基于单片机的数据采集系统的设计

I年月日题目：基于单片机的数据采集系统的设计专业：机械设计制造及其自动化姓名：（签名）指导教师：（签名）摘要本文介绍了基于单片机的数据采集系统的工作原理和结构，针对制动器使用过程中摩擦材料需凭经验定期更换，无法准确判断其失效程度的现状，设计了对制动器制动时的磨损量可以进行测量的硬件和软件系统，该系统利用位移传感器进行检测，通过单片机进行数据处理和分析，实现了摩擦材料位移量(磨损量)在线检测及存贮，当位移超出范围时，发出报警信号[1]。单片机数据采集智能检测系统的研制成功，将解决长期以来依据经验更换摩擦材料的问题，为制动器更换摩擦材料提供了一个比较科学的依据，有效地减少不必要的人力和材料的浪费，降低了安全隐患，提高了机器运行的可靠性，具有十分重要应用价值[2]。关键字：单片机；磨损；数据采集IISubject:DesignofDataacquisitionsystembasedonsinglechipAbstractThisarticledescribeshasbasedonsingletabletsmachineofdataacquisitionsystemofworkprincipleandstructure,forbrakeusingprocessinthefrictionmaterialrequiredwithexperienceregularlyreplaced,cannotaccuratejudgmentitsfailuredegreeofstatus,designtheamountofwearandtearonbrakesbrakingcanmeasureofhardwareandsoftwaresystems,thesystemusingdisplacementsensorfordetection,bysingletabletsmachinefordataprocessingandanalysis,implementationhasfrictionmaterialdisplacementvolumewearvolumeonlinedetectionandthestorage,whenthedisplacementgoesoutofscope,issuedalarmsignal.IntelligentdetectionsystemofSCMdataacquisitionissuccessful,willsolvetheproblemoffrictionmaterialshaslongbeenbasedonexperiencetobereplaced,forthereplacementofbrakefrictionmaterialprovidingamorescientificbasis,effectivelyreducingtheunnecessarywasteofmanpowerandmaterials,reducessecurityrisks,improvethereliabilityofthemachinerunning,isofgreatvalue.Keywords:SCM;wear;dataacquisitionIII目录1绪论............................................................11.1数据采集技术的分类..........................................11.2数据采集....................................................21.3信息提取....................................................31.4本文的主要工作..............................................42基于单片机的数据采集系统的工作原理................................62.1系统构架和工作原理..........................................62.2基本要求....................................................62.3数据采集系统的历史与发展....................................73检测系统硬件设计.................................................103.1单片机的选择...............................................103.2位移传感器的选择...........................................144基于单片机的数据采集的检测系统方案设计...........................164.1位移的检测方法.............................................164.2如何实现位移的测量.........................................184.3位移线性化的分段依据.......................................205检测系统软件设计.................................................225.1A/D转换的子程序............................................225.2参数在SPI_EEPROM中存放的地址设置..........................235.3通讯协议...................................................245.3.1什么是通讯协议........................................245.3.2数据帧格式............................................245.3.3命令及返回格式........................................25IV5.4各命令的编程................................................295.3位移传感器的数据线性化.....................................336结论............................................................37致谢...............................................................38参考文献...........................................................3911绪论数据采集技术主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控位移、温度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统[3]。1.1数据采集技术的分类工业上使用的数据采集系统大致可分为四类[4]:(1)基于通用微型计算机的数据采集系统这种系统主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和A/D转换后的数字信号通过接口电路送入微机进行处理，然后再显示处理的结果或者经过D/A转换输出。它主要有以下几个特点：①系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系统工作。②具有自主开发能力。③系统的软硬件的应用/配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时，软硬件能较好的扩展。④在工业环境中运行的可靠性差，对放置的环境要求较高。程序在RAM中运行时，易受外界干扰破坏。(2)基于单片机的数据采集系统它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，具有如下特点：①系统不具备自主开发能力。因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。2②系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能的要求为原则，因此系统的软硬件应用充分，配置比接近于1，具有最佳的性价比；系统的软件一般都具有应用程序。③系统的可靠性好，使用方便、简单。应用程序在ROM中运行不会因外界的干扰而遭到破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。(3)基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统DSP数字信号微处理器从理论上就是一种单片机的形式，DSP数字信号微处理器与通用微处理器相比，除了它们的机构不同以外，其基本差别是：DSP数字信号微处理器有能力响应和处理采样模拟信号得到的数据流。常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯片，另一种是通用DSP芯片。基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下：精度高、可靠性高、灵活性好、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。．(4)基于混合型计算机采集系统这是-种近年来随着8位单片机出现而在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机与单片机通过标准总线相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要求而配置的。主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、打印、记录、图形显示等任务。混合型计算机数据采集系统有以下特点：①通常具有自开发能力。②系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。③主机可远离现场而构成各种局域网络系统。④充分利用主机资源，但不会占有主机的全部CPU时间。1.2数据采集数据的采集是以单片机为核心控制器件，结合外围电路所构成。基本组成如图1.1所示：3图1.1数据采集系统组成采集系统器件主要包括传感器、A/D转换器、单片机、I/O接口电路等。由单片机作为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集将被测信号转换为能被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断；数据输出是将处理结果送给输出设备，进行显示、储存等操作。一个采集系统的构成，根据所测信号的特征而定。一定要满足系统的性能要求。本文被采集的信号（位移）只有一个，所以采用单通道数据采集，如图1.2所示：模拟信号图1.2单通道数据采集框图1.3信息提取信息的提取一般采用传感器件来完成。传输信息的载体是信号，为了便于对被测信息进行后续处理，通常是将被测信息转换成电信号，也就是把被测信号转换成电压、电流或其它电路参数等电信号输出。一般来讲信号的转换存储与传输需要中间转换装置来完成，通常是把信号转换成便于传输、功率足够大，并具有一定驱动功能的电流或电压。信号的显示和记录是用显示器、指示器和记录仪来完成。信号的处理和分析可以用数据分析仪、计算机数据分析系统来完成，找出被测信息的变化特征及变化规律，为研究和鉴定工作提供有效的依据，也可以为系统的控制提供反馈信号。总的来讲，检测技术具有如下三种功能输入通道单片机输出通道传感器（S）采样/保持（S/H）模/数(A/D)I/O主机4(1)过程中参数测量功能；(2)过程中参数监测控制功能；(3)测量数据分析判断功能；传感器是作为一种把输入的非电量(物理量、化学量、生物量等)信息转换成电量信号输出的器件或装置，其构成核心是把非电量信息转换为电信号的转换元件。这种转换功能，对物性型传感器可一次完成，实现“被测非电量一有用电量”的直接转换；而结构型传感器必须通过前置敏感元件预转换后才能完成，即实现“被测非电量一有用非电量一用电量”的间