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单片机数据采集

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第一章引言

1.1 本设计研究背景及其目的意义

近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也

有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。

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，由非成熟人员进行操作，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。大概在 60 年代后期，国内外就有成套的数据采集设备

和系统多属于专用的系统。

20 世纪 70 年代后期，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，因而获得了惊人的发展。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，一类是工业现场

数据采集系统。

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很大的发展，

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，

一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实

验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算

机构成，这一类在工业现场应用较多。20 世纪 80 年代后期，数据采集发生了很

大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统

的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。[11]

20 世纪 90 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运

用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不

断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已

经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统

采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系

统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。

采

样

保

持

1.2 本设计研究的目的意义

尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到

了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微

机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片

机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单

片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机

又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满

足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单

片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。

1.3 本设计的主要任务

本设计用单片机控制多路数据采集系统，本文着重介绍该系统的工作原理及

硬件与软件设计，本设计的主要组成如下：

（1）多路数据输入单元。

（2）采样保持电路的 A/D 转换单元。

（3）硬件和单片机的连接电路。

（4）单片机输出的数据锁存和 D/A 转换单元。

多路数据采集系统的方案及总体设计，包括主体电路的设计和单片机控制电

路的设计，因此要完成单片机应用的硬、软件设计并完成软件调试，以满足整个

系统的要求。

整个系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计主要完成多路数

据采集整个硬件电路及 I/O 接口的设计：包括模拟多路开关电路、运算放大电路、

采样保持电路、模数转换电路、硬件和单片机的连接电路、数模转换电路、转换

开关保护电路等组成；软件设计主要完成控制整个系统的应用程序与调试。包括

主程序、A/D 和 D/A 转换程序、多路开关控制以及 I/O 接口控制等程序的设计。

系统总框图如图 1 所示。

多路数据采集

传感器

模

拟

多

路

开

关

路

转

换

开

关

前

置

放

大

单

片

机

数

模

转

换

执

行

机

构

模

数

转

换

图 1 系统总框图

第二章系统硬件设计

2．1 单片机的概述

单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术

运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储

器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O 口），可能还包括定时

计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD 或 LED 驱动电路），脉宽调制

电路(PWM)，模拟多路转换及 A/D 转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个

最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序

设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成

度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格

比高、可靠性高这几个方面。[8]

单片机按内部数据通道的宽度，可分为 4 位、8 位、16 位及 32 位单片机。

它们被应用在不同领域里，8 位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、

智能接口、仪表仪器等各个领域。8 位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地

位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。随着移

动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32 位单片机应用得到

了长足发展。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势：

微型单片化

低功耗 CMOS

3、与多品种共存

4、可靠性和应用水平越来越高

单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要

求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。然而单片机又不同于单板机，芯

片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的

程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。它与单板机或个人电脑有着本

质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统

以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片

设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能。

　2.2 AT89C51 简介

AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROM—Flash Programmable and

Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片

机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片

机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失

存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将

多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效

微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制系

统提供了一种灵活性高且价廉的方案

AT89C51 特性概述

AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部

RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个

全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态

逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但

允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM

中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT89C51 管脚说明：

VCC：供电电压。

　　GND：接地。

　　P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。

当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存

储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输

入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。

　　P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器

能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，

P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH

编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收。

　　P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接

收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，

且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是

由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器

进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优

势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的

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