单片机数据采集系统设计与实现

摘 要：本文以AT89C51单片机为核心，设计一个基于单片机的数据采集系统。系统可以采集16路模拟量，精度为12位，16路开关量和2路脉冲量，并将采集到的数据每隔一分钟通过串口发送到PC机。

关键字：AT89C51；数据采集；串口通讯

1 概述

在工业控制系统中，除了控制单元和执行单元外，还必须有反馈环节。在反馈环节中，最重要的就是对数据的采集。一般的工业控制中，数据有很多种形式，最常见的有电流电压的模拟量、以二进制形式输入的开关量以及以脉冲形式输入的脉冲信号。

本文设计一数据采集系统系统，系统以AT89C51单片机为核心，AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,1个全双工串行通信口[1]，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，这给开发带来方便。

如图１所示为设计的系统原理框图。系统选择一个串行的A/D转换芯片，用模拟开关作扩展，两个模拟开关即可扩展成16路的模拟量输入。开关量的采集可以直接用单片机的I/O，用两个并口即可完成16路的开关量采集。如图所示，AT89C51单片机还有两个外部中断接口，即可用来测量脉冲量的输入，采集其输入频率。单片机可以通过串口与上位PC机进行通讯，把采集到的数据发送到上位机上。

图1 系统原理图

2 硬件电路设计

系统硬件可以分成四个部分，分别为模拟量采集电路、开关量采集电路、脉冲量采集电路以及单片机与PC的串口通讯电路。下面分别作简单的介绍。

2.1 模拟量采集电路

模拟量的采集要用到A/D转换芯片，而且精度为12位，这里选择MAX1241　A/D转换器。MAX1241是一种低功耗、低电压的12位逐次逼近型ADC，最大非线性误差小于1LSB，转换时间9ms，内置快速采样／保持电路。MAX1241采用三线式串行接口，与单片机的接线简单，如图２所示[3]。图中两个电容是去藕电容，用以对电源进行滤波。Vi是采集电压的输入端，Vref是A/D转换器的参考电压。一般情况下可以接单片机的电源。

图２　MAX1241与单片机的接线图

系统要求对16路的模拟量进行采集，因此，只有一个A/D转换器就不够的，但如果用多个A/D转换器一方面会造成资源浪费，成本加大，另一方面单片机的I/O也不够，因此这里用两个８路模拟开关进行扩展，扩展成16路。如图１的原理图所示，系统选用两个CD4051模拟开关[3]，并用单片机的四个I/O口控制两个模拟开关的通道选择端，在采集过程中，选择不同的通道进行数据采集。

2.2 开关量采集电路

对开关量的采集电路相对比较简单，因为开关量的状态只有0和１两种，所以只要用两个单片机的并口就可以了，这里用的是P0口和P2口。但是有一点需要说明的是： 由于AT89C51单片机的P0口内部没有上拉电阻，所以在电路中必须加入外部上拉电阻，阻值可以是4.7K～10K。而P2口内部自带上拉电阻，所以不需外加上拉电阻。采集输入电路如图１系统原理图所示。

2.3 脉冲量采集电路

脉冲量信号是周期变化的信号，AT89C51单片机有两个外部中断INT0和INT1接口，利用这两个外部中断输入接口，可以对脉冲量信号进行测量，脉冲信号可以直接送到单片机的外部中断接口，也可以进行适当的整形后再送到单片机的外部中断接口，如加入带施密特功能的反向器74LS14。也可以用比较器进行整形，这样使单片机的采集测量更加可靠，更加精确。

2.4 通讯电路

该系统没有设计数据的显示系统，所以把采集到的数据发送到上位PC机上，与PC进行通讯。因为单片机与PC机的电平是不一样的，因此两者要进行数据交换，必须采用相应的电平转换电路。用得最多的就是RS232通讯方式，采用MAX232芯片即可完成。简单的电路如图３所示。

图３　通讯电路

3 软件设计

根据设计要求，按照实现功能的分类，软件部分主要完成四项任务：系统初始化、数据采集、数据处理、向PC机发送数据。在数据处理中，需要进行大量浮点数的乘除法和正弦、余弦运算，因此数据处理部分采用C语言编写，在Keil环境中模块化编程，充分利用C语言强大的计算能力。在数据采集部分中，MAX1241对时序要求比较严格，采用汇编语言实现，所有功能模块均为独立的C文件或ASM文件。而实现C语言和汇编语言的混合编程[2]是软件设计中的难点和关键之一。在设计中，汇编语言采用单独的文件，通过寄存器传递函数参数。程序流程图如图４所示。

这里给出MAX1214的控制程序，是用汇编语言编写，控制子程序完成一次A/D转换和输入，输入数据存放于R0，R1寄存器。

；寄存器及端口定义：

CS： BIT P1.0 ；片选信号位

DOUT： BIT P1.2 　　　；串行数据输入位

SCLK： BIT P1.1 ；驱动时钟位

DATA_BH： EQU R0 ；高字节数据存储单元

DATA_BL： EQU R1 ；低字节数据存储单元

CONT_H： EQU R0 ；高位取数计数器

CONT_L： EQU R1 ；低8位取数计数器

SADC_R： XRL A，A ；清A

MOV CONT_H，＃04H ；高8位计数

MOV CONT_L，＃08H ；低8位计数

CLR SCLK ；SCLK置“0”

CLR CS ；选中1241，启动转换

SADC END：JNB DOUT，SADC_ END ；检测A/D转换结束

READ_H： SETB SCLK ；

CLR SCLK ；产生一个驱动时钟

MOV C，DOUT ；输入一位数据

RLC A ；数据移位至ACC．0

DJNZ CONT_H，READ_H ；高 4位输入结束判别

MOV DATA_BH，A ；高 4位数据送寄存器

READ_L： SETB SCLK

CLR SCLK ；产生一个驱动时钟

MOV C，DOUT ；输入一位数据

RLC A ；数据移位置ACC．0

DJNZ CONT_L，READ_L ；低8位输入结束判别

MOV DATA_BL，A ；低8位数据送寄存器

SETB SCLK

CLR SCLK ；清 DOUT输出

SETB CS ；撤消片选

RET

图4　软件程序流程图

4 结束语

该系统以AT89C51单片机为核心，可以对16路模拟量、16路数字开关量和两路脉冲量进行采集，模拟量采集精度达到12位，在实际应用中，可以对电压信号进行直接采集，如果要对传感器的标准电流量进行采集时，还需加入采样电阻，把电流转换成电压后进行采集。对采集的脉冲量的频率取决于单片机的时钟频率，一般不能高于单片机的运行时钟，如单片机用12MHz的晶振，则采集的脉冲频率只能低于12MHz。本系统在实际应用中已调试通过，采集的数据精度高，速度快。

参考文献

[1]孙涵芳.单片机原理及应用(修订版)北.京航空航天大学出版社,1996年.

[2]马忠梅.单片的C语言应用程序设计(第三版).北京航空航天大学出版社,2003年.

[3]于海生.微型计算机控制技术.北京:清华大学出版社,1999年.