蒙山转播台机房温湿度数据采集系统

山东省广播电影电视局蒙山转播台 冯 晗

1.引言

本系统基于AT89S51和模数转换芯片ADC0809的数据采集系统，主要从硬件电路设计、温湿度环境数据采集程序设计2个方面进行了详细阐述，其中硬件电路设计部分结合具体芯片，详细的介绍了数据采集系统各部分硬件接口电路的设计。设计中利用51单片机控制A/D转换器构成采样模块，实现对信号的采集，采样后的数据经A/D转换，通过数码管显示出来，从而使值班员直观、准确的判断出机房温湿度数据的变化。

2.详细设计

2.1 设计要求

(1)机房温湿度数据模拟信号产生：利用温湿度探头做为模拟数据信号发生器，经频率电压变换后，将温度和数据数据输出相应1-5V直流电压。

(2)数据采集器：数据采集器的第1路输入温湿度对应的1-5V直流电压，第2-7路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V直流电压(各路输入可由分压器产生，不要求精度)，第8路备用。将温湿度模拟信号量分别转换成8位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。

(3)主控器：主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环采集(即1路、2路……8路、……1路)和选择采集(任选一路)二种方式。显示部分能同时显示温湿度和相应的数据。

图1 原理及数据流程图

图2 5V稳压电源电路

图3 串口转并口部分电路

2.2 具体设计方案

根据设计要求，首先从整体上规划好整个系统的功能和性能，然后再对系统进行划分，将比较复杂的系统分解为多个相对独立的子系统，特别注意对各个子系统与系统、子系统与子系统之间的接口关系进行精心设计以及技术指标的合理分解。然后再由子系统到部件、部件到具体元器件的选择和调试。各部件或子系统各自完成后再进行系统联调，直到完成总体目标。具体原理及数据流程图如图1所示。

3.系统硬件电路设计

3.1 电源电路设计

电源部分电路由变压器、电桥、三端稳压器7805、滤波电容和整流二极管、电阻分压组成。电路的优点是：直流电源输入范围宽从7.5V—24V都可以可靠工作，电路具有短路保护作用，纹波系数小，电压稳定为5V。如图2所示。

3.2 AD转换和串口转并口设计

图4

图5 主控器总体电路

图6 程序流程图

AD转换部分电路由集成电路0809完成，ADC0809是一种典型的A/D转换器，具有8路模拟输入端口，地址线（23～25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。第22脚ALE为地址锁存控制，当输入为高电平是，对地址信号进行锁存；6脚START为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就A/D转换；7脚EOC为A/D转换结束标志，当A/D转换结束是，EOC输出高电平；9脚OE为A/D转换数据输出允许控制，当OE为高电平时，A/D转换数据从端口输出；10脚CP为0809的时钟输入端，利用单片机30脚的六分频晶振信号再通过74LS74二分频得到。单片机的P1、P3端口作四位LED数码管显示控制，PO端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0809的A/D转换控制。ADC0809由一个8位A/D转换器、一个8路模拟量开关、8路模拟量地址锁存/译码器和一个三态数据输出锁存器组成。A/D转换器的主要技术指标是分辨率、转换误差、转换速度。

(1)MCS-51与ADC0809的接口

ADC0809时钟信号由单片机的ALE信号2分频获得。ADC0809通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。转换后的N个数据顺序存放到起始地址为data_addr数据存区。

串口转并口部分电路由芯片74LS165组成，与0809的连接电路如图3。

(2)ADC0809的时钟频率500KHZ的产生

从单片机ALE引脚产生的1MHZ频率，通过D触发器后变为500KHZ，然后输入到0809中的CLK引脚中。而D触发器在74LS74芯片可以找到。如图4。

3.3 主控器电路

主控器由AT89S51及其外围电路组成。其外围电路有复位电路、时钟源电路等等。

(1)复位电路设计

复位电路具有上电自动复位作用。必要时可按复位键手动复位，提高了复位电路的抗干扰能力。

(2)时钟源设计

时钟源电路的X1和X2之间跨接晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。

主控器总体电路如图5所示。

1)P0口接上拉电阻的作用是保证其工作电压。

2)P1.5、P1.6、P1.7是外界往单片机里面写程序的3个引脚。

3)由硬件设定，一般P0.2为输入74164的数据线，P0.3为输入74164的时钟线。

4)ALE引脚置5V（即置1）是为了使单片机执行程序时从内部ROM开始查询再到外部RAM，如果为置0时则只从外面的RAM查询。

5)从7615中传送过来的串行数据输入MC-51时，可以从P0，P1，P2，P3中的任意空闲引脚中输入。

3.4 显示部分

这个电路主要是用74LS164完成，与显示的数码管相连。这部分主要将数据通过串行变为并行，然后显示到数码管中。由于80C51单片机输出的数据是串行的，需要把它变为并行的才能在数码管显示，那么就要用到74164芯片作为转换器件。74164的作用是将串行数据转换为并行数据。这样74164输出的并行数据输进到数码管里面就可以显示了。具体的显示时间长短则要看程序设计的延时时间的长短。如果要显示多个数字，则要85C51单片机的时钟线控制。

4.系统主要程序的设计

4.1 初始化程序

系统上电时，将70H～77H内存单元清零，P2口清零。

4.2 主程序

在刚上电室，因70H～77H内存单元的数据为0，则每一通道的数码管显示值都为000。当进行一次测量后，将显示出每一通道的A/D转换值。每个通道的数据显示时间在1s左右。主程序在调用显示程序和测试程序之间循环。

4.3 显示子程序

采用动态扫描方法实现四位数码管的数值显示，即温度与相对应数据，湿度与相对应数据。测量所得A/D转换数据放在70H～77H内存单元中。测量数据在显示时需要经过转换成为十进制BCD码放在70H～77H中，其中7BH存放通道标志数。寄存器R3用来作8路循环控制，R0用作显示数据地址指针。

4.4 模数转换测量子程序

模数转换测量子程序是用来控制对08098路模拟输入电压的A/D转换，并将对应的数值移入70H～77H内存单元，其程序流程图如图6所示。

5.软件设计

5.1 上位机软件程序设计：

当上机位发送一个命令帧之后，立即转到线程串口监视线程，等待下机位的应答帧。上机位接收到正确应答后会继续发送下一帧轮询命令，而不会向下机位发送任何表示正确的命令。当在超时时间内没有接收到下机位的应答帧时，上位机的行为会继续向下机位发送轮询帧。

5.2 下位机软件程序设计

在通信过程中，下机位一直处于接收状态，随时准备接收上机位发来的命令帧，当下机位接收到一个个命令帧后，首先按照通信协议的规定去执行相应命令，然后应答。命令执行成功时，返回“命令已成功执行”的信道信息；命令执行失败时不做任何应答，返回继续等待接收下一个命令帧。

以上原理工作进行之后，要进行实际测试。首先设计出正确的电路原理图，然后进行PCB板布线。对PCB板行电路检测，检查PCB板上是否有断路、短路。完成对PCB裸板的测试之后，焊接元器件。电路焊接完成后，没有加电的情况下对电路进行测试，对照电路原理图和PCB图以检测电路中是否有虚焊、漏焊。完成上述这些基本的检测之后，给电路上电，对各部分电路分别进行检测。上电后，首先对AT89S51单片机电路的测试进行测试，因为它控制整个电路板的运行。AT89S51的电压输入端，测试电压为+3.376V，说明驱动其电压正常。按照原理图进行电路连线，对数据采集电路的测试注意将单片机和ADSC0809共地，用一个可变电压作为输入量输入到ADC0809中，将经过单片机处理后的信号用数码管显示出来。检查电路连接正确后，将编写好的数据采集程序植入单片机中。把经A/D转换后温湿度探头的数据量，经编译后，在数码管上能正确的显示出来。当外界温湿度不断变化时，数码管上显示的数字也跟随着不断变化。这样，具有温湿度数据采集功能的系统完成。

这套温湿度数据采集系统，能准确的监测机房内温湿度变化，对于气候恶劣的高海拔无线发射台有很强的实用性。

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