小型数据采集器的研究.docx

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小型数据采集器的研究

青岛理工大学

毕业论文

题目：

小型数据采集器的研究

学生姓名：

-

学生学号：

-

院系名称：

-

专业班级：

-

指导教师：

-

2015年6月16日

毕业设计（论文）任务书

-

题目

小型数据采集器的研究

专题

单片机

主

要

内

容

及

要

求

主要内容：

数据采集器的主要技术指标，如采样速率、分辨率、精度、输入电压范围、控制方式以及抗干扰能力等方面，都有很高的的要求。

本文详细介绍了数据采集系统的解决方案、组成结构及其特性。

采用单片机作为控制器的核心器件，设计了一种通用的多路数据采集系统，通过无线方式可以对多路数据进行实时监控，也可以通过USB接口对数据进行快速传输。

该采集系统是由传感器、信号调理、数据采集硬件、通用计算机、软件等要素构成。

为了满足系统要求，硬件采用模块化、开放性设计，由软件来配置、控制。

要求：

（1）设计简洁设计合理易于扩展

（2）程序简洁可读性好逻辑性强

主

要

技

术

参

数

技术要求：

（1）了解小型数据采集器的工作原理

（2）掌握MCS-51系列单片机的基本结构和特性

（3）了解小型数据采集器设计方案的优劣

（4）选择一种合适方案来实现小型数据采集器的设计

进

度

及

完

成

日

期

2015年4月06日~2015年4月25日：

搜索论文资料及寻找参考文献，。

2015年4月26日~2015年5月11日：

逐步解决遇到的问题，形成初步的论文框架。

2015年5月12日~2015年5月23日：

撰写毕业设计论文，形成初稿。

2015年5月24日~2015年6月07日：

根据老师的意见对论文初稿进行整改，并继续完善系统设计。

2015年6月08日~2015年6月18日：

对论文进行细节修改，最终定稿并制作ppt答辩。

系主任签字

日期

教研室主任签字

日期

指导教师签字

日期

指导教师评语

论文选题有意义，在吸收学术界研究成果的基础上，有自己的心得体会，提出自己的看法，言之成理。

论述观点正确，材料比较充实，叙述层次分明，有较强的逻辑性。

文字通顺、流畅。

行文符合学术规范。

该生查阅文献资料能力较强，能较为全面收集关于小型数据采集器的资料，写作过程中能综合运用小型数据采集器设计知识，全面分析小型数据采集器设计问题，综合运用知识能力较强。

文章篇幅完全符合学院规定，内容较为完整，层次结构安排科学，语言表达流畅，格式比较符合规范要求；参考了较为丰富的文献资料，其时效性较强；

  综合看来，本人认为，该论文达到了专科毕业水平，同意论文答辩。

指导教师:

年月日

青岛理工大学毕业设计（论文）评阅意见表

设计（论文）题目

小型数据采集器的研究

评价项目

评价标准（A级）

满分

评分

A

B

C

D

E

文献资料利用能力

能独立地利用多种方式查阅中外文献；能正确翻译外文资料；能正确有效地利用各种规范、设计手册等。

10

10

9

8

7

≤6

综合运用能力

研究方案设计合理；设计方法科学；技术线路先进可行；理论分析和计算正确；动手能力强；能独立完成设计（论文）；能综合运用所学知识发现和解决实际问题；研究结果客观真实。

20

19－20

17－18

15－16

13－14

≤12

设计（论文）质量

设计（论文）结构严谨；逻辑性强；语言文字表准确流畅；格式、图、表规范；有一定的学术水平或实际价值

40

37-40

32-36

28-31

25-27

≤24

创新能力

有较强的创新意识；所做工作有较大突破；设计（论文）有独到见解

15

15

13-14

11-12

10

≤9

工作量

工作量饱满；圆满完成了任务书所规定的各项任务。

15

15

13-14

11-12

10

≤9

总分

是否同意将该设计（论文）提交答辩：

是（）否（）

具体评阅及修改意见：

评阅人：

年月日

注：

1.请按照A级标准，评出设计（论文）各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中；

2.计算出总分。

若总分<60分，“设计（论文）质量”<24分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。

该设计（论文）须限期修改合格后重新申请答辩。

3.评阅意见栏不够可另附页。

答辩委员会评语

评

定

成

绩

周记

说明书

（或论文）

图纸

答辩

总评

答辩委员会主席签字

日期

（5%）

（65%）

（30%）

百分制

等级制

摘要

由于数据采集系统的应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多、对测量的要求也越来越高，国内现在已有不少数据测量和采集的系统，但很多系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题。

人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。

基于单片机的多通道数据采集系统是由将来自传感器的信号通过放大、线性化、滤波、同步采样保持等处理后，输入A／D转换为数字信号后由单片机采集，然后利用SPI通信将数据送到主机进行数据的存储、后期处理与显示，实现了数据处理功能强大、显示直观、界面友好、性价比高、应用广泛的特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域。

关键词：

多通道，数据采集，处理器，单片机

ABSTRACT

Sincethewiderangeofdataacquisitionsystem,whichinvolvesthemeasurementsignalandthetypeofsignalsourcemoreandmore,SurveyorsareincreasinglyhighrequirementsofthedomesticnowhavealotofdataacquisitionandmeasurementsystemButtherearemanysinglefunctionsystems,collectinglessaccess,lowcollectionrate,complicatedoperations,andthedemandsofthetestenvironmentandotherissues．Itrequiresabroadscopeofapplication,highreliabilityandlow-costdataacquisitionsystem．BasedonSCM′smulti-channeldataacquisitionsystemisadoptedwillcomefromthesensorsignalamplification,linearfiltering,Afterprocessingmaintainsynchronoussampling,whichconvertedtodigitalsignalinputA/DconversionbySCMAcquisition,Then,SCMandPCtoPCcommunicationsdatatothedatastorage,post-processinganddisplay.apowerfuldataprocessing,visualshows,friendlyinterfaceandhighperformance-priceratio,awiderangeoffeatures.canbewidelyusedinindustrialcontrolequipment,instruments,andelectricalengineeringintegration,intelligenthomeandmanyotherfields．

Keywords：

multi-channel,dataacquisition,microcontro

目录

摘要I

ABSTRACTII

目录III

第1章绪论1

1.1研究的目的和意义1

1.2当前国内外数据采集器的现状2

1.3本设计主要研究内容3

第2章系统分析与总体设计5

2.1总体设计5

2.2方案论证5

2.2.1传感器的选择5

2.2.2主控部分6

2.2.3数据传输部分7

2.3方案确立7

第3章系统硬件设计9

3.1单片机AT89S52及其最小电路9

3.1.1AT89S52简介9

3.1.2AT89S52引脚说明10

3.1.3单片机的最小系统11

3.2温度采集电路12

3.2.1DS18B20简介12

3.2.2电路设计14

3.3无线传输电路模块16

3.4无线发送与接收电路19

3.5显示电路20

3.5.112864的简介20

3.5.212864液晶模组接口20

3.5.312864的功能部件的介绍21

3.6电源电路23

第四章软件设计25

4.1系统概述25

4.2程序设计流程图及相应程序25

发射部分主程序26

接收部分主程序30

第5章总结32

致谢33

参考文献34

附录135

附录238

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

21世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步同时也带动了测量技术的发展，现代控制设备不同于以前，它们在性能和结构上发生了翻天覆地的变化。

我们已经进入了高速发展的信息时代。

测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用工程的各个领域。

温度是工业、农业生产中常见的最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控，采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。

伴随工业科技、农业科技的发展，温度测量需求越来越多，也越来越重要。

但是在一些特定环境温度监测环境范围大,测点距离远,布线很不方便。

这时就要采用无线方式对温度数据进行采集。

近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。

数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。

由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。

大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。

20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。

由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。

从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。

20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。

该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。

这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。

第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。

20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。

20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。

由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。

数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。

该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。

尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。

相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。

这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。

1.2当前国内外数据采集器的现状

数据采集技术是一种使用且流行的电子技术。

它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域。

随着数字技术的不断发展，数据采集技术也呈现出了速度快、通道多、数据量大的特点。

数据采集是为了温度、压力、流量、速度、位移、光速度、声音等物理量进行在线测量个控制，通过传感器把是上述物理量转换成模拟物理量的电信号，然后将模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，送到计算机进行处理、存储、传输和显示。

数据采集技术在自动测试、自动控制等领域得到广泛的应用。

例如数据遥测系统、自动测试系统、数据采样控制系统、视频信号处理系统等等。

数据采集器是80年代中期出现的先进技术，是一种具有现场记录和离线分析机器设备状态数据功能的便携式分析仪器。

它把安装在设备上的震动传感器和过程传感器所测得物理量作为输入，配合各种测量分析技术以及多样化的显示格式组成一个监测系统，应用于对机器设备进行定期巡回状态监测和故障诊断。

它能和计算机结合在一起成为独立的监测分析系统，是现代机器设备的计算机辅助诊断手段之一。

这类技术在我国推广以后，已取得了良好的效果。

据不完全统计，全国目前生产数据采集器的厂已有11家，应用进口或国产数据采集器记性设备监测和诊断的企业已有数百家。

短短几年，我国的数据采集技术已从无到有发展到一定水平。

便携式条码数据采集器（Bar-codeHandTerminal），是将条码扫描装置与数据终端一体化，带有电池可离线操作的终端电脑设备。

其具有一体性、机动性、体积小、重量轻、高性能，并适于手持等特点。

目前国内外通用的做法都是用嵌入式架构来做便携式数据采集器，采集器内装有嵌入式操作系统（各个生产厂家独立研制开发，互不兼容），如WINCE、windowsmobile或andrios操作系统，应用程序需要在操作系统上独立开发。

因而每个客户的流程都要用嵌入式编程手法去写应用软件，工作量和维护量大，成本也就偏高。

无法进行当前电脑应用软件的直接移值。

如果能有一款设备，使用与桌面计算机同样的操作系统，如windows、linux等，则很多应用软件不需要作PC软件和嵌入式软件的转换，直接利用现有社会软件资源，就能够大大节省社会劳动力。

基于这样的出发点，旭龙条码整合多年的自主开发的经验，同时联合内外部资源，开发出了XL828这款便携式数据采集终端产品。

这款产品的问世，和现有嵌入式采集器拉开距离，避开了同质化竞争，PC软件工程师不象嵌入式软件工程师这么难找，客户能够很容易找到PC软件工程师，迅速进行应用软件开发，十分有利于大规模的应用推广。

1.3本设计主要研究内容

本设计是一种基于单片机的AT89S52芯片的数据采集系统。

是以AT89S52作为控制芯片的硬件实现方法，然后建立系统的硬件部分对数据进行采集。

本设计采用AT89S52单片机作为数据采集系统的控制核心，系统分为数据采集模块、系统控制模块、显示模块等几部分。

系统通过AT89S52ATMEGA16对多通道的数据流进行控制，经过处理后在LCD12864上进行显示。

本设计在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

相关部分附有硬件电路图，程序流程图。

经实验证明，这套系统软硬件设计合理，各项性能良好，经过系统扩展与升级，可以有效的满足各种数据采集的需要。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。

它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。

它在现代信息领域发挥着重要作用，是信息产品不可或缺的重要组成部分。

因此选择基于单片机数据采集系统设计是很有意义也是很有必要的。

随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。

在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集，监视和记录，为提高产品质量，降低成本提供信息和手段。

在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。

总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益也越高。

第2章系统分析与总体设计

通用远程数据采集系统是由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件和软件只有密切配合、协调一致，才能组成一个高性能的数据采集系统。

在系统开发过程中，硬件设计和软件设计是相互关联的，不能截然分开，硬件设计时应该考虑系统资源及软件的实现方法，而软件设计时又要了解硬件的工作原理。

通用数据采集系统开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、调试实验等几个阶段，但各个阶段不是绝对分开的，有事需要交叉进行。

本次设计要实现的是室内温度的采集，首先我们要对温度采集系统所需要的硬件有个正确的选择，以便能够在设计既能打到目的，又能节省资源。

2.1总体设计

温度检测系统有则共同的特点：

测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。

若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。

这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。

所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：

温度传感器的选择和主控单元的设计。

关于信号的传输部分，我们也要作为重点去考虑怎样才能使系统更加完善、更加准确，在传输的过程中尽量避免因外界干扰使得信号产生数据偏差，以便于该实验能够按照要求实现功能。

2.2方案论证

2.2.1传感器的选择

方案一：

采用热敏电阻，热敏电阻是对热敏感的半导体电阻，其阻值随温度变化的曲线呈非线性。

热敏电阻工作范围较宽，可满足-50摄氏度至315摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，偏差较大且容易受到环境的影响。

方案二：

采用单片模拟量的温度传感器，比如AD590，LM35等。

这些芯片输出的都是模拟信号，必须要经过A/D转换后才能送给计算机，这样就使得硬件制作上复杂化。

而且，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点的测量。

即使能实现，也要用到复杂的算法，在一定程度上也增加了软件实现的难度。

因此采用模拟量的传感器显然也不合适。

方案三：

采用数字温度传感器DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

直接把信号送给单片机进行处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，节省原件，且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线性度较好。

在0~100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度，精确性可靠。

DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89S52构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。

这样，测温系统的结构就相对简单，体积也不大，且由于AT89S52可以带多个DSB1820，因此可以非常容易实现多点测量。

轻松的组建传感器网络。

采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。

部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。

而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。

所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。

本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。

2.2.2主控部分

方案一：

采用AT89S52八位单片机实现。

单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。

另外AT89S52在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

方案二：

使用MSP430作控制器，超低功率16位RISC混合信号处理器MSP430产品系列为电池供电测量应用提供了最终解决方案。

作为混合信号和数字技术的领导者，TI公司创新生产的MSP430，使系统设计人员能够在保持独一无二的低功率的同时同步连接至模拟信号、传感器和数字组件。

但在温度采集和实施控制这个重要的场合低功耗相对来说显得就不是那么重要了，而应该考虑它的稳定性、准确性，同时对比AT89S52能够在性能和资源都可以到达一个最佳的状态，可以避免用MSP430的不必要的资源浪费。

2.2.3数据传输部分

方案一：

使用CC1101做无线发送和接收部分，这种模块功耗低，最大发射功率10mW，基于FSK的调制方式，采用高频前向交错和信道交织编码技术，随机抗干扰和突发抗干扰的能力都比较强，误码率也比较低。

在直线可视的情况下，无线放置高度位置>2米，适用于主从较远的数据传输。

该模块使用频段为420MHz-440MHz。

方案二：

使用24L01做数据传输部分，24L01是一中微功耗模块，相比于CC1101还要低很多，内置2.4G天线，体积小巧，方便集成使用。

125个频点，满足多点通信和调频通信使用，支持2M的高速数据传输，减少发射的时间。

24L01芯片有自动重发功能，自动检查和重发丢失的数据包，这种性能是CC1101所不具备的，该芯片使用的频段为2.4G全球开放ISM频段。

因此，我们这里采用微功耗的24L01作为数据发送和接收模块。

2.3方案确立

综上所述，我们传感器采用方案三，控制器采用方案一，数据传输