單片機技術(shù)在數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測過程中的應(yīng)用

摘要：應(yīng)用單片機微型智能系統(tǒng)對輸出數(shù)據(jù)：電壓、電流及電位的采集測量、顯示和打印。以8031單片機為核心，8031單片機有一個8位的CPU，一個128字節(jié)的RAM，21個特殊功能寄存器，4個8位并行I／O口，1個全雙工異步串行端口，2個16位定時器／計數(shù)器，5個具有優(yōu)先級別的中斷源。在8031外接一片程序存儲器就可以構(gòu)成一個有完整功能的微機應(yīng)用電路。
關(guān)鍵詞：8031單片機；數(shù)據(jù)采集；A／D轉(zhuǎn)換

0 引言
    軟件方面，指令周期短，同時還具有乘除法指令，多種形式的位操作類指令，邏輯運算類指令也獨具特色。通過信號調(diào)制電路，將輸出電流、電壓及電位信號轉(zhuǎn)換成0到5V的標(biāo)準(zhǔn)信號，再通過串行A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC0834轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供存儲，以顯示和打印。硬件抗干擾方面用到MAX707，對電源起到監(jiān)控作用，在上電和掉電時自動復(fù)位。實時時鐘方面用到DS12887新型時鐘芯片，斷電情況下運行十年以上不丟失數(shù)據(jù)，計秒、分、時、天、星期、日、月、年，并有閏年補償功能，可以用二進制數(shù)碼或BCD碼表示時間日歷和警報。軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用模塊化程序設(shè)計，包含數(shù)字濾波，軟件看門狗等軟件抗干擾子程序，為恒電位儀增添了外圍的智能系統(tǒng)，方便用戶分析、處理數(shù)據(jù)，了解儀器的工作情況，從而進行有效的處理。
    主要功能介紹：
    (1)信號的數(shù)據(jù)采集。輸出電壓為0～100V，電流為0～100A，電位為-2～0V，輸出(顯示、打印)保留一位小數(shù)。
    (2)人機對話功能。通過鍵盤對時間進行更正設(shè)定，選擇顯示參數(shù)及相應(yīng)的功能。
    (3)打印輸出。
    (4)報警功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如輸出開路、過流等故障，蜂鳴器輸出報警，以提醒用戶排除故障。

1 硬件設(shè)計
    以8031單片機為核心，8031單片機有一個8位的CPU，一個128字節(jié)的RAM，21個特殊功能寄存器，4個8位并行I／O口，1個全雙工異步串行端口，2個16位定時器／計數(shù)器，5個具有優(yōu)先級別的中斷源。在8031外接一片程序存儲器就可以構(gòu)成一個有完整功能的微機應(yīng)用電路。

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2 軟件設(shè)計
2．1 主程序
    功能：進入程序先進行初始化，對數(shù)據(jù)地址單元進行分配，設(shè)定鍵盤工作方式，存儲更新時間，接著調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊，再根據(jù)按下的鍵轉(zhuǎn)相應(yīng)的子程序。每秒采集一次數(shù)據(jù)，每兩小時存儲一次數(shù)據(jù)，并判斷存儲數(shù)據(jù)個數(shù)是否到，到后則更新存儲區(qū)地址，即重新從數(shù)據(jù)存儲區(qū)首地址開始存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲容量為8k。

2．2 鍵盤功能程序
    功能：通過按鍵引起8031中斷，轉(zhuǎn)相應(yīng)的功能子程序以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。這些功能有時間設(shè)定，分別可以對年、月、日、時、分進行設(shè)定，但不能對秒設(shè)定，電壓、電流、電位的顯示切換，即時打印、復(fù)位等。

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2．3 數(shù)據(jù)采集子程序
    0834的功能和特點：8位串行逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，占用I／O口線少，通過信號線引入的干擾也少；易于和微處理器連接；滿比例尺工作或用5V基準(zhǔn)電壓；地址邏輯多路器選通的4輸入通道；單5V供電，輸入范圍0～5V；輸入和輸出與TTL和CMOS兼容；在Fclock=250kHZ(時鐘頻率)時，轉(zhuǎn)換時間為32微秒；總非調(diào)整誤差1LSB。
    工作時序及過程：
    置CS(非)為低，使所有邏輯電路使能，轉(zhuǎn)換器初始化。CS(非)在整個轉(zhuǎn)換過程必須一直保持為低。接著從處理器接收一個時鐘，在每個時鐘的上跳變化時，DI端的數(shù)據(jù)移入多路器地址移位寄存器。第一位為邏輯高，表示啟始位。緊接的3到4位是配置位。在連續(xù)的每個時鐘的上跳變化時，啟始位和配置位移入移位寄存器。當(dāng)啟始位移入多路器寄存器的開始位置后，輸入通道選通，轉(zhuǎn)換開始。SAR狀態(tài)輸出(SARS)變?yōu)楦弑硎巨D(zhuǎn)換過程正在進行中。DI端在轉(zhuǎn)換過程中與多路器的移位寄存器之間是關(guān)斷的。

    一個時鐘的時間間隔被自動插入，以使選定的多路通道穩(wěn)定。DO脫離高阻狀態(tài)，提供一個時鐘的時間間隔的低電平，使多路器穩(wěn)定。SAR比較器把從電阻梯級網(wǎng)絡(luò)輸出的逐次信號和輸入模擬信號進行比較。比較器的輸出指出模擬輸入大于還是小于電阻梯級網(wǎng)絡(luò)的輸出。在轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時從DO端輸出，以最高位(MSB)開頭。經(jīng)8個時鐘后，轉(zhuǎn)換完成，SARS變?yōu)榈汀LC0834在輸入以最高位(MSB)開頭的數(shù)據(jù)流后，又以最低位(LSB)開頭重輸出一遍前面的數(shù)據(jù)流，當(dāng)CS(非)變?yōu)楦撸瑑?nèi)部所有寄存器清零。此時，輸出電路變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。如果希望開始另一輪轉(zhuǎn)換，CS(非)必須做一個從高到低的跳變，后面緊跟地址數(shù)據(jù)。此外，DI和DO可以連在一起，通過一根線連到處理器的一個雙向I／O口，因為DI端只在多路器尋址時被檢測，而此時DO端為高阻狀態(tài)。
2．3．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    由于8031無專門的供串行A／D轉(zhuǎn)換的時序接口，故用8031的P1．0口模擬TLC0834進行A／D轉(zhuǎn)換所需的時序。DI為數(shù)據(jù)輸入口，DO為數(shù)據(jù)輸出口，SARS為輸出口。
2．3．2 數(shù)字濾波子程序
    數(shù)值濾波子程序采用“去掉一個最高分，去掉一個最低分”的方法，其具體做法為：連續(xù)采樣幾次，將其求累加和，同時找出其中的最大值和最小值，再從累加和里減去最大值和最小值，求剩下數(shù)據(jù)的平均值，即得有效采樣值。該程序為每個數(shù)據(jù)連續(xù)采集6次，最終結(jié)果送A，這樣就可以消除干擾的影響，提高所采集數(shù)據(jù)的真實性，防止干擾所引起的偶然性誤差。
2．3．3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序
    功能：由于所采集的信號都是轉(zhuǎn)換成0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號，以滿足A／D轉(zhuǎn)換要求，所以在顯示和打印時，應(yīng)經(jīng)過乘以相應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換成實際值。同時由于計算機所用的碼制大多為二進制或十六進制也應(yīng)將之轉(zhuǎn)換成符合人們習(xí)慣的十進制數(shù)供顯示和打印。
    入口：被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在A中，出口：轉(zhuǎn)換結(jié)果，十位放R6中，個位放R5中，小數(shù)位放R4中。
    二進制轉(zhuǎn)換成十進制子程序：
    由于計算機的數(shù)據(jù)代碼通常為二進制或十六進制，不符合人們的習(xí)慣，通過該子程序功能可轉(zhuǎn)換成符合人們習(xí)慣的十進制數(shù)供顯示和打印。入口一R2R3，出口一R0R1R2R3R4R5(6位BCD碼)
2．3．4 實時時鐘芯片DS12887功能程序
    帶RAM的實時時鐘DS12887是DALLAS公司最成功的產(chǎn)品，其主要特點：斷電情況下運行十年以上不丟失數(shù)據(jù)，計秒、分、時、天、星期、日、月、年，并有閏年補償功能，可以用二進制數(shù)碼或BCD碼表示時間日歷和警報。
    內(nèi)部RAM及寄存器功能。DS12887內(nèi)部具有128個非易失性RAM，即當(dāng)外部電壓低于3V時，外部Vcc被關(guān)閉，內(nèi)部鋰電池被接通繼續(xù)為實時時鐘供電，并保護內(nèi)部RAM存儲器中的數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
2．3．5 8279顯示功能子程序
    8279是一種通用的可編程的鍵盤／顯示器接口器件，可對64個開關(guān)矩陣組成的鍵盤進行自動掃描，接收鍵盤的輸入信息，并在有鍵輸入時向單片機請求中斷。能夠?qū)?位或16位LED自動掃描，使顯示器緩沖區(qū)的內(nèi)容在LED上顯示出來。
    8279通過對鍵盤進行直接管理，簡化單片機系統(tǒng)的軟件設(shè)計，提高單片機的工作效率和可靠性。

3 打印程序
    通過鍵設(shè)定可進行按月或即時打印，方便用戶詳細分析數(shù)據(jù)，了解工作情況及數(shù)據(jù)狀況。

4 結(jié)論
    單片機具有功能齊全、種類多、便于選擇使用的特點。通過對放大電路、8031單片機、數(shù)據(jù)采集、串行A／D轉(zhuǎn)換、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器的擴展、外圍芯片DS12887、可編程鍵盤8279的詳細研究與實踐，開發(fā)者可根據(jù)不同的用途和要求，設(shè)計出性價比較高的單片機控制裝置?？蓮V泛應(yīng)用于低成本的自動控制采集系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用。