1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于单片机的多路数据采集系统设计一、课题研究意义及现状由于数据采集系统的应用越来越宽，所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多，低测量的要求也越来越高，国内现在已有不少测量和采集的系统，但很多系统存在功能的单一、采集通道少、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题。人们需要一种应用广泛、性价比高的数据采集系统。在现实中要通过计算机对现实世界中的信息进行处理和显示，首先必须将计算机和现实世界联系起来，这需要将真实世界中的各种信号（称为模拟信号）转化为计算机可以识别、存储的信号（称为数字信号） ，这一过程即是数据采集。数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟
2、信号数据化、数据信号处理和计算机控制技术等高科技为基础而形成的一门综合技术。它在许多领域得到了广泛的应用。数据技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数据向埃及系统提出了愈来愈高的要求。一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：数据测量、数据采集、数据传送、数据存储、数据处理、数据分析和数据显示等。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能是别的数字信号，并送到计算机，然后将计算机得到的数据进行显示或打印，以便识别对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决去它的精度和速度。在保证精度的前提下，应有
3、尽可能高的采样速度。以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。目前数据采集系统以得到广泛的应用到测量、监控、诊断、科学试验等各个领域中。近二十年来，数据采集技术得到了飞速的发展，在形式上由原来的专用的测试仪器到现在使用微机的虚拟仪器；采集的分辨率从 4 位、8 位到现在的 24 位分辨率；采集的速率从几Kbps 到现在的最高已达到 2GKbps，记录设备从原来的手记，纸带的模拟或数字记录到磁带记录，到现在的硬盘记录，磁盘记录。二、课题研究的主要内容和预期目标设计一个基于单片机的多路数据采集系统，主控器采用AT89C51单片机，能对50 米以外的各路数据，通过串行传输线进行采集和显示。毕业
4、设计具体内容：（1 ）多路数据采集器。数据采集器分别输入来自直流源的5 、4、3、2、1V 直流电压。将各路模拟信号分别转换成8 位二进制数字信号，再经并 /串转换电路，用串行码8送入传输线路。（2 ）主控器。主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环采集（即1路、2路）和选择采集（任选一路）两种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。三、课题研究的方法及措施基于单片机的多路数据采集系统设计硬件系统框图如下：单片机采用 AT89S51，A/D 芯片采用 8 通道 A/D 转换器 ADC0809，使用 8 个 LED 数码管来进行显示，完成 8 道数据自动巡回采集与显示。
5、四、课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年10月18日至2011年4月22日。2010 年 10 月 18 日至 2010 年 11 月 30 日: 写文献综述，外文翻译，开题报告2010 年 12 月 5 日至 2011 年 1 月 5 日：完成单片机模块和 A/D 转换模块的设计2010 年 1 月 6 日至 2011 年 1 月 21 日：完成串口通信模块和显示模块的设计。2011 年 2 月 1 日至 2011 年 3 月 1 日：完善设计作品。2011 年 3 月 1 日至 2011 年 4 月 1 日：完成论文的修改。2011 年 4 月 4 日至 2011 年 4 月 22
6、日：撰写毕业论文，完善与修改毕业论文；做好论现场信号产生器 A/D 转换器从机 1AT89S51数码管显示 主机AT89S51数码管显示现场信号产生器 A/D 转换器从机 8AT89S51数码管显示文答辩的 PPT 资料，准备答辩，并提交所有电子文档材料。五、参考文献1 王述全，孟臣，张福军.基于串行接口方式单片机通用数据采集系统设计 D.大庆石油化工总厂化工厂仪表车间 大庆 黑龙江八一农垦大学信息技术学院 大庆2 高明. 基于单片机的多通道数据采集系统的设计J.企业家天地（下旬刊）.2010年第6期3 迟钦河. 89C51 单片机在多通道数据采集系统中的应用EB/OL.维普资讯 http:/
7、 4 陈明克. 邹久朋.刘学武. 基于微机控制通信的单片机通用数据采集系统J. 技术纵横.2002 - 210.51.184.985 陈丽娜 .基于 USB 接口和单片机实现的数据采集系统J. 计算机科学2004Vo1.31N2.10(增刊)6 郑 义. 陈 俊.用 AT89C52 和 TLC1543 实现数据采集系统 J.电子世界, 2004 - 7 夏世长. 陈迪平.王镇道. 蒋见花 .陈 燕. 一种多通道数据采集电路的设计J. 湖南 大 学学报(自然科学版).2000 年 12 月第 27 卷第 6 期.8 姚广平. 基于单片微机的数据采集系统J.计算机自动测量与控制 1998 年第 1
8、 期(总第 20期).9 李业德. 贾 莹.李玉芬. USB 数据采集及传输模块的设计J. 山东理工大学学报(自然 科学版). 2003 年 3 月第 l7 卷第 2 期. 10 徐云.杨川.王超.黄璐 .基于串行通信的虚拟仪器数据采集器J.仪表技术与传感器, 2002 - 202.114.9.17毕业论文文献综述电气工程及自动化数据采集系统综述摘要：针对数据采集系统的现状，提出几种通用数据采集系统的设计方法。并介绍各种数据采集系统的应用范围。这些系统简洁精练，安全可靠，应用前景广阔。 关键词：数据采集系统；单片机；A/D 转换引言在生产、科研与实验中常常需要对各种数据进行记录和分析，需要用到
9、各种仪器仪表，如示波器等。单片机的发展与应用为仪器仪表的发展翻开了新的一页，以单片机为核心的数据采集仪表配合计算机为实验、科研提供了很大的方便。 在一些应用场合，需要在计算机与计算机之间、计算机与单片机之间、单片机与单片机之间以无线方式传送控制或数据信息。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，送人计算机，将计算机得到的数据进行显示或打印以便实现对某些物理量的监视其中一 部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。一个完整的数据采集系统由传感器、信号处理电路（放大、滤波） 、多路模拟开关（AMUX） 、采样保持电路（S/H ） 、A/D 转
10、换器（ADC） 、I/O 接口和计算机共同组成，除去传感器和信号处理电路外，其余部分也称为 A/D 通道或模拟通道。在由单片机与微机组成的工业检测和数据采集系统中，计算机与计算机、计算机与单片机之间经常需要进行数据交换。串行通信是主要的通信手段 1-5。课题研究随着计算机技术和电子技术的发展，在通讯数据采集系统中采用 PIC 系列单片机能够解决许多传统单片机不能或不易解 决的难题，同时使系统电路设计简洁，系统升级方便，还可以降低系统成本以及加快新产品开发。美国 Microchip 公司生产的 PIC 系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精练。美国 Microchip 公司生产的 PIC
11、系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精练 6。单片机在整个系统中起着举足轻重的作用，是数据采集和控制的核心。这里介绍了 PIC 系列单片机 PIC18F458 的数据采集系统，并与 PC 机进行串行通讯，在 PC 机上对数据进行控制处理。 PIC18F458 单片机片内集成了 A/D 转换器、内部 EEPROM 存储器、比较输出、捕捉输入、 PWM 输出、I 2C 和 SPI、异步串行通信电路、CAN 总线电路、程序存储器读/ 写等强大的功能，芯片功能强大， l/O 口驱动能力强，可以直接与 LCD 液晶显示器接口连接，设计电路简单可靠 7。根据该系统功能和性能要求以及传统的基于单一的单
12、片机的数据采集系统的缺点。单片机对输入的模拟量进行采集，然后向微机系统发送数据，微机系统对采集的数据进行处理。本文设计了结合单片机和 CPLD 器件的各自优点。以 MCU+CPLD 的双片结构设计了高精度的多模冗余的数据采集系统。系统主要由 MCU 处理模块、CPLD 处理模块和 ADC 阵列、通信模块四个部分组成。根据系统精度要求A/D 转换器件要分别达到 16、12 位精度。为此选用了美国模拟器件公司 ADO 公司的 16 位高速 A/D 转换器 AD7656 以及 12 位高速 A/D转换器 AD7864。3 路数据采集并行实现，所有的时序信号和控制逻辑由同一片 CPLD 实现。系统体积
13、小，速度快。利用 LabView 开发环境设计上位机的监测界面，上位机通过串行口与 MSP430F149 单片机通信，从而实现对多路数据的采集与监测。利用 LabView 设计多路数据采集系统时，可配备 NI 公司的数据采集板卡模拟采集多路信号。本设计选用 MSP430 单片机组成的系统作为前端数据采集系统进行多路数据采集，然后通过 RS-232 串口通讯将数据传输至上位机，在 LabView 开发平台下，对各路数据进行处理、标定和实时显示，从而实现了一 种在LabVIiew 环境下的单片机多路数据采集系统 8。虽然 LabView 隐含了对设计虚拟仪器时所面临的多种困难的考虑、简化了设计过程
14、，对于开发虚拟仪器有方便、相对简单的优点，但 LabView 软硬件的价格影响了虚拟仪器在国内的推广使用 9。利用软件定时器在 AT89C51 单片机上实现多路信号异步采集的实用技术。多路信号异步采集系统的硬件平台（即，采集器）主要由模拟选择开关、采样保持电路、A/D 转换器、通讯电路和微控制器五部分构成。为了实现多路信号的异步采集，系统为每个信号通道配备一个特定的软件定时器。软件定时器靠 CPU 内部定时器 T0 的周期性中断来驱动。整个系统软件由定时中断程序、通讯中断程序和主程序 3 部分组成。定时中断程序负责软件定时器的累加计时。 通讯方式 采集器和上位机通过 RS485 总线，进行主从
15、通讯。通讯过程通讯连接的建立，由上位机的主动呼叫来实现。该方法简单易行，经济可靠，除了可以在单片机系统上实现外，还可以应用到其它很多采集系统中，具有很强的通用性 10。USB 的英文全称为 Universal Serial Bus，它是一种快速、双向、同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。基于 USB 总线的数据采集系统硬件模块主要由多路模拟开关、串行 A/D 转换器、 AT89C51 芯片和 USB 接口芯片、主机（能支持 USB1.1 协议的 PC 机）等组成。其基本工作原理是多路模拟输人信号经多路模拟开关控制将其中一路接入串行 A/D转换器，经 A/D 转换器转换成数字信号，并经光
16、电隔离后将此采样数据串行输出到移位寄存器将其转为 8 位并行数据， USB 接口芯片采用 National Semiconductor 公司的一种专用芯片 USBN9602。该芯片内部集成微处理器接口、FIFO 存储器、时钟发生器、串行接口引擎(SIE)、收发器、电压转换器，支持 DMA、微波接口。USB 接口程序设计是 USB 开发的关键。接口程序设计包括三部分：设备固件设计、USB 设备驱动程序设计、主机应用程序设计。三者只有相配合，才能完成可靠、快速的数据采集和传输 11-13。计算机的串行通信技术在自动控制与测试领域占据着极其重要的地位，它不仅没有随着时代的进步而淘汰，反而在规格上越来
17、越完善 14。数据采集是数字系统必不可少的组成部分。作为测控系统中重要的一环，数据采集的实时性和可靠性是工业控制系统的重要因素。现有的基于单片机的多路数据采集系统一般都通过外加 A/D 转换器及多路模拟开关等芯片来实现 15。总结以上简单介绍了数据采集系统，而且这些数据采集系统将有广泛的应用前景。这些系统可广泛应用与以单片机为核心构成的智能仪器仪表系统、数据采集系统和计算机测控系统。同时也为智能仪器仪表系统搭建了一个较好的硬件平台。 参考文献1孙 良，宋曙芹.便携式数据采集仪表的设计与实现J.计算机测量与控制200311(4)：23-422朱卫华，黄智伟.一种微机与单片机无线串行通信的设计方法
18、J.南华大学学报（理工版）第 16 卷第 3 期 2002 年 9 月：56-1023马泽忠，穆光辉.基于单片机和 CPLD 的高精度数据采集系统设计J，36-384王宇晓.数据采集系统设计及相关问题研究J,潍坊学院学报 第 4 卷第 6 期 2004 年-11 月，12-165陈明克，邹久朋，刘学武. 基于微机控制通信的单片机通用数据采集系统 J，技术纵横：11-186杨国宇，顾威.基于 PIC18F458 单片机的数据采集和通讯系统J,工业控制计算机2006 年 19 卷第 9 期,3-7马兴丽黄，伟志.基于 USB 总线和 Aduc831 单片机的数据采集系统的设计J,中文 8 期刊微计
19、算机信息(测控自动化)2004 年第 20 卷：6-298茹东生，陈学军，陶东香 .多电路串行通信 自动测试系统的研究与设计J,中国测试技术，第 3l 卷第 3 期 2OO5 年 5 月，15-279顾亚雄，朱翠英，许方华.基于 LabVIEW 的单片机多路数据采集系统的设计J,自动化技术与应用，2009 年第 28 卷：6-1010 徐云，杨川，王超，黄璐.基于串行通信的虚拟仪器数据采集器J,仪表技术与传感器 2002 年：2-511员天佑，谢阅，李潮.基于单片机的多路信号异步采集技术J,中国工程物理研究院计算机应用研究所：4-612王述全，孟臣，张福军.基于串行接口方式单片机通用数据采集系
20、统设计J, 中国测试技术：14-2813芦 艳，裴 东，梁西银，吕恩胜.基于 PIC 单片机的多路数据采集系统J,西北师范大学学报(自然科学版) 第 44 卷 2008 年第 6 期：1-314郁继宗，彭树生.基于 PIC 单片机的以太网数据采集与控制电路设计J，电子技术：5-915陈丽娜.基于 USB 接口和单片机实现的数据采集系统J, 计算机科学 2004，31：24-28毕业设计（20_ _届）基于单片机的多路数据采集系统设计摘 要数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。它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、
21、存储和显示。系统主要由单片机模块、A/D 转换模块、正弦波信号发生器及 F/V 变换模块和显示模块组成。正弦波信号发生器的设计，利用改变电阻来改变振荡频率，使频率在 200Hz2KHz 范围变化，再经 F/V 变换后输出 15V 直流电压（200Hz 对应 1V，2KHz 对应 5V） ；由于模拟信号不能在数字线路中传输，故设计了 A/D 转换模块；采用键盘和显示模块对采集来的数据进行显示；为了提高系统智能化、可靠性、实用性，采用了主从单片机通信的方法，主控器通过串行传输线路对从机进行监控管理，并进行相应的数据处理。硬件设计合理、结构简单、成本低廉；软件采用 C51 语言实现，程序简单，效率高
22、。关键词：单片机 AT89S51；ADC0809；数据采集AbstractData acquisition system is the essential link between the analog domain and the digital domain, and its existence has a very important role. It collects data output from the sensor, converts analog signals into digital signals, and then analyzes, processes, trans
23、mits, displays and stores information.The system mainly consists of single-chip microcomputer module, A/D converter module, sine wave signal generator and F/V conversion module and display module. The design of sine wave signal generator is complemented by changing the oscillation frequency between
24、200Hz and 2KHz, and then get the 15V DC voltage through F/V transformation (200Hz corresponds to 1V, 2KHz corresponds to 5V). Because the analog signal can not be transmitted in a digital circuit, here it uses A/D converter module. It displays the collected data by using LED digital display. To impr
25、ove intelligence, reliability, availability, the system uses communication between master and slave microcontroller, and the master monitors, manages the slave via the serial transmission line, and the corresponding data processing. Hardware design is reasonable, simple, and low cost; software uses C51 language, the program is simple and efficient. Key Words: AT89S51; ADC0809; Data Acquisition
