测控电路课程设计 多路数据采集系统

中北大学

课程设计报告

学院（系）：信息商务学院

专业：测控技术与仪器

学生姓名：学号：

设计题目：多路数据采集系统

起迄日期: 2011.12.19. ~2012.01.04 .

设计地点:中北大学主楼1409、1417、1418 指导教师:杜红棉

专业负责人:靳鸿

目录1 数据采集系统的基本介绍

1.1题目

1.2数据采集系统的基本原理

1.3 数据采集系统的分类

1.4 数据采集系统的基本功能

1.5 数据采集系统的结构形式

1.6 数据采集系统设计的原则

2系统功能的介绍

2.1方案的论证

2.1．1模数转换的选择

2．1 2.87C51的选择

2．1.3.显示电路

2．1.4.电压/频率转换器

3数据采集系统的硬件设计

3.1传感器的介绍，分类及特点

3.2 信号放大电路

3.3 频率变换电路

3.4 信号调理电路

3.5 AD转换电路

3.6 单片机部分

3.7 串口电路

3.8数码管显示电路

4 软件设计部分

4.1主机系统电路图

4.2从机系统电路图

5小结

6数据分析

内容

本实验采用8051系列单片机，8051系列单片机基于简化的嵌入式控制系统结构，具有体积小、重量轻，具有很强的灵活性而且价格不高本系统现场模拟正弦波信号以及其他6路分压信号以供系统进行多路采样，采用ICL8038精密信号发生芯片产生频率可变的正弦波，然后由LM331芯片实现频率到电压的转换，之间还需对信号进行调理以符合系统要求

1数据采集系统的基本介绍

1.1题目

设计一个八路数据采集系统，系统原理框图如下：

主控器能对50米以外的各路数据，通过串行传输线进行采集的显示。具体设计任务是：

（1）现场模拟信号产生器。

（2）八路数据采集器。

（3）主控器。

要求（1）现场模拟信号产生器：自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz～2kHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应1～5V直流电压（200Hz对应1V，2kHz对应5V）。

（2）八路数据采集器：数据采集器第1路输入自制1～5V直流电压，第2～7路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度），第8路备用。将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。

（3）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……8路、……1路）和选择采集（任选一路）二种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。

1.2数据采集系统的结构原理

数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。数据采集系统的输入又称为数据的收集；数据采集系统的输出又称为数据的分配。

1.3 数据采集系统的分类

数据采集系统的结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见的分类方法有以下几种：根据数据采集系统的功能分类：数据收集和数据分配；根据数据采集系统适应环境分类：隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统的控制功能分类：智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号的性质分类：电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入(SE)和差动输入(DE)，单极性和双极性；根据信号通道的结构方式分类：单通道方式，多通道方式。

1.4 数据采集系统的基本功能

数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数根进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视。

1.5数据采集系统的结构形式

从硬件力向来看，白前数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散型数据采集系统。微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、AD转换器、计算机及外设等部分组成。集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成。位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。

1.6数据采集系统设计的基本原则

对于不同的采集对象，系统设计的具体要求是不相同的。但是，由于数据采集系统是由硬件和软件两部分组成的，因此，系统设计的一些基本原则是大体相同的。

2系统功能介绍

系统的结构框图如图所示。本系统执行的过程如下：传感器把采集的非电量信号转换成电压（0-5V）或电流（4-20mA）的标准信号，通过信号调理电路把模拟信号送到单片机内部的A/D 转换器，CPU 根据设定的采样周期，对多路通道信号进行循环采集，并读取A/D 转换器转换的数字信号，进行分析计算后将实测值送到液晶上指定的位置显示，同时通过键盘控制把有用的数据及采样时间存储在ROM中。最后通过串行通讯把ROM中的数据传送到PC 机，利用VB提供良好的界面和串口通信功能。

图1 原理框图

ICL8038正弦波信号发生器 LM331组成的F\V变换电路

主单片机AT89C52纠错、 AD转换电路 ADC0809 数据采集处理校验、显示单元

RS-458标准通信

图2系统所用原器件单元模块图

2．1 方案的论证

2.1．1模数转换的选择

A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位，10位，12位和16位等。位数越高分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器的型号很多，在精度和转换速度上差异很大。

（a）双积分A/D转换器：双积分式是一种间接式A/D转换器，优点是转换精度高，速度快缺点是转换时间长，一般要40～50ms，适用于转换速度不快的场合。

（b）逐次逼近式A/D转换器：逐次逼近式的属于直接式A/D转换器，转换精度高，速度高，价格适中，是目前种类最多，应用最广的A/D转换器，典型的8位模数转换器有ADC0809。

鉴于方案（b）的转换速度比方案（a）快，价格适中，各类繁多，应用广泛，故本设计采用ADC0809。

2．12.87C51的选择

单片机是属于Embedded System(嵌入系统)，此系统的是把CPU 加上一些少量的内存和输出入组件(I/O)，都嵌入在一颗芯片内，再使用特定的组译和编译软件编辑程序，利用烧录器把程序储存到单芯片，如此加上一些简单的周边电路，即可变成一个控制系统。本设计中选用87C51其中内部已内建程序存储器ROM，不必再去外扩程序存储器，使用更加方便。

2．1.3.显示电路

LED数码管以发光二极管作为发光单元，单色，分段全彩管可用大楼，道路，河堤轮廓亮化，LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频文件。通过电脑下flash、动画、文字等文件，或使用动画设计软件设计个性化动画，播放各种动感变色的图文效果。

LED的优点：1.体积小 2.耗电量低 3.使用寿命长 4.高亮度、低热量5.环保 6.坚固耐用

所以在本系统中采用低功耗的LED4561A

2．1.4.电压/频率转换器

电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。

所以在本系统中采用性能价格比高、外围电路简单、可单电源供电、低功耗的LM331。

3 数据采集系统的硬件设计

3．1 数据的采集部分

传感器的分类及特点

传感器根据被测物理量的不同分为温度传感器，压力传感器，湿度传感器，流量传感器等。传感器把采集的非电量信号转换成电压（0-5V）或电流（4-20mA）的标准信号，本系统采用温度传感器。

温度传感器测量物体温度的方法可分为接触式和非接触式。接触式测温法是将传感器置于与被测物体相同的热平衡中，使传感器与物体保持同一温度的测温法。实现这种方法有两种途径，一是利用介质受热膨胀的原理来检测温度，二是利用敏感元件电气参数随温度变化的特性来检测温度。非接触式测温法不必将传