計算機(jī)控制課程設(shè)計說明書第1頁共18頁1引言11數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的意義數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。本設(shè)計采用A/D轉(zhuǎn)換器和51單片機(jī)組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、高性價比、具有顯示、記錄存儲功能，能夠適應(yīng)油田野外惡劣環(huán)境，具有性能穩(wěn)定、可靠性高、響應(yīng)速度快操作簡單、費(fèi)用低廉、回放過程的信號可以直觀的觀察。它與有線數(shù)傳相比主要有布線成本低、安裝簡便、便于移動等性能。經(jīng)調(diào)查，目前數(shù)據(jù)采集器的市場需求量大，以數(shù)據(jù)采集器為核心構(gòu)成的小系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，因此開發(fā)高性能的數(shù)據(jù)采集器具有良好的市場前景。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集是工、農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，在醫(yī)藥、化工、食品、等領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，往往需要隨時檢測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時，還要對某一檢測點(diǎn)任意參數(shù)能夠進(jìn)行隨機(jī)查尋，將其在某一時間段內(nèi)檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來，以便進(jìn)行比較，做出決策，調(diào)整控制方案，提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集勢必將得到越來越多的應(yīng)用，為適應(yīng)這一趨勢，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學(xué)研究中，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，也是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和生成知識的重要手段之一。單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)適用于各種現(xiàn)場自動化監(jiān)測及控制，能夠適應(yīng)油田野外惡劣環(huán)境，具有性能穩(wěn)定、可靠性高、響應(yīng)速度快操作簡單、費(fèi)用低廉、等優(yōu)點(diǎn)。1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。比如條碼機(jī)、掃描儀等都是數(shù)據(jù)采集工具。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是指運(yùn)用計算機(jī)處理信息而構(gòu)成的系統(tǒng)。其主要功能是將輸入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工、整理，計算各種分析指標(biāo)，變?yōu)橐子诒蝗藗兯邮艿男畔⑿问?，并將處理后的信息進(jìn)行有序貯存，隨時通過外部設(shè)備輸給信息使用者。計算機(jī)控制課程設(shè)計說明書第2頁共18頁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴(yán)格的意義上來說，應(yīng)該是用計算機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲、處理、分析計算以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個部分組成。輸入通道要實(shí)現(xiàn)對被測對象的檢測，采樣和信號轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存儲與管理要用存儲器把采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行管理和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關(guān)干擾噪聲，無關(guān)信息和必要的信息，提取出反映被測對象特征的重要信息。另外，就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以便于檢索；或者把數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來物理量的形式，以可輸出的形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出，例如打印，顯示，繪圖等。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行輸出和顯示。2系統(tǒng)的總體設(shè)計方案2.1系統(tǒng)的設(shè)計思路本設(shè)計的基本思路是：根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，首先從整體上規(guī)劃好整個系統(tǒng)的功能和性能，然后再對系統(tǒng)進(jìn)行劃分，將比較復(fù)雜的系統(tǒng)分解為多個相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，特別注意對各個子系統(tǒng)與系統(tǒng)、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的接口關(guān)系進(jìn)行精心設(shè)計以及技術(shù)指標(biāo)的合理分解。然后再由子系統(tǒng)到部件、部件到具體元器件的選擇和調(diào)試。各部件或子系統(tǒng)各自完成后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，直到完成總體目標(biāo)。2.2系統(tǒng)的設(shè)計方案用51單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器組成的電路使用方便，51單片機(jī)種類多，價格便宜，我們對51系列單片機(jī)比較了解，適用范圍廣，更加適合數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的應(yīng)用。實(shí)物圖連接電路簡單，故最終決定使用此方案。其總體系統(tǒng)框圖如2.2.1圖所示：計算機(jī)控制課程設(shè)計說明書第3頁共18頁圖2.1系統(tǒng)總體框圖2.3系統(tǒng)的工作原理通過一個A/D轉(zhuǎn)換器采樣一個模擬電壓，每隔一定時間去采樣一次，每次相隔的時間由定時器/計數(shù)器芯片8253控制，采樣的結(jié)果送入A/D轉(zhuǎn)換器芯片0809，轉(zhuǎn)換完成后，把轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號送入并行接口芯片8255，然后由中斷控制器向CPU發(fā)出中斷請求，在CPU控制下把8225中的數(shù)字送入外設(shè)即CRT/LED顯示。3硬件電路設(shè)計及描述3.18253芯片控制采樣時間8253芯片是NMOS工藝制成的可編程計數(shù)器/定時器。內(nèi)部有三個計數(shù)器，分別成為計數(shù)器0、計數(shù)器1和計數(shù)器2，他們的機(jī)構(gòu)完全相同。每個計數(shù)器的輸入和輸出都決定于設(shè)置在控制寄存器中的控制字，互相之間工作完全獨(dú)立。每個計數(shù)器通過三個引腳和外部聯(lián)系，一個為時鐘輸入端CLK，一個為門控信號輸入端GATE，另一個為輸出端OUT。每個計數(shù)器內(nèi)部有一個8位的控制寄存器，還有一個16位的計數(shù)初值寄存器CR、一個計數(shù)執(zhí)行部件CE和一個輸出鎖存器OL。執(zhí)行部件實(shí)際上是一個16位的減法計數(shù)器，它的起始值就是初值寄存器的值，而初始圖3.18253芯片引腳圖計算機(jī)控制課程設(shè)計說明書第4頁共18頁值寄存器的值是通過程序設(shè)置的。輸出鎖存器的值是通過程序設(shè)置的。輸出鎖存器OL用來鎖存計數(shù)執(zhí)行部件CE的內(nèi)容，從而使CPU可以對此進(jìn)行讀操作。采用工作方式2，稱作速率波發(fā)生器。進(jìn)入這種工作方式，OUTi輸出高電平，裝入計數(shù)值n后如果GATE為高電平，則立即開始計數(shù)，OUTi保持為高電平不變；待計數(shù)值減到“1”和“0”之間，OUTi將輸出寬度為一個CLKi周期的負(fù)脈沖，計數(shù)值為“0”時，自動重新裝入計數(shù)初值n，實(shí)現(xiàn)循環(huán)計數(shù)，OUTi將輸出一定頻率的負(fù)脈沖序列，其脈沖寬度固定為一個CLKi周期，重復(fù)周期為CLKi周期的n倍。圖3.28253連接電路圖如果在減“1”計數(shù)過程中，GATE變?yōu)闊o效（輸入0電平），則暫停減“1”計數(shù)，待GATE恢復(fù)有效后，從初值n開始重新計數(shù)。這樣會改變輸出脈沖的速率。如果在操作過程中要求改變輸出脈沖的速率，CPU可在任何時候，重新寫人新的計數(shù)值，它不會影響正在進(jìn)行的減“1”計數(shù)過程，而是從下一個計數(shù)操作用期開始按新的計數(shù)值改變輸出脈沖的速率。3.28255并行I/O接口電路8255芯片是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時的中間接口電路。計算機(jī)控制課程設(shè)計說明書第5頁共18頁8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。CS:芯片選擇信號線。RD:讀信號線。WR:寫入信號。D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。PA0PA7:端口A輸入輸出線。PB0PB7:端口B輸入輸出線。PC0PC7:端口C輸入輸出線。A1,A0:地址選擇線,用來選擇8255的PA口,PB口,圖3.38255芯片PC口和控制寄存器。8255具有3個相互獨(dú)立的輸入/輸出通道端口，用+5V單電源供電，能在一下三種方式下工作。方式0：基本輸入輸出方式；方式1：選通輸入/出方式；方式三：雙向選通輸入/輸出方式。圖3.38255并行接口電路圖計算機(jī)控制課程設(shè)計說明書第6頁共18頁3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)在MCS-51單片機(jī)系列芯片中，用89C51芯片可以構(gòu)成最小系統(tǒng)。因為片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，用這種芯片構(gòu)成的單片及最小系統(tǒng)簡單、可靠。單片機(jī)在開機(jī)時都需要復(fù)位，以便中央處理器CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。51的RST引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位電平是高電平有效，持續(xù)時間要有24個時鐘周期以上。圖3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)特點(diǎn)：1、受集成度所限，只能用于小型控制單元。2、有可供用戶使用的大量的I/O口線。3、僅有芯片內(nèi)部的存儲器，故存儲器的容量有限。4、8051的應(yīng)用軟件要依靠半導(dǎo)體掩膜技術(shù)植入，適于在大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)中使用。計算機(jī)控制課程設(shè)計說明書第7頁共18頁3.4數(shù)據(jù)采集電路3.4.1ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809八位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，包括8位模擬轉(zhuǎn)換器、8通道轉(zhuǎn)換開關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。8路轉(zhuǎn)換開關(guān)能直接連通8個單端模擬信號中的任何一個。各引腳的功能如下：IN0IN7：8個通道的模擬量輸入端。可輸入05V待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。D0D7：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。三態(tài)輸出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道選擇端。當(dāng)CBA=000時，IN0輸入；當(dāng)CBA=111時，IN7輸入。ALE：地址鎖存信號輸入端。該信號在上升沿處把A、B、C的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開關(guān)的地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號中的某一路。START：啟動轉(zhuǎn)換信號輸入端。從START端輸入一個正脈沖，其下降沿啟動ADC0809開始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于100200ns。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。啟動A/D轉(zhuǎn)換時它自動變?yōu)榈碗娖?。OE：輸出允許端。CLK：時鐘輸入端。ADC0809的典型時鐘頻率為640kHz，轉(zhuǎn)換時間約為100s。REF(-)、REF(+)：參考電壓輸入端。ADC0809的參考電壓為5V。VCC、GND：供電電源端。ADC0