机务设备检修数据采集系统设计样本.doc

目录
1、概述 1
1.1开关量采集 1
1.2数字量采集和处理 2
1.3模拟量采集 2
2、温度传感器选择 3
3、单片机硬件电路设计 4
3.1 AT89C51和存放器芯片扩展 4
3.1.1 AT89C51芯片性能及特点 4
3.1.2 拓展芯片6116性能及特点 7
3.1.3 AT89C51和存放器芯片6116扩展 8
3.2 多路开关选择 9
3.3 A/D转换器电路设计 9
3.4 MAX232实现串行通信 10
4 、系统软件设计 11
4.1 系统主程序 11
4.2 模拟量采集程序 12
4.3 开关量采集程序 12
4.4 脉冲量采集程序 13
5 、小结 14
参考文件： 15

机务设备检修数据采集系统设计
1、概述
机务设备数据采集是机务设备数据采集和通讯系统关键组成部分,它和系统硬件相配合,对机务段检修设备工作进行正确检测和数据处理,并把检测数据立即送监控计算机,进入数据库,进行统计、打印和归档,既为确保检修质量提供了可靠依据,同时也为机务段加强科学管理、提升经济效益、降低物料和工时浪费、提升检修效率提供了科学手段和工具。
此次课程设计关键内容在于进行机务设备检修数据处理功效模块设计，其关键功效在于数据采集，包含8路开关量、8路模拟量、1路脉冲量数据采集。
设计原理：依据任务书中提供数据进行分析和计算，选择适宜单片机芯片组成测试、通讯系统，选择A/D转换器、信号调理电路、锁存器、多路开关选择器等元件。模拟量采集需要用传感器对实际物理量进行采集，转换成相关电压或电流，经过A/D转换器后输出对应数字量，进入单片机处理并保留在扩展存放器中；数字量采集需进行隔离放大以后将信号输入单片机处理并保留；脉冲量采集需对信号进行防抖、放大处理，使输入信号转换成对应TTL电平。依据连接成型硬件元件图进行软件设计，分配口地址并给出每个功效模块对应程序段。
1.1开关量采集
开关量采集包含事件次序统计（SOE）型开关量和一般型开关量两种。
SOE型开关量信号指事故信号、断路器分合及关键继电保护动作信号。监控系统采取中止方法快速响应这些信号并进行统计优先传输。一般型开关量信号是指除SOE型开关量信号以外那部分开关量信号，包含各类故障信号、隔离开关位置信号、设备运行状态信号、手动自动方法选择位置信号等。监控系统对这些信号采集为扫查方法。
对开关量信号处理包含光电隔离、硬件及软件滤波、基按时间赔偿、数据有效性合理性判定、启支相关量处理功效（如启支事件次序统计、发事故报警、画面自支推出和自支停机等），最终经格式经处理后存入实时数据库。
1.2数字量采集和处理
数字量信号关键指水位等BCD码输入量。采取多点开关量并行采集，然后转换为对应模拟量数值。对数字量处理包含光电隔离、数字滤波、码制变换、数据有效性合理性判定、标度变换等，以格式化处理后存入实时数据库。
1.3模拟量采集
模拟量分为电气模拟量、非电气模拟量及温度量。对模拟量信号处理包含回路断线检测、数字滤波、误差赔偿、数据有效性合理性判定、标度换算、梯度计算、越复限判定及越限报警，最终经格式化处理后存入实时数据库。
数据采集系统通常由数据输入通道、数据存放和管理、数据处理、数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象检测、采样和信号转换等工作。数据存放和管理要用存放器把采集到数据存放起来，建立对应数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到原始数据中，删除干扰噪声、无关信息和无须要信息，提取出反应被测对象特征关键信息。另外，就是对数据进行统计分析，方便于检索；或把数据恢复成原来物理量形式，以可输出形态在输出设备上输出，如打印、显示、绘图等。在这个过程中关键用到信息采集板，信息采集板包含CPU、RS232讯通接口、RS485通讯网络接口等，信号采集取得开关量和经过标准化处理传感器信号，进行信号采集，并经过数学处理，然后进行图文显示、储存和网络通讯。系统硬件总体框图图1所表示：

AT89C51
并行接口芯片
隔离电路
脉冲量
开关量
A/D转换
多路开关
传感器
信号调理
LED显示器
矩阵键盘

图1 系统硬件总体框图
2、温度传感器选择
传感器是感受要求被测量并根据一定规律转换成可用于输出信号器件或装置实现测量和控制首要步骤，是测控系统关键部件。假如没有传感器对原始被测信号进行可靠捕捉和转换，测量和控制任务全部无法实现，所以我们需要对传感器和信号处理电路有一个比较清楚认识，并掌握传感器使用和信号调理电路 。
在这个模块设计过程中，选择K型热电偶传感器来测量温度，K型热电偶作为一个温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，统计仪表和电子调整器配套使用。K型热电偶能够直接测量多种生产中从0℃到1300℃范围液体蒸汽和气体介质和固体表面温度。
K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等关键部件组成。k型热电偶是现在用量最大廉金属热电偶，其用量为其它热电偶总和。K型热电偶丝直径通常为1.2～4.0mm。
正极（KP）名义化学成份为：Ni：Cr=92：12，负极（KN）名义化学成份为：Ni：Si=99：3，其使用温度为-200~1300℃。
K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替气氛中和真空中，通常不用于弱氧化气氛。热电偶测温必需由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。图2是最简单热电偶测温示意图。

图2 热电偶温度计示意图
按图2组成热电偶蕊及测温电偶丝1 ，假如将热电偶热端加热，使得冷、热两端温度不一样，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象就称为热电现象(即热电效应)。在热电偶回路中产生电势由温差电势和相接触电势两部分组成 接触电势：它是两种电子密度不一样导体相互接触时产生一个热电势。当两种不一样导体A和B相接触时，假设导体A和B电子密度分别为Na和Nb而且Na>Nb，则在两导体接触面上，电子在两个方向扩散率就不相同，由导体A扩散到导体B电子数比从B扩散到A电子数要多。导体A失去电子而显正电，导体B获很电子而显负电。所以，在A、B两导体接触面上便形成一个由A到B静电场，这个电场将阻碍扩散运动继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A电子数增多，最终达成动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。此电势只和两种导体性质相接触点温度相关，当两种导体材料一定，接触电势仅和其接点温度相关。温度越高，导体中电子就越活跃，由A导体扩散到B导体电子就越多，致使接触面处所产生电场强度越高，所以接触电势也就越大。这么将1产生温差热电势经过连接导线2在显示仪表3中显示出来。
3、单片机硬件电路设计
3.1 AT89C51和存放器芯片扩展
3.1.1 AT89C51芯片性能及特点
该系统采取是AT89C51，AT89C51是一个带4K字节FLASH存放器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一个带2K字节闪存可编程可擦除只读存放器单片机。单片机可擦除只读存放器能够反复擦除1000次。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一个高效微控制器，AT89C2051是它一个精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。外形及引脚排列图3所表示。
AT89C51是一个带4K字节FLASH存放器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一个带2K字节闪存可编程可擦除只读存放器单片机。单片机可擦除只读存放器能够反复擦除1000次。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一个高效微控制器，AT89C2051是它一个精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。引脚排列图2所表示

图3 AT89C51引脚结构
关键特征：
·CS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存放器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：
·全静态工作：0Hz-24MHz
·128×8位内部RAM
·128×8位内部RAM
·三级程序存放器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中止源
·可编程串行通道
·低功耗闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
下面分别叙述这些引脚功效。
(1) 主电源引脚
Vcc：电源端。 GND：接地端。
(2) 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
①XTAL1：接外部晶体一个引脚。
在单片机内部，它是组成片内振荡器反相放大器输入端。当采取外部振荡器时，该引脚接收振荡器信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器输入端。
② XTAL2：接外部晶体另一个引脚。
在单片机内部，它是上述振荡器反相放大器输出端。采取外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。
(3) 控制或和其它电源复用引脚RST，ALE/，/Vpp
①RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期高电平将使单片机复位。
② ALE/：当访问外部存放器时，ALE（地址锁存许可）输出用于锁存地址低位字节。即使不访问外部存放器，ALE端仍以不变频率（此频率为振荡器频率1/6）周期性地出现正脉冲信号。所以，它可用作对外输出时钟，或用于定时目标。然而要注意是：每当访问外部数据存放器时，将跳过一个ALE脉冲。
在对Flash存放器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。
③ ：程序存放许可（）输出是外部程序存放器读选通信号。当AT89C51由外部程序存放器取指令（或常数）时，每个机器周期两次有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存放器时，这两次有效信号将不出现。
④ /Vpp：外部访问许可端。要使CPU只访问外部程序存放器（地址为0000H～FFFFH），则端必需保持低电平（接到GND端）。然而要注意是，假如保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存端状态。
当端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则实施内部程序存放器中程序。
在Flash存放器编程期间，该引脚也用于施加12V编程许可电源Vpp（假如选择12V编程）。
(4) 输入/输出引脚P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7和P3.0～P3.7。
① P0端口（P0.0～P0.7）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流方法驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存放器时，它是分时多路转换地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。
② P1端口（P1.0～P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻8位双向I/O端口。P2输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方法）4个输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部信号拉低引脚会输出一个电流（IIL）。
在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
③ P2端口（P2.0～P2.7）：P2是一个带有内部上拉电阻8位双向I/O端口。P2输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方法）4个TTL输入。对端口写1时，经过内部上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部信号拉低引脚会输出一个电流（IIL）。
④ P3端口（P3.0～P3.7）：P3是一个带内部上拉电阻8位双向I/O端口。P3输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方法）4个TTL输入。对端口写1时，经过内部上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部信号拉低引脚会输出一个电流（IIL）。
在AT89C51中，P3端口还用于部分复用功效。复用功效如表1所列：
表2-1 P3各端口引脚和复用功效表
端口引脚
复用功效
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中止0）
P3.3
（外部中止1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存放器写选通
P3.7
（外部数据存放器读选通）
3.1.2 拓展芯片6116性能及特点
内存是计算机系统不可缺乏部件，一台计算机内存是指CPU能够经过指令中地址码直接访问存放器，常见于存放处于活动状态程序和数据。根据存取方法存放器可分为：随机存放器（RAM）和只读存放器（ROM）等。此系统中只用随机存放器。随机存放器是指计算机能够随意、部分对各个存放单元进行访问，访问所需时间基础固定，和存放单元地址无关，它功效关键是存放程序、变量等。能够随时改变并释放内存。常见有61系列和62系列。随机存放器管脚分类：总线部分、电源部分、控制部分。各引脚功效图4所表示：

图4 6116引脚图
D～D—数据线。
A～A—地址线，n是地址线个数。
Vcc，GND—电源线和地线。
—写控制线。
—片选线。
3.1.3 AT89C51和存放器芯片6116扩展扩展图图5所表示：

图5 AT89C51和存放器芯片6116扩展图
3.2 多路开关选择
该系统用DG508经典有译码器多路开关。引脚图及其它说明以下：

图6 DG508引脚图
DG508采取8脚双列直插式封装，含有8个输入信道，一个输出信道多路CMOS开关。由三个地址线(A0,A1,A2)及使能端EN状态来选择8个输入信道之一和输出端导通。
3.3 A/D转换器电路设计
A/D转换器是把模拟信号转换为数字信号转换装置。AD574A是一个高性能12位逐次逼进式A/D转换器，它同ADC0809一样是常见A/D转换器。

图7 引脚图
转换时间为25μs，线性误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采取28脚双立直插式封装。
AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分组成。
⑴12位A/D转换器
能够单极性也能够双极性。单极性应用时，BIPOFF接0V，双极性时接10V。量程能够是10V也能够是20V。
2输入信号在10V范围内改变时，将输入信号接至10V(IN);输入信号在0V范围内改变时，将输入信号接至20V(IN); 所以量化单位对应就是
10V/（2^12）和20V/（2^12） 。
⑵三态输出锁存缓冲器
用于存放12位转换结果D（D=0～2^12-1）。D输出方法有两种， 引脚12/8=1时（8上面有一横杠），DD(11)~D(0)并行输出； 引脚12/8=0时（8上面有一横杠），D高8位和低4位分时输出。
⑶逻辑控制。
任务包含：开启转换，控制转换过程和控制转换结果D输出
3.4 MAX232实现串行通信
在实际测量和控制过程中，常常需要进行信息传输和交换。数据传送方法可分为并行传输和串行传输，对应通信总线被称为并行总线和串行总线。串行传输比并行传输所用导线数少，传输距离比并行传输要远得多。而且多年来，因为新型串行总线标准如USB、IEEE1394出现，使串行总线传输速度有了很大提升，所以串行总线应用越来越广。
MAX232芯片引脚图8所表示。引脚说明以下：
1） C0+、C0-、C1+、C1-是外接电容端。
2） R1IN、R2IN 是两路RS-232C电平信号接收输入端。
3） R1OUT、R2OUT是两路转换后TTL电平接收信号输出端，送80C320RXD接收端。
4） T1IN、T2IN 是两路TTL电平发送输入端，接80C320TXD发送端。
T1OUT、T2OUT是两路转换后发送RS-232C电平信号输出端，接传输线。 图8 MAX232芯片
5） V+经电容接电源+5V。
6）V-经电容接地。
通信距离通常不超出15m，传输速率小于20kbit/s。在要求信号传输快、距离远时，可采取RS-422A、RS-485等其它标准通信。
采取MAX232芯片双机串行通信接口电路图9所表示。从MAX232芯片中两路发送接收中任选一路连接。请注意其发送和接收引脚对应，不然可能对元器件或计算机串口造成永久性损坏。
ATC8951

图9 单片机和PC通信
4 、系统软件设计
4.1 系统主程序
依据所设计数据采集系统：采集模拟量（8路）、采集开关量（8路）、采集脉冲量（1路）。步骤图10所表示。
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0013H
LJMP MNLCJ
ORG 001BH
LJMP KGLCJ
ORG 0100H
LJMP MCLCJ
MAIN: NOP

CLR 00H
SETB IT1
SETB EX1
SETB EA
MAIN0：JB KGLCJ
结束
SJMP MAINO

图10系统主程序步骤图
4.2 模拟量采集程序
AD574A单片机经过P1口控制模拟开关DG508输入通道选通端A、B、C，按次序选通8个输入通道，以下是模拟量采集子程序和图10所表示步骤图。地址指针赋值
置起始通道数
地址指针加1通道地址加1
读地址和数据并存放
AD1674 进行
12位A/D转换
延时
开启采样/保持器
8通道模拟量采集完否？
返回
子程序开始
Y
N

A/D转换结束

MNLCJ:
SAMPLE: MOV RO，#38H
MOV B，#0H
MOV DPTR，#FF2FH
MOVX @DPTR，A
WBZD1: PUSH ACC
CLR EA
WBZD2： MOV DPTR，#FF3FH
MOVX A，@DPRT
MOV @R0，A
MOV DPTR，#FF7FH
INC R0
MOVX A，DPTR
MOX @R0，A
INC B
INC R0
CJNE B，#7,WBZD2
JX : NOP
FH: POP ACC
SETB EA
SETB 00H
RETI
图10 模拟量采集步骤图
4.3 开关量采集程序
开关量经过光电耦合器隔离，减小干扰后进入74LS241，然后直接接入AT89C51进行处理，它处理程序以下所表示。
KGLCJ： NOP
CLR EA
MOV DPTR, #7DFFH
MOVX A, @DPTR
CPL A
CJNE A, #80H, KP1
LJMP KBS1
KP1： CJNE A, #40H, KP2
LJMP KBS2
KP2： CJNE A, #20H, KP3
LJMP KBS3
KP3： CJNE A, #10H, KP4
LJMP KBS4
KP4： CJNE A, #08H, KP5
LJMP KBS5
KP5： CJNE A, #04H, KP6
LJMP KBS6
KP6： CJNE A, #02H, KP7
LJMP KBS7
KP7： CJNE A, #01H ESC
LJMP KBS8
ESC: CLR OOH
SETB EA
LJMP MAIN0
4.4 脉冲量采集程序
因为脉冲量能够直接被单片机识别，所以不需要任何转换步骤，仅需要进简单隔离处理即可进入单片机。其处理程序以下：
PAUSEE0:JNB P3.2, PAUSE0 ; 若=0,往下实施；
PAUSE1:JB P3.2,PAUSE ; 若=1,不往下实施；
RET ; 返回主程序实施下一条指令；

5 、小结
经过此次课程设计，让我对系统设计有了基础全方面了解，对数据采集及处理有了初步认识，机务段设备数据采集是网络处理系统中关键组成部分，尤其是对A/D转换电路，放大电路，隔离电路，多路转换开关和CPU芯片扩展有了跟为深刻了认识。同时在课程设计同时对自己在大学四年里所学知识加以巩固，对四年所学知识加以总结。
同时，经过此次课程设计，在一定程度上提升了将理论知识用之于实践能力，巩固了以往所学知识，加深了对知识认识层次。对应开阔了视野。在设计过程中，即使碰到了很多问题，但经过努力查阅资料和和同组人员之间精诚合作，我们最终对该次设计有了一定认识。
总而言之，课程设计使我认识到自己在学习方面有很多不足之处，对一些知识应用不是很灵活，在以后学习中我将努力克服自己不足，充足发挥自己有点。同时，我要感谢三位老师对我们指导，在这次培训中于老师严谨学术作风、治学态度、求实工作作风和孜孜不倦探索创新精神，和平易近人师长风范给我发明了良好学习设计环境，及给了我这个学习提升机会和在生活上给我无微不至关心。这些全部是我不停前进动力，必将对我以后学习和生活受益匪浅，我将终生学习和铭记。在此，谨向于老师培育之恩表示最深谢意!同时也向帮助我给同学表示深深感谢！

参考文件:
[1] 李玉梅编著.基于MCS-51系列单片机原理应用设计.北京:国防工业出版社,.
[2] 郁有文,常健,程继红等编著.传感器原理及工程应用.西安:电子科技大学出版社,
[3] 周佩玲,彭虎,傅忠谦等编著.微机原理和技术接口.北京:电子工业出版社,.
[4] 方培生编著.传感器原理和应用.北京:电子工业出版社,1989.
[5] 张金敏,董海棠等编著.单片机原理和应用系统设计.成全部:西南交通大学出版社,.
[6] 黎文模,段晓峰编著.protel DXP电路设计和实例精解.北京:人民邮电出版社..