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第一章 概述
数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。比如条码机、扫描仪等都是数据采集工具 数据处理系统是指运用计算机处理信息而构成的系统。其主要功能是将输入的数据信息进行加工、整理，计算各种分析指标，变为易于被人们所接受的信息形式，并将处理后的信息进行有序贮存，随时通过外部设备输给信息使用者。 2系统研究开发的价值和意义
经调查,目前数据采集器的市场需求量大，以数据采集器为核心构成的小系统应用广泛，因此
开发高性能的数据采集器具有良好的市场前景。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。 随着工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。本文以实验室数据采集、工业现场数据采集、野外数据采集为主要方向,设计一款结构简单、操作方便、高性价比、具有显示、记录存储功能的数据采集系统。单片机构成的数据采集处理系统适用于各种现场自动化监测及控制，能够适应油田野外恶劣环境,；具有性能稳定、可靠性高、响应速度快操作简单、费用低廉、等优点。回放过程的信号可以直观的观察。它与有线数传相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动的优点
3．课题的意义及发展状况
数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。从严格意义上说，数据采集系统应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算，以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。数据采集领域正在发生着重要的变化。首先,分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展。其次,总线兼容型数据采集插件的数量正在增大,与个人计算机兼客的数据采集系统的数量也在增加。数据处理对数据（包括数值的和非数值的）进行分析和加工的技术过程。包括对各种原始数据的分析、整理、计算、编辑等的加工和处理。比数据分析含义广。随着计算机的日益普及，在计算机应用领域中，数值计算所占比重很小，通过计算机数据处理进行信息管理已成为主要的应用。如侧绘制图管理、仓库管理、财会管理、交通运输管理，技术情报管理、办公室自动化等。在地理数据方面既有大量自然环境数据（土地、水、气候、生物等各类资源数据），也有大量社会经济数据（人口、交通、工农业等），常要求进行综合性数据处理。故需建立地理数据库，系统地整理和存储地理数据减少冗余，发展数据处理软件，充分利用数据库技术进行数据管理和处理。
近年来出现的短时傅立叶变换（STFT）、维纳分布（Wigner-Ville）、小波变换（WT）等时频分析法将信号同时变换到时域和频域，对非稳态信号处理中获得了较好效果。小波分析方面，国内外近年做了较多的研究工作，如采用小波变换提取齿轮运行中早期故障信号的微弱特征；利用小波包变换算法给出振动信号在部分频带范围晶体石膏灯的小波包分频带分布；采用半正交3次B样条水帘式喷漆房小波包分析得到了有效区分动静碰摩故障与不平衡不对中复合故障的小波谱能量特征。在故障的非线性振动特征方面，国内有人进行了故障相关维数、分叉、拟周期、分形等混沌特征的非线性振动理论研究。这些研究现今仍处于试验阶段，距离工程实用还有相当距离。
4．市场前景
数据采集是目前一种流行且实用的技术。经调查,目前数据采集器的市场需求量大，以数据采集器为核心构成的小系统广泛应用医药、化工、食品、等领域，因此开发高性能的数据采集器具有良好的市场前景
第二章 系统设计
2.1 设计要求
以MCS-51单片机系统作为核心器件，采用A/D转换器把模拟信号转换为相应的数字信号，并通过MCS-51系列单片机对数字信号进行一系列的采集与处理并利用Keil C 编译环境对MCS-51进行编程，使其经处理的信号最终在数码管上显示出来。
2.2 设计思想
数据采集在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的数据采集器采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且对于多种不同的信号不宜直接使用。单片机的数据采集系统具有采集速度快，稳定高，结构简单、操作方便、具有显示、记录存储功能。同时数据采集在工业和日常生活中越来越必不可小，因此本设计采用MCS-51系列单片机和A/D转换器相关硬软件实现。
MCS—51单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器，仪表等领域。我们设计的数据采集系统以80C31和8155芯片组成，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。
实现一个采集频率高，采集速度快，稳定高的数据采集系统。有效的方法就是用单片机来
实现，以前数据采集器采用模拟电路组成，电路复杂且采集信号速度慢，精确度低，抗干扰性不强。而采用单片机和相关硬软件组成不但结构简单、操作方便、高性价比、具有显示、记录存储功能，能够适应油田野外恶劣环境,；具有性能稳定、可靠性高、响应速度快操作简单、费用低廉、回放过程的信号可以直观的观察。
在基础理论和专业技术基础上，通过对数字采集器的设计，用十进制数字来显示被测信号。以精确迅速的特点采集数据并处理，在本设计在实践理论上锻炼提高了自己的综合运用知识水平，为以后的开发及科研工作打下基础。
2.3 方案论证与确定
近年来，数据采集与处理的新技术、新方法，直接或间接地引发其革新和变化，实时监控(远程监控)与仿真技术(包括传感器、数据采集、微机芯片数据、可编程控制器PLC、现场总线处理、流程控制、曲线与动画显示、自动故障诊断与报表输出等金属检测传感器)把数据采集与处理技术提高到一个崭新的水平。
方案一：采用模拟电路组成，此方法中没有复杂的电子元件，电路易懂，但此方法电路复
杂且采集信号速度慢，精确度低，抗干扰性不强。且不能更方便的处理采集到的数据。
方案二：采用SMS的单片机数据采集系统电路,但由于此芯片的单片机价格昂贵,且适用范围有限,而且对此单片机不怎么了解, SMS单片机与A/D转化器组成的电路处理速度很慢，稳定性较差，实物图链接是线路复杂，与打印机连接时稳定性较差，故放弃此方案。
方案三：用MAX187与MCS-51, A/D转换器组成的电路使用方便,MCS-51种类多,价格便宜,我们对MCS-51系列单片机比较了解，适用范围广，更加适合数据采集与处理系统的应用.实物图连接电路简单，故最终决定使用此方案.
2.4 系统框图
描图纸选用设备：MCS-51单片机一片, A/D转换器, 打印机, LED显示器.共同组成整个系统，通过A/D转换器将模拟信号转换为相应的数字信号，再通过MCS-51对数字信号进行采集和处理，再通过LED显示器显示并通过打印机将处理过的信号打印出来，使用户更直观的看到结果。
第三章 系统硬件设计
3.1 元器件的选择
3.1.1 A/D转换器的选取
A/D转换器用于将模拟信号转换为相应的数字信号，它是模拟系统到数字系统的的接口电路。考虑到本系统的功能多，而芯片的I/O有限，选取MAX187/189。其特点有引脚数少，集成度高（基本上无需外接其他器件），价格低，易于数字隔离，易于芯片升级，廉价。
MAX187/189芯片引脚及功能
MAX187/189是MAXIM公司生产的具有SPI（Serial Peripheral Interface）总线接口的12位逐次逼近式（SAR）A/D转换芯片。特点如下：
① 12位逐次逼近式（SAR）串行A/D转换芯片；
② 转换速度为75 kHz，转换时间为8.5µs；
③ 输入模拟电压：0～5V；
④ 单一+5 V供电；
⑤ DIP8引脚封装，外接元件简单，使用方便。
MAX187与MAX189的区别在于：MAX187具有内部基准，无需外部提供基准电压，MAX189则需外接电压基准。
MAX187/189芯片引脚如下图所示。
MAX187与MCS-51的连接电路如下图所示。其中，P1.7为控制片选，P1.6为输入串行移位脉冲，P1.5为接收串行数据端。MAX187异形玻璃外接4.7 µF退耦电容激活内部电压基准，接+5 V允许使用内部基准。
注意：MAX187/189的片选在转换和读出数据期间必须始终保持低电平。
工作流程：清P1.7，启动MAX187开始A/D转换；读P1.5，等待转换结束；当P1.5变高，转换结束；从P1.6引脚发串行脉冲，从P1.5引脚逐位读取数据。先将MAX187转换结果存入31H、30H单元，右对齐，31H存高位（高4位补0）。待显示和打印时再将数据输出。
3.1.2单片机芯片的选择
根据实验要求选择MCS51系列 8031芯片即可达到实验目的。各引脚功能说明如下：80
31提供以下标准功能：摄像头识别4k字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看们狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。同时，8031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，但震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。
引脚功能说明
1. 主电源引脚
Vcc（40脚）：接+5V电源正端。
Vss（20脚）：接+5V电源地端。
2. 外接晶体引脚
XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS
单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，它是片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。
输入/输出引脚
（1） P0口（39~32脚）：P0.0~P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。
（2） P1口（1~8脚）：P1.0~P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。
（3） P2口（21~28脚）：P2.0~P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。
引 脚 第二功能
P3.0 RXD 串行口输入
P3.1 TXD 串行口输出端
P3.2 INT0 外部中断0请求输入端，低电平有效
P3.3 INT1外部中断1请求输入端，低电平有效
P3.4 T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端
P3.5 T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端
P3.6 WR 外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效
P3.7 RD 外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效
