基于單片機與PC機的電氣量采集系統(tǒng)設(shè)計

程燁

摘要：電氣量采集系統(tǒng)是保障各種電氣系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的重要措施，隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，電氣量采集得以達到數(shù)字化、智能化發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在一定程度上提升電氣采集的準(zhǔn)確性和實時性。鑒于上述情況，本次在單片機與PC機通信的基礎(chǔ)上設(shè)計電氣量采集系統(tǒng)，詳細介紹本系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)計情況，得以準(zhǔn)確采集對電流、電壓等信息各種信息。

關(guān)鍵詞：單片機 PC機 電氣量采集系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0024-02

工業(yè)控制現(xiàn)場必須實時對被控制對象進行采集，方便實時監(jiān)控被控對象，并依據(jù)相應(yīng)的控制算法計算控制量完成相對應(yīng)的控制任務(wù)。隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其所涉及的信號、信號源不斷增多，對測量準(zhǔn)確度、及時性等提出更高的要求?，F(xiàn)階段，市場普遍使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在功能單一、采集速率低、操作復(fù)雜等問題，多數(shù)采集系統(tǒng)必須將所采集的數(shù)據(jù)存儲至嵌入系統(tǒng)內(nèi)，加之嵌入式系統(tǒng)自身資源有一定的限制，因此，所推出的系統(tǒng)無法承擔(dān)大容量、高精度數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。本次設(shè)計基于單片機和PC機設(shè)計電氣量采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路等部分組成，通過各個模塊的相互配合，促使數(shù)據(jù)采集控制變得經(jīng)濟高效，充分發(fā)揮系統(tǒng)靈活、高速度的應(yīng)用效果。

1 電氣量采集系統(tǒng)基本架構(gòu)

本課題設(shè)計的基于單片機與PC機電氣量采集系統(tǒng)基本架構(gòu)見圖1，由該圖可知，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集被控制對象的多種信息并由PC機進行處理。借助高性能AD轉(zhuǎn)換芯片達到大容量、高精度模擬、采集數(shù)據(jù)的目的。單片機與PC通信能夠把龐大、復(fù)雜的處理工作和任務(wù)交由計算機完成，促使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)精度高、便于控制、采集信息量大的優(yōu)點。

2 設(shè)計系統(tǒng)硬件

本次設(shè)計中，系統(tǒng)硬件主要包含微處理模塊、單片機顯示模塊、傳感器模塊、電源管理模塊組成，其中，微處理器模塊借助Atmogal

128L低功耗微處理器，該處理器主要用于采集所需的數(shù)據(jù)并展開針對性處理。同時，也能對整個系統(tǒng)的任務(wù)展開控制管理。射頻收發(fā)模塊便于合理控制功耗，因此，利用節(jié)能型CC2420芯片，這種設(shè)計方法促使FLASH存儲對低功耗產(chǎn)品的選擇尤為重要。傳感器設(shè)計過程中，依據(jù)用戶的實際需求，每種傳感器均有獨特的壓力、溫度系統(tǒng)，因此，對部分非電量信號，也可借助傳感器將其由電壓變換模塊轉(zhuǎn)換為整個模擬信號。本次設(shè)計中，綜合考慮整個系統(tǒng)的成本和需求，通過節(jié)點中心設(shè)計模式，以Atmegal128L單片機實現(xiàn)。這種單片機主要功能是采集、處理數(shù)據(jù)，且能在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境下進行。它還包含強大的節(jié)能功能，必須滿足工作電壓1.8-3.6v工作電流溫度運行下的工作頻率。單片機數(shù)據(jù)采集電路見圖2。被控制對象實際運行參數(shù)信息，主要包含溫度、濕度、壓力等必須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電量信號，若自身即為電量信號既能省略這一步。必須注意，轉(zhuǎn)換的電量信號大小不一，必須通過電壓轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換芯片可以處理的范圍，并由A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)信號。

單片機與PC機通信之間使用串行方法進行通信，最終可將單片機現(xiàn)場所采集的信息傳遞至PC機中。從而達到PC機遠程控制檢測對象的目的。本次設(shè)計的系統(tǒng)可以有效采集被控制對象的各種參數(shù)信息，并把其專遞到PC機，有選擇的控制被控制對象。單片機顯示裝置包含4個共陽數(shù)碼管，其中，段選數(shù)據(jù)線與單片機I/O端口直接連接，位選數(shù)據(jù)線借助驅(qū)動芯片和單片I/O端口相連接。限制控制使用循環(huán)掃描的方法進行，即：逐個點亮每個數(shù)碼管，并實施高速切換，因人眼視覺停留特性的影響，其看上去猶如4個數(shù)碼管同時穩(wěn)定顯示出來。

3 設(shè)計合理的軟件

整個電氣量采集系統(tǒng)軟件主要包括單片機端和PC機端程序兩個部分組成，并在兩部程序上分別運行至不同實體上，即：單片機與PC機上。單片機端程序使用C51進行編寫，PC程序通過VB實施編寫。

3.1 設(shè)計PC機端通信程序

PC機端通信程序利用可視化開發(fā)工具VB6.0進行編寫，PC機軟件主要由系統(tǒng)初始化、文件存儲、接收事件呈現(xiàn)等部分。接收事件處理作為整個系統(tǒng)最重要的任務(wù)，其主要流程見圖3。若采集數(shù)據(jù)必須長時間保持，能夠把數(shù)據(jù)存儲至計算機文件內(nèi)，文件類型可以是數(shù)據(jù)庫和文本文件。如果必須對被控制對象實施遠程控制，必須讀取控制算法文件，并把數(shù)據(jù)利用通信控件轉(zhuǎn)送至單片機，利用單片機實施解釋執(zhí)行操作。

3.2 設(shè)計單片機端程序

單片機端程序主要由系統(tǒng)控制、A/D轉(zhuǎn)換、PC機通信程序等內(nèi)容組成，系統(tǒng)初始化用在設(shè)置系統(tǒng)的初始化狀態(tài)、中斷初始化等。A/D轉(zhuǎn)換程序以及A/D轉(zhuǎn)換芯片的時序要求，通過軟件模擬SPI操作，達到采集A/D數(shù)據(jù)的目的。PC機通信程序包含發(fā)送和接收程序兩個部分，其中，發(fā)送程序通過查詢的方式實現(xiàn)，先要設(shè)計恰當(dāng)?shù)拇诠ぷ鞣椒?、波特率等參?shù)后開啟串口，查詢數(shù)據(jù)是否完全發(fā)送，發(fā)送完成后在輸送至下一個字節(jié)，直至本次數(shù)據(jù)全部輸送完成。接收程序借助串口中斷的方法，有效提升CPU工作效率，具體流程見圖4。單片機串口如果接收某個字節(jié)數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生相應(yīng)的串行中斷。因發(fā)送和接收終端均能產(chǎn)生串行中斷，進入中斷時先要判定是否出現(xiàn)中斷，若是，則發(fā)出中斷標(biāo)志并結(jié)束。

4 結(jié)語

總之，電氣量采集系統(tǒng)是確保各種電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，本次設(shè)計以單片機和PC機達到采集電流、電壓、無功功率等數(shù)據(jù)，并配備合理的單片機端程序、PC機端通信程序、傳感器模塊等設(shè)備，把所采集的數(shù)據(jù)用單片機實施處理，便于使用者更加直觀、方便的監(jiān)控系統(tǒng)運行情況。

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