1、1单片机数据采集系统本文的设计是基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。基本组成基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件；结合外围电路所构成。基本组成如图2.1所示。输入通道 单片机 输出通道图 数据采集系统的组成采集系统硬件主要包括传感器、转换器、单片机、输入输出接口电路等。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由
2、单片机执行以测试为的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断。采集方式一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，这种方式轮流循环采样的转换速度较慢，但是节省硬件。结构框图如图所示。传感器（ S）传感器（S）传感器（ S）模 拟 多 路 开 关采样保持（SH）AD IO主 机图多路开关方框图数据处理部分采用 AT89S52 做为核心控制器件。模数转换器采用 8 位串行模数转换器 TLC0838，该芯片占用单片机的引脚资源少，仅占有单片机 5 个引脚即可完成 8 个通道的数据采集，简化了电路设计，
3、降低了成本。硬件组成硬件部分分为数据采集和数据处理两部分。整体硬件框图如图2.3所示。2超声波传感器电路多 通 道AD报警电路LED 显示单 片 机上 机 位通信芯片图整体硬件框图数据采集部分采用多路开关方式进行，设计有8个模拟数据采集通道，满足了生产中多通道的要求。可以对常见的模拟信号量，如水位、压力、流量、速度、频率等进行采集。每一种信号量都可以使用不同的传感器。扩大了数据采集系统的应用范围，具有较强的通用性。它常用于采集多路变化缓慢的信号，如水位变化、应变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。本文所设计的硬件框图，主要是超声波传感器采集电路，采集到水位数据后
4、经过信号放大和采样保持后再由 TLC0838 进行 A/D 转换，然后输入到 AT89S52 单片机中，其中 AT89S52 单片机是整个系统的核心，单片机通过处理后再进行 LED 显示和越限报警，并将数据传送至上位机进行人工操作。3硬件电路设计水位传感器的选择传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用 A/D 转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统
5、中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。目前主要测水位的液位传感器有浮子式水位传感器、水位跟踪式传感器、超声波水位传感器、雷达激光水位传感器,压力式水位传感器等。下面是一些主要水位传感器的简单介绍。超声波水位传感器超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在 SCA6-1 型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有
6、声速补偿；RS-485 数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。其水位测量原理如图所示。1.水位采集系统 图水位测量原理图（1）水位测量工作原理水位测量原理如图所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声 L 声程遇水界面产生反射，反射波（下称回波），又经 L 声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间 t 及现场声速 c，就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即 Error! No bo
7、okmark name given.2/ctL4在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离 L0 处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程 2L0 为已知，传播时间 T0 可测出，传播声速若为 C0 则有：2/ootcL取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有：0/lt由式（1）可知声程 L 是传播声速 C、C0，传播时间 t、T 0 和校准孔距 L0 的函数。如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（1）式就可简化为：0/Tt发射声脉冲后，测得 T0、t 即可测算出声程 L。由
8、图 2 知，探头安装基准面至水位零点高度为 S（S 可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值 H 为：式中：H 为水位值S 为探头发射面至水位零点距离L 为探头发射面至水面间距离（2）水位采集系统的组成水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过 RS-485 接口与流量数据处理系统相连。在智能声学水位传感器工作中，用户可以根据实际需要选择安装不同个数的温度传感器。为了便于互换和维护，每个 DS
9、1820 有独自的单线接口与微处理器连接通讯。智能声学水位传感器可以挂接 18 个温度传感器。当传感器测量至水面距离时，如果是声程范围内温度均匀或对精度要求较低时，可以不使用温度传感器，通过自校准技术直接测量水位，因为校准管距离 L0 为已知，测得 T0、t 之后，根据公式（3）即可算出声程 L，再由公式（4）得出水位。如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。具体计算步骤如下：声程内平均温度：5(
10、3-6) ntataT21式中：ai:声程内第 i 个温度因子（与现场安装位置等有关；用户可以根据实际比测作出修正）Ti:声程内第 i 个温度传感器温度值。n:声程内温度传感器个数。将平均温度代入公式（5） ，算出平均声速 C0、c,根据公式（ 2）即可算出声程 L，再由公式（4）得出水位温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑湿度和气压的影响，则声速 c 为：C=331.4+0.607 T (m/s) (3-7)式中：T 为温度（） 。温度变化 1，将影响声速变化约 0.18，如果声管中传播声速由发射面至水面间变化较大。为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值
11、，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。在水位测量的实际应用过程中，声程不同位置测得的温度数据为非均匀变化，最大差值会达到 6以上。经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。尤其是在声程远端，未修正误差较大，修正后误差明显减小。声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温传感器，测量声路不同位置的温度，在软件上对测量值进行修正，减小测量误差。实际应用表明，效果很好。浮子式水位传感器的缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散；压力式水位传感器工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定
12、；超声波水位传感器的优势：在测量过程中没有任何部件接触水面，实现了非接触测量。不需建设观测井，基建投资少，见效快。运动部件，不因部件磨损锈蚀而产生故障，提高了无故障工作时间。周边环境无特殊要求，具有很高的兼容性，可多种组合，功能齐全，能够满足各种用户要求。实时全变量温度补偿，精度高，运用有线或无线传输水位信息，时效性强，降低劳动强度，提高了现代化水平。软件功能齐全，更适于水位站使用，提高经济效益。故本文选用的是超声波传感器。传感器检测电路本文设计的超声波传感检测电路是利用40kHz的超声波发生器，实现40kHz的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去
13、后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。整个系统的核心是AT89S52。所选用是超声波传感器，它的工作电压是 40kHz的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使AT89S52的P1口中的第0位产生40KHz 方波的方法来实现。并在第一个脉冲产6生时开始启动计时。40kHZ的脉冲方波信号经放大后即可驱动超声波传感器工作，使其向水面垂直发出40kHz 的超声波。所选的超声波传感器是双用型传感器，即发送和接收集成于一体。当超声波遇到水面时发
14、生反射，反射波回到超声波传感器，超声波接收器将超声波调制脉冲变为交变电压信号，再将所得的交变电压信号放大，输人到音调译码器中，音调译码器的输出由高电平跃变为低电平，作为中断信号输人到AT89S52 单片机的INT1 管脚。INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，取得超声波往返的时间差。通过计算式s=340t/2算出液位计离水面的距离，从而计算出水位的高度。这些都可以通过对51单片机编程实现。计算出水位高度以后，单片机将所算出的结果通过P0口输出到七段LED数码管显示出来。超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量
15、仪器，是在 SCA6-1 型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485 数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。超声波发射电路超声波发射电路如图所示为超声波的发射电路图。
16、图超声波发射电路由图可见，超声波的发射电路比较简单，主要是由一个超声波探头、一个NPN型晶7体管、一个稳压二极管和一个升压变压器组成。传感器探头需要40kHz的脉冲信号才能触发，图中输人端口是从单片机的P3.5输出的40kHz方波。方波电压信号经二极管稳压后送到三极管放大，再经Tl升压变压器升压，驱动超声波传感器探头发出40KHz的超声波。3.2.2 超声波接收电路在这里超声波的发送与接收用的是同一个探头。如图所示为接收用电路。图超声波接收电路超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，因此，超声波传感器接收信号一般在lmV-1V之间。这么微弱的电信号，一般都要经过放大才能使用。除
17、此之外，接收探头接收到信号后，向电路中输出的是交变的正弦波电压信号，这就需要设计交流放大电路。这里选用两个运算放大器组成两级放大电路，放大倍数可达100倍。经这经这样处理后，最后接收电路所输出的是正常的电压信号。3.3 A/D 转换电路设计由于超声波传感器采集的信号是模拟信号，而单片机所接受的信号为数字信号，故需要将模拟信号转换成数字信号，因此本文设计了一个 A/D 转换电路，下面是 A/D 转换电路的设计。3.3.1 A/D 转换器工作过程A/D转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换过程主要包括采样、量化、编码三个步骤。(1) 采样、保持部分采样就是周期性地测量一种连续信号或连续
18、过程信号，测量的周期称为采样周期Ts，采样周期的倒数称为采样频率ssTf1在对模拟信号进行模数转换时，户以D转换器从启动变换到转换完成需要一定的转换。当输入信号频率较高时，由于转换时间的存在，会造成较大的转换误差。为了防止这种现象的产生，必须在A/D 转换开始时将信号电平保持住，而在户以D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即将输入信号采样保持，能实现这种功能的器件叫做采样/保持器。采8样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器。A/D转换器输出数字量的大小只能是某个规定的最小单位的整数倍，即必须把采样电压转化为这个最小数值单位的整数倍。这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，其
19、大小等于输出的数字信号最低有效位1所代表的数量大小。把量化的结果用代码表示出来称为编码。采样保持电路能将采样后的模拟信号暂时存储起来，保持一个采样周期。当输入信号变化较快时，就不能输入到 TLC0838 中，这就要求输出信号能快速而准确的跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。图 3.5 是采样保持电路。SC0.1uFR+_UiUc_+_Uo+图采样保持电路图中 S 是一个模拟开关，由场效应管构成。当控制信号为高电平时，开关闭合，电路处于采样周期。这时 Ui 对存储电容元件 C 充电，U 0=UC=Ui，即输出电压跟随输入电压的变化。当控制电压变为低电平时，开
20、关断开，电路处于保持周期。因为电容元件无放电电路，故 U0=UC。这样就实现了采样保持,就能够与 TLC0838 相连。(2)量化编码部分量化编码部分是留D转换器的核心组成部分。所谓量化，就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。执行量化动作的装置为A/D 转换器。在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D 转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838实现。TLC0838是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数
21、转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D 转换。3.3.2 A/D 转换单元电路设计在实际应用中，因串行 A/D 转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的 A/D 转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器 TLC0838 来实现。TLC0838 为美国德州仪器公司推出的八通道 8 位逐次逼近模数转换器。它具有与单片机接口连接简单，占用线路板体积较小，性价比较高的优点。9其采用取样数据比较器的结构，使用逐次逼近流程转换输入信号。要转换的模拟
22、通道的输入电压连到一个输入端与地比较(单端输入)或与另一个输入比较(差分输入)。通过同单片机相连的串行数据电路传送控制命令，用软件进行通道选择和输入端配置。输入配置在多路器寻址时序中进行。串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口。以 SPI 总线与单片机接口。输入和输出均与 TTL 和 CMOS 兼容，总失调整误差1LSB。A/D 转 换 单元电路见图 3.6 所示。TLC0838 以 SIP 总线与单片机接口。片选信号 CS 接 P1.0 引脚，因为数据输入端 D1 和输出端 D0 在同一时间有一个为高阻，所以连在一起，接 P1.1 引脚，串行数据时钟信号输入端 CLK 接 P1.2 引
23、脚。状态转换输出引脚SARS 连接 PI.3，数据输出方式选择引脚 SE 连接 P1.4。图 3.6TLC0838 接口电路TLC0838 工作过程如下：输入配置在多路器寻址时序中进行。置 CS 为低，使所有逻辑电路使能，转换器初始化。CS 在整个转换过程中必须置为低。接着 CLK 从单片机P1.2 口接收时钟，在每个时钟的上升沿；由单片机 P1.1 口输出的多路器地址通过 Dl 端移入多路器地址移位寄存器。在每个时钟的上升跳变时，Dl 端的数据就移入多路器地址移位寄存器。第一位为逻辑高，表示起始位。紧接的 2、3、4、5 位是配置位，用来选择通道。多路器地址选择模拟输入通道，也决定输入是单端
24、输入还是差分输入。在连续的每个时钟的上升跳变，起始位和配置位移入移位寄存器。当起始位移入多路器寄存器之后，输入通道选通，转换器开始工作。SARS 状态输出变高表示转换过程正在进行。引脚 D1 在转换过程中与多路器的移位寄存器之间是关断的。为使选定的通道稳定，在通道配置位输送完后，要隔一个时钟周期转换的数据才在时钟的下降沿从引脚 D0输出数据至单片机 P1.1。转换过程为采样比较器把从电阻梯形网络输出的逐次信号和输入模拟信号进行比较。比较器的输出指出模拟输入是大于还是小于电阻梯形网络的输出。在转换过程中，转换数据同时从 D0 端输出，以最高位(MSB)开头。经过 8 个时钟后，转换完成，SARS
25、 变为低。TLC0838 的输出数据可从高位开始，也可从低位开始。在 SE 为高时，数据先从最高10到最低位输出，并将最低位保持在数据线上；在 SE 为低时，数据从低位开始重新输出一遍。在全 8 位分辨率下允许任意小的模拟电压编码间隔。变换结果范围为 0-FF。为满足低温下系统正常工作的要求，选用工业级 TLC0838 芯片，工作温度为-0-5。3.4 单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对单片机来说,单片机+晶振电路+复位电路,便组成了一个最小系统。下面介绍AT89S52 的最小系统，如图 3.7 所示。R10KERESTVccC1
26、10fYC330pFC230pF12MHz AT89S52REST/EAVccGND图 3.7 AT89S52 最小系统P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL逻辑电平。对 P0 端口写“ 1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动 4个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部
27、拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。程序存储器：如果 EA 引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于 AT89S52，如果 EA 接 VCC，程序读写先从内部存储器（地址为 0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH 。
