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0 引言
单片机数据采集系统是指利用单片机对现场的各种信号，包括：非电量信号(如温度、压力、流量等)，电信号(电压、电流)，以及开关量，频率量信号等进行采集，存储，显示，传输的系统。目前，8位单片机由于其控制功能强大、品种多、价格低廉，正广泛应用于各个领域，特别是应用在数据采集，设备控制等方面，是单片机应用中的主流机种。本文采用台湾华邦公司生产的高性能Turbo-51系列单片机 W77E58，实现了一种基于单片机的通用数据采集和通讯仪的研制，具有较高的实用价值。为了使设计的数据采集仪应用方便，系统利用PTR2000无线数据传输模块与上位机进行通讯，以便能随时响应控制中心的PC机的数据上传命令，将采集到的数据实时上传给控制中心。
1 系统硬件设计
本文设计的通用数据采集和通讯仪能够对各种现场设备的标准输出信号进行采集，包括传感器输出的0-5V／4-20mA模拟信号；开关量信号；频率量信号；此外系统还具有RS-485接口，以便能够与现场具有485接口的智能仪表相连接。为了实现良好的人机交互，系统扩展了键盘输入，液晶显示，实时时钟以及现场故障报警指示电路等模块。系统总体框图如图1所示。
1．1 电源模块电路设计
在单片机数据采集系统中，电源的设计是非常关键的。本仪表设计采用电网和充电电池双电源供电。电源设计如图2所示。
当电网电压正常时，220V交流电经过24V稳压电源，电解电容器C1滤波后的电压经二极管D1后分成两路，一路通过三极管Q1到7805三端稳压芯片，完成稳压输出+5V电压，供单片机W77E58等芯片所需的电源；另一路通过电阻R1对镍镉电池9V进行充电，充电电流选择约40mA。如果电网停电， C1放电为0V，这时，电池通过D2、Q1到7805向电路供电，使输出端仍有+5V电压，从而完成电网短时停电时，单片机后备电源的功能。
二极管D1起隔离作用，使得当电网偶尔停电时，能够阻止电池电流流向24V稳压电源。稳压管D3(5．6V)的作用，是防止电池(+9V)过放电，即当电池放电下降到约6V时，因D3作用，三极管Q1截止，电池放电停止，此时单片机将停电。
1．2 实时时钟芯片DS12887
为了能够实时显示系统时间以及实现按时间日期保存采集到的数据的功能，系统扩展了一片并行实时时钟日历芯片DS12887。DS12887是DALLAS半导体公司推出的实时时钟芯片，采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集成于芯片内部。DS12887芯片具有微功耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，在现代工业控制及智能仪器仪表中有着广泛的用途。
1．3 键盘接口电路
为便于人机交互，采用专用键盘接口芯片8279，配合74LS138译码器，系统扩展了3×8=24键的键盘。键盘上设置有0～9数字键，以便输入各种信息。同时还设有各种控制按键。通过键盘能够控制对各种类型数据进行采集。为提高CPU的效率，键盘采用中断方式。
1．4 LCD液晶显示模块
为便于实时显示采集的数据及人机交互，系统扩展了图文液晶显示模块MGLS-12032，MGLS-12032是由香港精电公司生产的内置SED1520控制驱动器的LCD模块，使用简单方便。液晶显示模块MGLS-12032与W77E58的硬件接口
其中D0～D7与单片机的数据总线相连，A0、A1为单片机的P0口经74LS373地址锁存器后产生的低两位地址线，系统用74LS138译码器产生的Y5、Y6作为MGLS12032两个控制驱动器工作的选通信号。
1．5 模拟信号采集电路
系统采用12位并行A／D转换器MAX197对传感器输出的0-5v／4-20mA 模拟电信号进行采集。MAX197是美国Maxim公司推出的多量程(本系统采用0-5V量程)、8通道、12位快速A／D转换器，采用逐次逼近工作方式，片内含有高精度的参考电压源和时钟电路，使它可以在不需要任何外部电路和时钟的情况下完成一切A／D转换功能，应用非常方便。并且MAX197内部具有输入跟踪／采样保持电路，其并行输出口很容易与单片机连接，仅需外接几个电容即可。
MAX197与单片机的典型接口电路如图4所示。设计采用MAX197的CH0-CH6通道采集7路0-5V电压信号。而4-20mA电流信号则经过8选 1模拟开关CD4051轮流选通，再经灵敏电阻，放大器转化为0-5V电压信号后，进入MAX197的CH7通道进行模数转换，从而系统可以采集8路电流信号。
1．6 开关量采集电路设计
系统通过一片8255芯片来扩展并行口。编程使8255的A口为输入，用于采集8路开关信号。B口为输出，用于8路开关量的输出。为了增强系统抗干扰能力，开关量输入／输出通道都采用光电隔离。开关量采集电路图略。
1．7 频率信号测量电路设计
本系统利用8253芯片的定时器／计数器1和2对两路待测脉冲个数进行记数，8253的定时器／计数器0用来定时，利用W77E58有多个中断源的特性，定时结束产生中断，在中断服务程序中，读取8253定时器／计数器1和2的当前记数值，通过计算便可得到待测频率量。
频率信号测量电路如图5所示。其中D0-D7与W77E58数据总线相连，单片机P2口高三位经138译码器译出的Y0与8253的CS引脚相连，用来选通8253芯片，8253的A0、A1直接与低二位地址线相连，因此8253的端口地址为1FFCH～1FFFH。
作者：丁明亮,张娟 曲阜师范大学 来源：电子技术
