單片機(jī)控制的多參數(shù)實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 概述

??? 在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，多參數(shù)實(shí)時(shí)采集對(duì)監(jiān)控設(shè)備正常運(yùn)行有著十分重要的作用。多參數(shù)信號(hào)采集是將監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的物理量、化學(xué)量或生物量通過相應(yīng)的傳感器和調(diào)理電路把模擬量轉(zhuǎn)換為易于采集、處理的電壓信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)的處理，一方面反饋給控制部件對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行控制調(diào)整，另一方面送給顯示單元，實(shí)時(shí)顯示采集的信號(hào)數(shù)據(jù)。在航空、汽車、通信、園林等控制領(lǐng)域，多參數(shù)實(shí)時(shí)采集與處理是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。但是專用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備價(jià)格動(dòng)輒上萬，高速數(shù)據(jù)采集卡的價(jià)格也在千元以上，而且這類設(shè)備大多有固定的接口，無法適應(yīng)千差萬別的被測(cè)對(duì)象的需求，不具有通用性。本文從應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)分辨率為8位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在STC_ISP_V394軟件環(huán)境的支持下，通過PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示采集的參數(shù)。下位機(jī)以AT89C52單片機(jī)為控制單元，8路A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809采集兩路電壓信號(hào)：通道0每隔1s采樣一次，共采集10次；通道l每隔5s采樣一次，共采集20次。采集的數(shù)據(jù)通過串行通信方式發(fā)送到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。本系統(tǒng)利用不同的傳感器取代兩路電壓信號(hào)的采集，適用于各種控制電路，具有較強(qiáng)的通用性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

??? 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)分為單片機(jī)主控模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤控制模塊和串行通訊模塊等五個(gè)單元，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1．1 A／D轉(zhuǎn)換模塊

??? 模數(shù)轉(zhuǎn)換采用常用芯片ADC0809，其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，由于內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)，所以只能對(duì)8路模擬量信號(hào)進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換，根據(jù)鎖存地址線譯碼后的信號(hào)，某一時(shí)刻只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一路，以逐次逼近原理進(jìn)行模一數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，轉(zhuǎn)換精度為8位。

??? ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。啟動(dòng)ADC0809進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，首先輸入3位地址信號(hào)，并使ALE為高電平，將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)譯碼器譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器；START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到EOC變?yōu)楦唠娖?，表示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入鎖存器。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。

1．2 鍵盤及顯示模塊

??? 參數(shù)采集與處理系統(tǒng)的人機(jī)交互采用2×8矩陣鍵盤和靜態(tài)數(shù)碼管顯示，如圖3所示。設(shè)計(jì)上為節(jié)省單片機(jī)I／O口線，人機(jī)交互采用兩條線控制，利用模擬開關(guān)CD4052切換，控制鍵盤和數(shù)碼管的數(shù)據(jù)信號(hào)。

1．3 串行通信模塊

??? 由于單片機(jī)和PC機(jī)使用不同的邏輯電平，在設(shè)計(jì)串行接口電路時(shí)，必須考慮電平的匹配、驅(qū)動(dòng)能力的匹配、元器件的選擇以及其它電氣特性。PC機(jī)通常有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行口，為了提高抗干擾能力，這種接口采用EIA電平邏輯，如表1所示。

??? 為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)電平兼容，單片機(jī)與PC機(jī)通訊時(shí)，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。通常使用MCl488租MCl489芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，但這兩種轉(zhuǎn)換芯片組成電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電源需±12V電源供電，工作不穩(wěn)定，易燒壞芯片。本設(shè)計(jì)使用MAX232集成電路芯片，僅用+5V供電，其內(nèi)部有兩組電壓轉(zhuǎn)換電路，外圍電路配上4個(gè)升壓電容，實(shí)現(xiàn)在EIA電平和TTL電平之間互相轉(zhuǎn)換，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件數(shù)量少、電源單一、功耗低等特點(diǎn)，MAX232芯片組成的串行接口電路如圖4所示。

??? AT89C52單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)可編程、全雙工的串行口，串行收發(fā)的數(shù)據(jù)在通訊時(shí)，通過特殊功能寄存器SFR的串行數(shù)據(jù)緩沖器SUBF實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，故可做多機(jī)通訊，特別適合于終端和系統(tǒng)主機(jī)間的通訊。

1．4 單片機(jī)與A／D接口模塊

??? 單片機(jī)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)。它采用先進(jìn)工藝制造，具有高性能的MCS51內(nèi)核設(shè)計(jì)，帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器，是一種高性能、低功耗的8位CMOS微處理芯片，市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、串行傳輸、實(shí)時(shí)控制等有較大優(yōu)勢(shì)。
本設(shè)計(jì)采用查詢法采集數(shù)據(jù)，合理分配單片機(jī)的資源，大部分時(shí)間單片機(jī)用來運(yùn)行控制程序，只有在采集時(shí)間到來時(shí)單片機(jī)才用來執(zhí)行采集程序。圖5所示為ADC0809與單片機(jī)的接口電路，需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)首先輸出地址信號(hào)，指定采集的通道，接著使ALE和START為高電平，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，然后單片機(jī)處理其它事務(wù)，稍后查詢EOC是否為高電平，若為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束，需要讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，發(fā)送讀取命令使OE為高電平讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，存入指定單元，供數(shù)碼管顯示和上傳給PC機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

??? 系統(tǒng)軟件主要包括：系統(tǒng)初始化、判鍵程序、AD轉(zhuǎn)換程序、數(shù)碼管顯示程序和串行通信程序，圖6為程序結(jié)構(gòu)框圖。

??? 單片機(jī)采用11．0592MHz晶振、定時(shí)器選擇工作方式2、串口工作在方式l，波特率設(shè)為9600。上位PC機(jī)在STC_ISP_V394開發(fā)環(huán)境下，使用“串行調(diào)試助手”功能，接收串行數(shù)據(jù)并顯示采集結(jié)果，圖7為STC_ISP_V394數(shù)據(jù)采集界面，顯示出兩路電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采集結(jié)果。

??? 單片機(jī)串行通信初始化設(shè)置：
??? MOV TMOD,#20H：T1工作方式2
??? MOV THl,#0FDH：波特率9600
??? MOV SCON,#40H：串口工作方式1
??? SETB TR1：打開定時(shí)器1
??? 單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：
??? MOV SBUF,A：將接收的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)
??? JNBTI,S
??? CLR TI

3 結(jié)束語

??? 本文介紹了一種基于A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809和AT89C52單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集和串行通信接口的實(shí)現(xiàn)方法。本設(shè)計(jì)在自制開發(fā)機(jī)上完成調(diào)試，自制開發(fā)機(jī)采用STC89C54單片機(jī)，具有ISP在線編程功能，在STC_ISP_V394開發(fā)環(huán)境下完成程序下載以及數(shù)據(jù)通信。通過實(shí)踐驗(yàn)證在短距離傳輸中有很好的效果，傳輸中未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)采集和串行數(shù)據(jù)傳輸在工業(yè)控制中十分重要，本設(shè)計(jì)具有一般通用性，讀者可根據(jù)自己的實(shí)際需要進(jìn)行改進(jìn)，以滿足工程設(shè)計(jì)需要。