智能仪器设计论文

引言

我国目前中小型企业在整个工业产业中占相当大的比例，这些企业的监控模式主要为模拟控制系统加以常规仪表为主的数据采集系统。这种监控模式存在着检修维护工作量大、没有可靠的历史记录等缺点。而且常规模拟仪表也进入老化淘汰期，设备可靠性明显降低，某些仪表的备品备件也得不到保障，因此中小型企业监控系统的技术改造工作已势在必行。

数据采集系统是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。

数据采集系统可以采集的工业运行数据包括电气参数和非电气参数两类。其中电气参数主要有电流、电压、功率、频率等模拟量，断路器状态、隔离开关位置、继电保护动作信号等开关量以及表示电度的脉冲量等。而非电气参数种类较多，既可以是采集某些工业中的各种温度、压力、流量等热工信号，也可有水电厂中的水位、流速、流量等水工信号，还可以采集诸如绝缘介质状态、气象环境等其它信号。

本次设计中数据采集系统是基于单片机的测量软硬件来实现灵活的测量显示系统，它主要完成数据信息的采集、A/D转换、标度变换、数据显示及实现报警系统。随着计算机技术的飞快发展和普及，以数据采集系统为核心的设备也迅速在国内外得到了广泛的应用，现代工业生产和科学研究对数据采集的要求也越来越高。

第1章数据采集系统概述

1.1 数据采集系统发展概况

数据采集系统起始于20世纪50年代,1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非熟练人员进行操作,并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性,可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在60年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代中后期随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统，由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。20世纪80年代，随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成，第二类以数据采集卡标准总线和计算机构成。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统。

1.2 数据采集系统的应用

数据采集系统的硬件设备又叫数据采集器，根据数据采集器的使用用途不同，数据采集器大体上可分为两类：在线式数据采集器和便携式数据采集器。在线式数据采集器又可分为台式和模块式，台式、便携式数据采集器大部分由交流电源供电，模块式数据采集器大部分由直流电源供电，一般是非独立使用的。在采集器与计算机之间由电缆联接构成数据采集传输系统，一般不脱机单独使用。数据采集器的应用涉及到众多的领域，下以介绍数据采集器及系统的几种典型应用。

数据采集器在实验室的应用，由美国PA SCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：⑴传感器，利用先进的传感技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；⑵计算机接口，将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/s；⑶软件，中文及英文的应用软件。

数据采集器在物流供应链管理中的应用，便携式数据采集器的另一种类型是为扫描物体的条码符号而设计的，适合于脱机使用的场合。识读时，与在线式数据采集器相反，它是将扫描器带到条码符号前扫描，因此又称之为手持终端机、盘点机。它由电池供电与计算机之间的通信并不与扫描同时进行，它有自己的内部储存器，可以存储一定量的数据，并可在适当的时候将这些数据传输给计算机。与此同时，数据采集器在海洋站自动监测系统中起到中坚作用，它是海洋站业务化运行能否实现自动化的关键。

第二章总体方案设计

2.1 数据采集系统硬件构成

本次智能仪器课程设计的主题是数据采集与显示，这个系统主要有：数据采集体统、数据处理系统、数据显示系统和键盘控制系统。数据采集系统是将外部非电量转化成电信号，再将电信号转换成数字量，便于单片机对这些变量做进一步的运算。当然，这一部分还包括放大、滤波等部分，在这次设计中，我们直接采集的是单片机板上0～5V的电压。数据处理系统主要是对采集过来的数据进行标度变换。数据显示系统的作用主要是将处理过的数据通过LED显示出来。数据采集系统流程如图2-1所示。

图2-1 数据采集系统流程图

根据本次课程设计的要求，硬件所需元器件的作用主要是实现采集与显示。单片机89C52是这个设计的核心，它不仅进行数据处理的工作，而且控制这个系统的运行。现在采集的芯片多种多样，这里我们使用的是采用串行通信方式的ADC0832，ADC0832数据转换器的主要功能是将外部模拟电信号转换成8位的数字量，这个类型的转换器转换精度相对较高，而且可靠性高。显示部分主要的元器件是74LS164，它接受单片机的显示数据并将其传送给LED数码管。本次设计数据采集系统主要的元器件如表2-1所示。

表2-1 数据采集系统所用元器件

2.2 数据采集系统软件设计思路

智能仪器课程设计软件部分采用C51语言设计，整个程序大体可以分为主程序与各种功能的子程序。其中主程序主要的作用是初始化与调用子程序，程序执行过程的实质就是在执行主程序，在这个过长中通过调用程序，实现要求的功能。每个子程序都有特定的功能，在本设计中主要有一下程序：初始化子程序、数据采集子程序、标度变换子程序、数码管显示子程序、键盘扫描子程序、报警子程序、中断程序以及各个端口定义程序。

初始化程序中主要完成的任务有单片机上电初始化、定时器初始化以及各个端口初始化。数据采集程序主要的作用是完成数据采集功能，将外部电信号转换成数字量。标度变换程序的作用是将采集来的数字量转换成我们需要的量程范围。键盘扫描程序是定时扫描K1、K2、K3、K4。报警程序是当测量值大于报警值时，发出报警铃声。定时中断程序的任务是在计时时间到时，给计数器赋予初始值，并完成键盘扫描程序及相关变量技术。显示子程序的作用是从单片机串行接收数据，将接受的数据依次送到LED数码管显示，本次设计中每隔1s显示一次数据。这个程序实现的流程如图2-2所示。