多路数据采集系统

多路数据采集系统
摘要
本系统采用双单片机控制，主机使用美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机C8051F020，从单片机使用STC12C5204AD单片机。

实现用从单片机STC12C5204AD利用内部自带的8路AD采集8路数据，同时应答主机发送的命令。

在主单片机与从单片机的通
讯中,由于传输距离大于RS232 的标准, 故采用国际标准的RS485 差分方式接口。

该系统
实现了一种实用型远距离数据采集传送的稳定主控单片机通过串行传输线路对各路数据进
行和显示，并能实现循环采集和选择采集方式进行数据采集。

显示采用12864液晶显示器来同时显示地址和相应的数据，让人机界面更加直观。

本系统采用RS-485芯片进行通信，通信率高，距离远。

通过对系统的调试与使用，系统运行良好，达到了题目所有要求的性能指标。

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关键词：C8051F020多路数据采集RS-485通信电路
一．系统方案论证和选择
根据本题要求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）。

在数据采集器第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，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。

主控器通过串行传输线路对
各路数据进行采集和显示。

经经对题目任务分析，多路数据采集系统可由下面三种方案来实现：p1EanqFDPw
方案一：采用RC桥式振荡器电路产生正弦交流信号。

利用可变电阻改变振荡频率就可
以调节出200Hz～2kHz的频率，经过F/V变换器变换成1—5V的直流电压，再经过分压器
分出其他6路信号分别送到模数转换器ADC0809转换成8为二进制数字信号给STC89C52单片机。

STC89C52单片机通过RS-485通信电路将8路不同的信号给发送出去。

主控单片
机C8051F020通过RS-485通信电路将各路不同的信号和地址显示在12864液晶屏上。

此电路系统方框图如图1—1所示：DXDiTa9E3d
该方案采用RC桥式振荡器电路，此电路需要满足相位平衡，震荡平衡条件和正弦波振
荡的起振条件才能正常工作。

又由于该电路的频率稳定性差和制作困难。

故此方案不采用。

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系统方框图如图1—1
方案二：采用ICL8038芯片作为正弦波发生器电路，系统方框图原理和工作方式基本
相似。

此电路系统方框图如图1—2所示：5PCzVD7HxA
该方案采用了专业的波形产生芯片ICL8038输出的频率精度高，失真度小。

但要使用8路ADC0809转换电路，电路复杂，制作困难，成本高。

故此方案不采用。

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系统方框图如图1—2
方案三：此方案是在方案二的基础上加以该进，采用STC12C5204单片机。

内部自带8路AD转换器，这样大大的减少了制作难度，大力挖掘单片机内部资源。

同时也减少产品成本。

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综上三种方案论证决定采取方案三。

系统方框图如图1—3
二、通信方案论证和选择
方案一、采用RS232通信，但RS232的可靠通信距离仅为15米。

方案二、采用RS485总线，它采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能
力。

加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外
得到恢复。

RS-485为双端电气接口，双端传送信号，其中DIRO为接收发送控制端，当DIR0=0时为接收数据；当DIR0=1时为发送数据，其电压回路为双向，传输率可达20Kbps。

由于本设计要求主控器能对100米以外的数据采集器的数据进行采集和控制，故本设计采用
RS485总线。

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三、系统硬件设计
多路数据采集系统由正弦波产生模块、频率调节模块、频率电压转换模块、CST12C5204处理器(内带8路模数转换A/D)、RS-485通信模块、电源模块、显示模块、按键模块和主控
C8051F020系统组成。

系统硬件结构框图如图1-3所示。

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1、正弦波产生器电路的设计与原理
设计中采用ICL8038来产生正弦波。

通过调节RP1来改变频率，其范围值为
20HZ∽20KHZ，RP3用于改善正弦波负向失真。

RP4改善正弦波正向失真。

正弦波发生器
原理图如1—4所示：dvzfvkwMI1
图1—4 正弦波发生器原理图
上图还可以同时产生方波、三角波等信号。

2 、F/V变换电路设计
将正弦信号输入到F/V变换电路之前要对正弦信号进行滤波、放大。

F/V变换原理图如图1—5所示：
图1—5 F/V变换原理图
F/V 变换模块采用精密且廉价的F/V 变换器LM331，此集成电路线形度可达0.06%，该IC输出电压Vo与输出频率的关系为Vo=fi，而设计要求将200～2000HZ的频率变换为1～5V的电压，可得到变换式为：V=0.00222f+0.556 rqyn14ZNXI
故应对F/V变换的结果进行电位平移。

3、电源模块的设计与原理
根据本系统的要求设计电源，由于本系统对电源的要求不高故选用15V/0.6A的变压器变压成15V交流电再经过桥式整流电路整流成直流电。

又由于需要提供外部电路（如
LM331、ICL8038、运放的芯片）的电源。

故采用7812CV和7912CV集成稳压芯片稳压成±12V 电源为外部电路提供电源。

再通过集成稳压芯片7805CV稳压成5V为STC12C5204控制器和主控器C8051F020系统提供电源。

电源模块电路图如图1-6所示：EmxvxOtOco
如图1-6 电源模块电路图
4、键盘模块电路设计
根据设计需求，本系统采用了8个独立按键，用8个上拉电阻和瓷片电容来消除按键的抖动，
并且还采用了74HCT245芯片来进一步的隔离按键误抖动。

电路如图1—7所示：SixE2yXPq5
图1—7 键盘模块电路设计
5、显示模块的设计与原理
由于本设计要显示的内容较多，LED已不能胜任，故采用图形液晶显示模块12864，显
示分辨率为128×64点。

显示原理图如图1—8所示：6ewMyirQFL 图1—8 显示模块原理图
6、RS-485电路设计与原理
通过题目要求采用RS-485通信电路实现主控单片机C8051F020与从单片机STC12C5404AD进行通信。

由于考虑到通信电路的干扰问题特在电路中加了三个光电耦合
器来进行隔离干扰信号。

RS-485电路图如图1—9所示：kavU42VRUs
图1—9 RS-485通信电路
7、信号采集处理单元模块设计
在此方案采用双单片机，即在数据采集的远端、近端均采用单片机控制，远端完成数据
的采集、抽样、平滑、发送；近端完成数据的接收、校验、纠错、处理与显示等。

y6v3ALoS89 由于从单片机只做数据采集和通信工作，故I/O不需很多。

又为了减少8路A/D硬件电路设计的繁琐和成本问题。

特采用了小单片机STC12C5204作为从单片机。

它内部有8路8位的A/D转换器采集外部的8路数据信号，满足本设计要求。

内部自带8路A/D转换器从单片机STC12C5204原理图如图1—10所示：M2ub6vSTnP
图1—10 单片机STC12C5204系统原理图
四、系统软件设计
系统的软件采用C语言编程，软件开发采用新华龙Silicon Laboratories IDE软件平台进行调试。

为了编写和调试的方便，节省资源，程序使用模块化设计，根据各功能要求分别设计程序，大大简化了程序的设计和调试工作，节省设计周期。

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五、系统调试与分析
六、总结
本系统采用双单片机控制，主机使用C8051F系列单片机C8051F020，从单片机使用STC12C5204AD单片机。

实现用从单片机STC12C5204AD利用内部自带的8路AD采集8路数据，同时应答主机发送的命令。

在主单片机与从单片机的通
讯中,由于传输距离大于 RS232 的标准, 故采用国际标准的RS485 差分方式接口。

该系统实现了一种实用型远距离数据采集传送的稳定主控单片机通过串行传
输线路对各路数据进行和显示，并能实现循环采集和选择采集方式进行数据采
集。

显示采用12864液晶显示器来同时显示地址和相应的数据，让人机界面更加直观。

在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。

因为时间有限，该系统还有许多值的改进的地方，红
外线有一定的缺陷，在光线较强的环境下输出的高低电平不稳定，因此在红外接发管上加上屏蔽罩减小与外界环境的接触。

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附录
附录一从单片机控制原理图
附图1 从单片机控制器附图二正弦波发生器原理图
附图三 F/V变换原理图附录二主单片机控制系统
附录三程序流程图。