基于单片机的多点采集系统

1 引言多点采集，是利用一种装置，从系统外部多点采集数据并输入到系统内部的一个接口。

被采集数据是已被转换成为电信号的各种物理量，如温度、风速、压力等采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。

准确的数据测量是数据采集的基础。

数据测量方法有接触式和非接触式，检测元件也多种多样。

不论使用哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证采样数据的正确性。

在互联网行业快速发展的今天，多点采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，多点采集领域已经发生了重要的变化。

国内外各种多点采集器先后问世将多点采集带入了一个全新的时代。

多点采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，这就使得多点采集系统的发展显得尤为重要。

多点采集系统的任务就是根据不同的地理环境对信号进行采集，如实现采集地点的任意性，采集时间的任意性，然后将采集的模拟信号转换成单片机能够识别的数字信号，送入单片机进行相应的处理，得出相应的数据，并将其进行显示或加以通信，以便实现对采集量的实时监视和处理。

在生产与生活的各个方面多点采集系统几乎无处不在，凡是有自动监控系统的地方都会有多点采集系统的出现，随着工业生产生活不断发展的需要，对多点采集系统的要求越来越高，尤其是根据不同的需求实现以不同的方式采集数据。

温度作为一个与人们生活密切相关的物理量一直以来都得到各方面的重视，因此本课题以对多点温度数据的采集完成整个设计，该课题的研究具有较大的发展前景和一定的经济价值。

2 系统设计方案整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、LED数码管、蜂鸣器、LED灯等装置组成，传感器将物理参量转换为电压变化并将转换结果输送给芯片进行处理，芯片将处理结果发送给单片机，采用AT89S51读取芯片的数据，单片机控制显示电路实时显示各路的采集数据，同时控制报警系统工作，保证系统安全运行单片机还将数据通过总线送给上位机，上位机设有显示功能、报警功能和设置下位机报警参数的功能。

下位机有按键设置强制控制。

能够实时显示报警参数和调节报警上限。

2.1 方案选择2.1.1 测量单元的选择方案一：本设计的测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件作为温度传感器，将由温度变化所引起的电压变化采集过来，然后进行A/D转换，这样，单片机就可以进行数据处理，同时，也可以通过上位机或LED屏，将被测温度实时地显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，测温电路比较麻烦，设计模块较大，不利于多点采集。

方案二：采用集成芯片和传感器搭配完成测温单元。

在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只K型热电偶与MAX6675芯片搭配作为温度测量模块。

此模块，可以很容易的将温度变化转换成电压变化，通过MAX6675将电压变化转换成与实际温度相应的数字量，采用此模块能满足设计要求。

从以上两种方案比较，很容易看出，采用方案二具有很强的优越性，模块电路比较简单且抗干扰能力强，系统的稳定性得到很大的提高，同时下位机软件设计也能更加简洁，单片机运行效率更高，因此采用了方案二作为温度测量模块。

2.1.2 显示单元的选择方案一：使用LED静态显示，这种方法编程简单而且不用另加驱动模块，可以直接与单片机管脚相连，能达到较高的显示指标，而且显示程序简洁。

但是静态显示占用了较多的I/O口。

只能应用于显示位数不多的情况。

虽然LED静态显示也能通过外加锁存器的方法节约I/O口，但是这种方法必须在每一个显示位加一个锁存器锁存单片机送出的显示字段，同时还要控制锁存器的锁存时间与显示字段的协调，这样就加大了编程的工作量，同时也大大增加了硬件的数量，扩大了系统的面积，既不实用也不经济。

方案二：使用LED动态显示完成显示单元，动态扫描在一定程度上节省了I/O口的使用，减少了硬件的数量，系统面积得到减小，既经济又实惠。

但这种方法需要加外部驱动，以此增加输出电流来更好的驱动数码管显示，电路虽简单，但是还需要特定的编程来完成动态扫描，增加了编程的难度和编程的工作量。

通过以上两种显示方法的比较，考虑本设计最终输出的数据位较多，单片机没有太多的输出口来完成静态显示，同时考虑到实际要求和设计的经济性本，设计最终决定使用动态显示。

2.1.3 下位机方案选择单片机自1971年诞生以来经过飞速的发展，单片机技术已经得到了巨大的提高单片机已经广泛应用于人类生活的方方面面。

单片机的型号也多种多样，本文设计采用AT89S51单片机。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS的8位单片机，片内含有4k Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，兼容标准MCS-51指令系统以及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中已经得到了广泛应用[1]。

基于此，本文采用了AT89S51作为采集系统的核心，围绕其完成整个系统的设计。

2.1.4 上位机方案选择目前上位机设计主要采用VC++编程，VC++的代码可移植性好，执行效率高，是专业的上位机开发语言，但是VC++涉及的知识面很广，不利于在短时间内掌握应用方法，对于一个比较简单的人机交互界面设计，如果采用VC++编程似乎有杀鸡用牛刀的感觉。

其实上位机的设计也可以采用VB语言编程，VB与VC++比较有很多不足的地方，但是简单的设计VB语言已经绰绰有余。

对于一个非计算机专业的学生来说采用VB具有很多优势。

首先VB上手速度快，语言简单且能够在较短的时间内掌握VB 的基本用法，况且采用VB已经能完全满足上位机设计的需要，基于此本文最终决定上位机采用VB语言设计。

2.2 系统总体设计框图本文系统总体设计包括两部分，一部分为硬件设计，一部分为软件设计。

硬件设计框图如图2.1，系统软件设计框图如图2.22.2.1 硬件设计框图图2.1 采集系统硬件设计框图图2.2 采集系统软件设计框图3 硬件设计3.1 单片机AT89S513.1.1 简介AT89S51是一种低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含有4k Bytes可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，兼容标准MCS-51指令系统和80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有以下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器(ROM)128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级以及2层中断嵌套中断，2个16位可编程的定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路和片内时钟振荡器[2]。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

在空闲模式下，CPU暂时停止工作而RAM定时计数器，串行口，外部中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直到有外部中断激活或硬件复位。

主要功能特性为：AT89S51兼容MCS-51指令系统；4k可反复擦写的(>1000次）ISP Flash ROM；32个双向输入/输出(I/O)口；4.5-5.5V的工作电压；2个16位的可编程定时/计数器；时钟频率0-33MHz；全双工UART串行中断口线；128×8bit内部RAM；2个外部中断源；低功耗空闲和省电工作模式；中断唤醒省电模式；看门狗（WDT）电路；灵活的ISP字节以及分页编程；双数据寄存器指针。

AT89S51单片机与其他品牌的单片机相比有着非常高的性价比高，以及性能稳定的特点。

(1) 51单片机的优点如果是作低成本的智能产品，51构架单片机的成本优势是无人能敌,比如一片AT89S51和AT89S52单片机的批量价格大概是5元左右，STC89C52单片机的批量价格大概是6元左右，这样的芯片价格是非常低的。

一片普通的74系列通用数字逻辑芯片大概要1元左右，而一片51单片机内部集成有成千上万个晶体管开关电路。

51构架已经诞生很多年了，到目前任然具有非常强大的生命力和实用性，自从1976年51构架成功面市以来，多少年过去了，从90年代初全新闪存结构的AT89C51要90元一片，到目前的AT89S51只要5元多一片，51依然在大量的使用着使用51单片机能够非常有效的控制智能产品整机的总体成本，因此51系列单片机还是有着无法替代的重要地位。

(2) AT89S51与AT89C51的比较AT89S51相对与AT89C51新增加了很多功能，性能有了很多的提升，价格却基本保持不变，甚至比89C51更低[3]。

AT89S51具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序时不需要把芯片从工作环境上拔除，可以在线烧写，大大的提高了单片机的实用性和工作效率。

AT89S51单片机的最高工作频率为33MHz， 89C51的极限工作频率是24MHZ也就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度和更高的工作效率。

AT89S51具有双工UART串行通道。

AT89S51内部集成有看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路，给单片机应用开发提供了更大的便利。

AT89S51具有双数据指示器。

AT89S51具有电源关闭标识。

AT89S51具有全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性得到了很大的加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

在兼容性方面，AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。

例如8051、89C51等产品。

就是说不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等。

在89S51上也一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容[4]。

AT89S51与AT89C51就如同INTEL的P3向P4升级一样，虽然都可以应用Windows98，不过速度是不同的。

总之，无论是与其他不同品牌同类产品相比，还是与同品牌产品相比都显示出了AT89S51优良的性能，以及更高的性价比。

因此AT89S51芯片成为了本系统的首选。

AT89S51管脚说明如图3.1所示：图 3.1 AT89S51管脚图VCC：供电电压。

GND：接地管脚。

P0口：P0口是一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻态输入。

P0能够可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的八位口线。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0作为原码输出口，此时P0外部必须被拉高。