摘 要：本文以AT89C51單片機為核心，設計一個基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可以采集16路模擬量，精度為12位，16路開關(guān)量和2路脈沖量，并將采集到的數(shù)據(jù)每隔一分鐘通過串口發(fā)送到PC機。

關(guān)鍵字：AT89C51；數(shù)據(jù)采集；串口通訊

1 概述

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，除了控制單元和執(zhí)行單元外，還必須有反饋環(huán)節(jié)。在反饋環(huán)節(jié)中，最重要的就是對數(shù)據(jù)的采集。一般的工業(yè)控制中，數(shù)據(jù)有很多種形式，最常見的有電流電壓的模擬量、以二進制形式輸入的開關(guān)量以及以脈沖形式輸入的脈沖信號。

本文設計一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)，系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,1個全雙工串行通信口[1]，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程，這給開發(fā)帶來方便。

如圖１所示為設計的系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)選擇一個串行的A/D轉(zhuǎn)換芯片，用模擬開關(guān)作擴展，兩個模擬開關(guān)即可擴展成16路的模擬量輸入。開關(guān)量的采集可以直接用單片機的I/O，用兩個并口即可完成16路的開關(guān)量采集。如圖所示，AT89C51單片機還有兩個外部中斷接口，即可用來測量脈沖量的輸入，采集其輸入頻率。單片機可以通過串口與上位PC機進行通訊，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機上。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件電路設計

系統(tǒng)硬件可以分成四個部分，分別為模擬量采集電路、開關(guān)量采集電路、脈沖量采集電路以及單片機與PC的串口通訊電路。下面分別作簡單的介紹。

2.1 模擬量采集電路

模擬量的采集要用到A/D轉(zhuǎn)換芯片，而且精度為12位，這里選擇MAX1241　A/D轉(zhuǎn)換器。MAX1241是一種低功耗、低電壓的12位逐次逼近型ADC，最大非線性誤差小于1LSB，轉(zhuǎn)換時間9ms，內(nèi)置快速采樣／保持電路。MAX1241采用三線式串行接口，與單片機的接線簡單，如圖２所示[3]。圖中兩個電容是去藕電容，用以對電源進行濾波。Vi是采集電壓的輸入端，Vref是A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。一般情況下可以接單片機的電源。

圖２　MAX1241與單片機的接線圖

系統(tǒng)要求對16路的模擬量進行采集，因此，只有一個A/D轉(zhuǎn)換器就不夠的，但如果用多個A/D轉(zhuǎn)換器一方面會造成資源浪費，成本加大，另一方面單片機的I/O也不夠，因此這里用兩個８路模擬開關(guān)進行擴展，擴展成16路。如圖１的原理圖所示，系統(tǒng)選用兩個CD4051模擬開關(guān)[3]，并用單片機的四個I/O口控制兩個模擬開關(guān)的通道選擇端，在采集過程中，選擇不同的通道進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 開關(guān)量采集電路

對開關(guān)量的采集電路相對比較簡單，因為開關(guān)量的狀態(tài)只有0和１兩種，所以只要用兩個單片機的并口就可以了，這里用的是P0口和P2口。但是有一點需要說明的是： 由于AT89C51單片機的P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，所以在電路中必須加入外部上拉電阻，阻值可以是4.7K～10K。而P2口內(nèi)部自帶上拉電阻，所以不需外加上拉電阻。采集輸入電路如圖１系統(tǒng)原理圖所示。

2.3 脈沖量采集電路

脈沖量信號是周期變化的信號，AT89C51單片機有兩個外部中斷INT0和INT1接口，利用這兩個外部中斷輸入接口，可以對脈沖量信號進行測量，脈沖信號可以直接送到單片機的外部中斷接口，也可以進行適當?shù)恼魏笤偎偷絾纹瑱C的外部中斷接口，如加入帶施密特功能的反向器74LS14。也可以用比較器進行整形，這樣使單片機的采集測量更加可靠，更加精確。

2.4 通訊電路

該系統(tǒng)沒有設計數(shù)據(jù)的顯示系統(tǒng)，所以把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位PC機上，與PC進行通訊。因為單片機與PC機的電平是不一樣的，因此兩者要進行數(shù)據(jù)交換，必須采用相應的電平轉(zhuǎn)換電路。用得最多的就是RS232通訊方式，采用MAX232芯片即可完成。簡單的電路如圖３所示。

圖３　通訊電路

3 軟件設計

根據(jù)設計要求，按照實現(xiàn)功能的分類，軟件部分主要完成四項任務：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理中，需要進行大量浮點數(shù)的乘除法和正弦、余弦運算，因此數(shù)據(jù)處理部分采用C語言編寫，在Keil環(huán)境中模塊化編程，充分利用C語言強大的計算能力。在數(shù)據(jù)采集部分中，MAX1241對時序要求比較嚴格，采用匯編語言實現(xiàn)，所有功能模塊均為獨立的C文件或ASM文件。而實現(xiàn)C語言和匯編語言的混合編程[2]是軟件設計中的難點和關(guān)鍵之一。在設計中，匯編語言采用單獨的文件，通過寄存器傳遞函數(shù)參數(shù)。程序流程圖如圖４所示。

這里給出MAX1214的控制程序，是用匯編語言編寫，控制子程序完成一次A/D轉(zhuǎn)換和輸入，輸入數(shù)據(jù)存放于R0，R1寄存器。

；寄存器及端口定義：

CS： BIT P1.0 ；片選信號位

DOUT： BIT P1.2 　　　；串行數(shù)據(jù)輸入位

SCLK： BIT P1.1 ；驅(qū)動時鐘位

DATA_BH： EQU R0 ；高字節(jié)數(shù)據(jù)存儲單元

DATA_BL： EQU R1 ；低字節(jié)數(shù)據(jù)存儲單元

CONT_H： EQU R0 ；高位取數(shù)計數(shù)器

CONT_L： EQU R1 ；低8位取數(shù)計數(shù)器

SADC_R： XRL A，A ；清A

MOV CONT_H，＃04H ；高8位計數(shù)

MOV CONT_L，＃08H ；低8位計數(shù)

CLR SCLK ；SCLK置“0”

CLR CS ；選中1241，啟動轉(zhuǎn)換

SADC END：JNB DOUT，SADC_ END ；檢測A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束

READ_H： SETB SCLK ；

CLR SCLK ；產(chǎn)生一個驅(qū)動時鐘

MOV C，DOUT ；輸入一位數(shù)據(jù)

RLC A ；數(shù)據(jù)移位至ACC．0

DJNZ CONT_H，READ_H ；高 4位輸入結(jié)束判別

MOV DATA_BH，A ；高 4位數(shù)據(jù)送寄存器

READ_L： SETB SCLK

CLR SCLK ；產(chǎn)生一個驅(qū)動時鐘

MOV C，DOUT ；輸入一位數(shù)據(jù)

RLC A ；數(shù)據(jù)移位置ACC．0

DJNZ CONT_L，READ_L ；低8位輸入結(jié)束判別

MOV DATA_BL，A ；低8位數(shù)據(jù)送寄存器

SETB SCLK

CLR SCLK ；清 DOUT輸出

SETB CS ；撤消片選

RET

圖4　軟件程序流程圖

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，可以對16路模擬量、16路數(shù)字開關(guān)量和兩路脈沖量進行采集，模擬量采集精度達到12位，在實際應用中，可以對電壓信號進行直接采集，如果要對傳感器的標準電流量進行采集時，還需加入采樣電阻，把電流轉(zhuǎn)換成電壓后進行采集。對采集的脈沖量的頻率取決于單片機的時鐘頻率，一般不能高于單片機的運行時鐘，如單片機用12MHz的晶振，則采集的脈沖頻率只能低于12MHz。本系統(tǒng)在實際應用中已調(diào)試通過，采集的數(shù)據(jù)精度高，速度快。

參考文獻

[1]孫涵芳.單片機原理及應用(修訂版)北.京航空航天大學出版社,1996年.

[2]馬忠梅.單片的C語言應用程序設計(第三版).北京航空航天大學出版社,2003年.

[3]于海生.微型計算機控制技術(shù).北京:清華大學出版社,1999年.文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-495705.html

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