将TH1设为F3。波特率为2400位/秒；流程图见附录。第五章结论。经过这次项目设计，我比以前更清楚地掌握了单片机的基础知识，也锻炼了自己的逻辑思维能力和研究精神。在项目设计中，我意识到自己的知识面还是很有限的，要不断学习充实自己的头脑。同时，我也意识到小组合作的重要性。单片机作为计算机家族的重要成员之一，结构简单，应用广泛，我们应该掌握好。一种知识，一种工具。本设计的主题是由MCS-51单片机构成的数据采集系统的设计。MC

23、S-51系列单片机是一种功能强大的8位高档单片机。它可用于简单和复杂的测量和控制系统，尤其适用于逻辑控制。由于其较高的性价比、灵活方便的应用系统，目前在国内得到了广泛的应用。如工业过程控制系统、数据采集系统等。一开始我以为只是简单的编程方面。后来在设计的过程中，我发现它涉及的面很广。比如微机控制和单片机都有不同程度的涉及。虽然单片机等等属于我们的专业课，但是之前学的都是书面知识，还是有很多地方特别清楚。通过这个设计，在把书面知识运用到实际过程中的时候，首先要有很高的自学能力，通过自学获取知识和相关信息的能力，我觉得这才是我们在大学真正应该掌握的。在以后的工作中，还是需要不断学习新的东西，大部分

24、都需要靠自学来解决。其次，要有很强的动手能力。实际的东西往往和理论的不一样，尤其是很多书上的东西，在实际应用中往往行不通。这就需要我们在实践中运行、调试、制作、应用。检查直到你得到正确的答案。在设计的过程中，我遇到了很多困难。前面说过，在老师同学的帮助下，都解决了。总的来说，这个设计应该是比较成功的。参考1育才:MCS-51系列微控制器及应用(第三版)，东南大学，2000年3月。2魏，刚，宁:WINDOWS下的智能数据采集系统，大学精密仪器与电子工程学院，2003年5月。3周立功等:“增强型80C51单片机的加速应用与实践”，周立功单片机开发，2003年1月。4凯等:单片机应集成系统及其设计与

25、开发，科学，1996年2月。5黄健:单片机与接口技术，电子工业，2001年9月。6红蓝清华:单片机应用技术教程清华大学，1997年11月。7华晓敏，洪青，徐平新宇:MCS-51系列单片机实用接口技术航空航天大学，2002年2月。8易纲Xi袁谭晓云曲春波:MCS-51单片机的应用设计工业大学，2001年1月。附加记录1.模拟数字转换外部中断外部中断1初始化起始输入0输入将结果存储在外部存储器中。节省的8K字节数？停止采集开始YY2.串行通信开始定时器串行端口初始化开始定时器串行端口初始化地址指针DPTR、长度计数器R7、校验寄存器R6等。被设置为初始值。发送呼叫信号06等B机回答。发送字节长度数据发送等B机回答。返回现在是00H传输是否正确？你发完了吗？3.数据检测是否大于是否大于0011111？P1.1=1P1.0=0普通P1.3=1P1.2=03=1P1.2=0是否大于0000000？是否大于0000