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计算机科学研究进展，第50卷
第四届国际电工电子工程与计算机科学会议（ICEECS 2016）
基于单片机的数据采集传输系统设计
王小华，重庆电子工程学院应用电子研究所，401331，12934236@ qq.com
关键词：数据采集、传输系统、单片机
摘要
数据采集技术是一个比较实用的电子技术，它被大量的应用在信号检测、信号处理、仪器仪表和其他的各种领域。在近几年以来，随着数字技术的不断发展，数据采集技术也同样呈现出了一种具有处理速度快、通道多的特点。这个数据采集时为了进行测量和控制物理量，比如说温度、压力、流量、速度、位移、光强、声音，等等。将物理量转换为模拟物理量的电信号传感器，然后对模拟电信号进行处理，并将其转换成计算机可以识别的信号，就是数字信号，然后将数字信号发送给计算机进行处理、存储、传输和显示。本文介绍了数据采集与传输的软硬件系统构成系统。
介绍
数据采集技术开始的时间接近于1950s，也就是开始于20世纪50年代。数据采集系统之前在1956年是使用在美国地区的军事事务上面。在一方面，这个数据采集系统在使用方面上有2个优点，一方面不能在应用中使用相关检测工艺文件，而在另一个方面没有经过专业培训的人员也能够对它进行相关的操作。正是因为这个系统有一个特定的高速度的和很好的灵活性，能够许多其他的方法不能完成的实验任务，所以美国的军队得到了一定的认可。开始于最近的20世纪70年代，在国外的一些国家中，已经存在了发展较为成熟的数据采集设备。在20世纪70年代末尾，随着微型计算机技术的发展，一种新的类型的数据采集技术设备，在这个设备中包含了设备、数字仪器和微型计算机组合，将它们集合在一起。因为它的作用相比较于传统的数据采集系统要强一些，所以很快的能够得到应用和推广。这个数据时代采集系统已经开始发展成模块化结构，使用过程可以增加或减少数据通信中的终端数量已成为现场总线，计算机接口技术等新技术，并由于使用模块化设计使整个系统组合起来，使用更加方便和简单。 但是在这次，数据采集系统开始分为两部分类型，一种设计的目的是为了实验室使用，令一种主要是应用在工业生产方面。因为集成电路制造技术的不断进步增强，出现高性能，高性能的和可靠性单片DAS数据采集系统。数据收藏技术已成为一门专业技术，在工业领域得到了广泛的应用，数据采集系统采用更先进的模块类型结构，根据不同的应用要求通过简单的增变模块，并结合通过系统编程，可以扩展或修改系统很快组成了一个新系统 在20世纪80年代的时候，计算机技术得到了很快的发展，并且数据采集系统开始从它最初的特殊的功能逐渐走向多样化的过程。这个数据采集系统的时代已经开始慢慢发展成一个模块化的结构，在这个使用的过程中可以增加或者是减少数据通信中的终端数量已成为现场总线，计算机接口技术和其他的新型的技术，并且由于模块化的使用使得整个的系统组合起来，这样的使用方式使得它变得更加方便和简单。从20世纪，80年代末的那段时间，数据采集系统，这个系统的组成结构发生了很大的变化软硬件设计结合了这一思想，开始出现在系统设计中，在这个阶段，数据采集系统的硬件一般都是通过工业的计算机来完成的，并且有很多大规模的集成电路组成，而软件主要是来负责协调以及整个系统的管理。这种设计方法不仅节省了生产的成本，还减小了体积，但是同时也有效地提高了系统的效率。自从1990s，也就是20世纪90年代，数据采集已经开始变成了一种专业的技术，出现了高精度、高可靠性、高速单片机数据采集系统（DAS），这个系统能够实现16位的采集精度，收集的速度可以达每一秒成千上万次，它已经被广泛地应用在军事设备，军事装备、航空航天、工业和其他的领域上。
总体系统设计
通过比较在国内和国外的相同系统的优点和缺点，并且对系统进行了很详细的分析，观察这个系统的技术要求，这篇论文使用的是单片机STC89C52作为核心，设计并且发布了一系列的数据采集，无线数据传输，数据监控显示多功能组汇参数监控的系统，这个系统应该有普遍性的应用。接下来提出的是大致的系统设计方案：
- 是以单片机STC89C52作为核心，结合ADC0809模拟数据到数字数据的转换芯片，并且E2PR0M AT24C08芯片来建立了数据采集和存储的系统。
- 使用LCD1602的LCD展示屏来显示实时的数据采集系统的设计，MAX232的使用完善了TTL的电平和RS232的电平转换。
- 深圳市的技术有限公司使用了JZ877，这是一个低功率的无线传输的模块来构建建立无线数据传输网络。
- VBMSCOMM的使用来控制主机数据展示监控窗口，能够实现实时的数据监控。
- 软件编程使用的是C语言：模块化的编程，很高的效率，清晰的结构和逻辑，可读性非常好，可移植性也比较好。
系统硬件设计
SCM（单片机）系统是组成了最小工作的系统：首先，STC89C52单片机，用来提供能量，第二就是时钟电路，复位电路和接口。由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。STC89C52单片机的电源提供来源于直流的5V电压。在微控制器系统中，一般是连接在STC89C52的XTAL1引脚和XTAL2引脚上，同时还连接着一个电容和两个电容器，这样就组成了一个芯片晶振电路模块，晶振模块是因为51核微控制器，这类微控制器有着一个高增益反向放大器，一个外部放大器，这个外部放大器在晶体振荡器之后，它们组成自激振荡器，并且能够产生晶振脉冲。它的结构图如图所示。在一般的选择中，就会选择石英晶体，尺寸在1.2-12MHz之间，而电容器的尺寸范围只要在5-30pF之间就可以在微调频率中发挥一定的作用，但是电容器的范围和晶体负载阻抗之间同时存在，否则时钟电路将会很难启动。
SCM（单片机）系统，一般上有一个复位电路，所以可以让出现错误的代码让使用者来自己复位他们，对于51核心微控制器是一个高电平复位才有效的，才会进行复位的操作。在一般的单片机的系统中，一个电阻，一个电容，一个手动按钮共同组成了一个单片机复位系统。
在一个小型的单片机系统中，一般的I/O资源是可以扩展到接口上的，这些接口资源的使用和微控制器能够连接到很多外部的设备或者只是设备，比如说：A/D、LCD、LED等等。此外还有，你可以使用这些接口资源来扩展这些数据存储器或者程序存储器或者其他的片外存储器的设备。
采集电路的板子是在一个稳定的电压支持下工作的，这个是必不可少的，所以原理图的设计必须确保的就是能量提供电路的设计是非常合理的。这个采集系统是使用在直流能量提供的电路图中，在这个电路图中220V的电网电压通过降压变压器降低到18V的交流电压，并且之后通过整流桥将直流电压转换成交流电压，之后通过电容器和和3个端口可以调节的芯片，之后最后输出的是稳定的和可靠的直流电压。
因为这个系统使用的是ADC0809进行模拟数据到数字数据的转换，这个模拟电压的范围是0-5V。 ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51，STM32等单片机直接相连。初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。并且在这个拼接的过程中，这个点火电流和电压信号不是在这个范围内的，所以不能够从装置电流和电压信号中直接获取到的电压输入到ADC0809，这个需要从干燥装置上的反馈电流和电压信号到必须的单一的信号调节，以满足A/D模数转换芯片的参数转换范围，然后通过MCU（中央处理器）控制这个A/D模数转换芯片，之后调整参数的信号满足A/D转换的需求。
系统软件设计
在这个SCM（单片机）软件的发展中是经常使用电脑的汇编语言的，还有C语言，电脑汇编语言的使用在进行软件开发的过程中可以充分利用到单片机所拥有的硬件的特点。它有着高效率的优点，在进行写程序的过程中体现出来，并且还有计算机精确控制的优点，但是它不能够进行结构化编程，程序准备的过程中，有较差的可移植性和不好的可读性，并且调试的过程中也是比较复杂的。C语言作为一个高级水平的电脑语言，使用它能够进行简单编程，简单的操作和灵活性，但是也可以进行过结构化编程，能够生成紧密的代码，这个目标的代码一般的生成效率仅仅比电脑的汇编语言低10%-20%左右。除此之外，C语言程序设计和汇编语言程序相比较来说，有更多的可读性，更好的可移植性，同时还非常的简单和方便。因此，这个项目的软件发展是使用C语言进行编程的，进行程序设计，以及德国keil软件公司发明的keil c51的编译和对象代码生成工具软件。
为了使得系统程序结构清晰，便于编写调试，在软件中开发过程采用模块化编程方法。数据采集系统软件程序包括以下主要模块：主程序、系统初始化程序、 ADC0809参数采集子程序，LCD 1602参数显示子程序，AT24C08参数存储子程序和RS232串行通信子程序。其中，系统初始化包括STC89C52微控制器引脚分配设置、全局变量声明和初始化，各子程序模块参数的声明和初始化等。 而主程序是所有系统软件的核心，主要完成每个子程序。呼叫、控制整个数据采集系统正常运行。
本系统主要实现程序如下：一、回族机启动，数据采集系统上电复位，系统初始化，然后系统通过检测干电流、电压以确定机器工作状态，采集过程由 系统预先传输电流、电压和程序，将电流和电压设置为完成比较，当法官处于状态机的正常运行状态时，主程序将启动A/D转换子程序A/D采样，将所得到的模拟数据信息转换成数字数据信息，然后把这个信息进行存储，之后显示，最后进行参数的传输。当燃烧电流一段时间后会到零主程序，然后进入采集，确定传输是否开始之后，就会开始进入循环。
这个论文的主要任务是来设计一系列的数据收集，和无线数据传输系统，这个数据收集系统是这个论文的主要部分，并且数据转换是这个数据收集系统的核心，ADC08009的使用，是作为模拟量的参数转换芯片，ADC0809的内部结构展现在如图所示，它的相关的一些特性和引脚配置参数请参照之前在这篇文章中提到的第二章的相关内容。图示所看到的是A/D模数转换的8个模拟的输入通道，这个程序是由A，B，C来设定的，有3个通道的地址选择来决定IN1还有 IN2，分别的，电压，还有电流收集通道，通过软件的设定来决定两个通道进行自动的循环和采样。首先，这个IN1通道是来选择让电压信号进行CIA杨的，并且打开这个输入设备的循环，并打开中断服务例行程序，中断服务例行程序利用定时器工作后的延时被读取三态输出缓冲电压转换结果，并改变信道地址。接下来的是，这个IN2通道被转换，之后来开始对当前的信号进行采样，并且打开中断服务程序。它同样还读取了电流转换导致三态输出缓冲区，并在计时器操作延迟为。所以采样循环可以这样被实现，通过电流和电压来实现停止集合的参数。
AT24C08是一个有着12C总线接口的芯片，就和E2PR0M一样，但是单片机芯片STC89C52和51系列的芯片有着内部结构接口并不是类似于这个芯片，12C总线的芯片接口，所以当微控制器在单片机STC89C52的控制系统来使用AT24C08，仅仅通过软件仿真12C总线定时，并且在这个仿真必须严格遵守12C总线的定时图，在使用AT24C08的过程中，为了数据的存储和提取，只需要对在电脑科学搜索中进行函数的调用，可以完成。接下来的就是有关于AT24C08的12C总线的时序图和程序。
根据实验设计的相关要求，在完成了并且数据收集和无线传输的工作之后，对主机的传输展示的参数进行采集，分析，显示并进行处理，这个测试主要是为用来准备对主机架的监控接口程序vb进行编程，并且对主机的监控接口进行相关的设计。在这个整的接口中包括电流，和电压数值的显示，还有相关统计的窗口。这个显示接口主要是用来使用各个系列的串行VB中mscomm控件的通信功能实现主机间的通信PC和无线数据传输模块。为了能够测试传输的变速器监控在这次的论文中，本文设计了数据采集的系统，最后进行了系统调试。这个系统的调试包括：第一，JZ877这个消耗低功耗的无线的，数据传输模块调试；第二，这个主机的显示接口的作用进行调试；第三，对整个系统进行调试。进过这个系统的调试，我们可以找到这个系统的一些弱点，并且提供了一些建议为了接下来的后续的系统。调试过程和这个接下来的数据包括的是通过分析和讨论所得到的。
结论
数据采集的技术和和无线传输系统是非常重要的一个分支，这个分支是属于信息科学的，并且这个信息科学在很多方面有着非常重要的应用。这个数据采集和无线传输系统是在单片机的基础上，适用于有着高性能的无线传输的模块和无线收发模块，AD模拟数据信息转换成数字数据信息模块，单片机和串口通信，这样以此来实现一个可靠的和高效率的数据采集和传输系统。这个电路是比较简单的，并且有着稳定的输出性能，精确度比较高，灵敏度也比较强，同时成本比较低。所以它是适合于实际应用的。
参考文献
- Li Guozhu. Design of Data Acquisition System based on Single Chip Microcomputer and US
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