摘 要

本文主要设计了一种多通道数据采集系统，该系统同时具备24个采集通道，可以采集多个信号以及不同类型的信号。

1. 本文需要采集16个温度信号，5个风压信号，3个风速信号。因此对温度测量原理，风速风压测量原理进行了深入探讨。同时确定了一种最为合适的采样方案。
2. 系统确立了以单片机为核心的硬件电路。当传感器采集完信号后会经过模拟开关以及AD转换后输出到单片机中进行初步处理。同时编写了相应的程序对各个模块的工作状态进行控制。
3. 进行了以LabVIEW为核心的上位机设计，通过串口通信协议，将下位机上的数据发送到上位机中。上位机对数据进行了接收分离以及后期的处理。扩展了系统的功能，使其更具有实用性。

整个系统基于单片机与LabVIVEW。首先由不同的传感器采集外界信号，然后输入到多通道模拟开关，通过开关的信号进行A/D转换后变为数字量，方便单片机进行采集。上位机labview则将采集到的数据进行后期处理，实现了更好的人机交互特点。

本次设计巧妙地将单片机与labview结合了起来。原理简单，功能强大。可以广泛地应用于生产生活当中。

关键词：多通道；数据采集；通信；LabVIEW；单片机

Abstract

This article mainly designs a multi-channel data acquisition system, which has 24 acquisition channels at the same time, which can collect multiple signals and different types of signals.

1. This article needs to collect 16 temperature signals, 5 wind pressure signals, and 3 wind speed signals. Therefore, the principle of temperature measurement and the principle of wind velocity and pressure measurement are discussed in depth. At the same time, a most suitable sampling scheme was determined.

2. The system has established a hardware circuit with a single-chip microcomputer as its core. After the sensor has collected the signal, it will go through the analog switch and AD conversion and output to the microcontroller for preliminary processing. At the same time, a corresponding program was written to control the working status of each module.

3. The upper computer design based on LabVIEW is used to send the data on the lower computer to the upper computer through the serial communication protocol. The upper computer received and separated the data and processed it later. Extend the functionality of the system to make it more practical.

The entire system is based on the microcontroller and LabVIVEW. First, the external sensors are collected by different sensors, and then input to a multi-channel analog switch. After the A/D conversion, the signals of the switches are converted into digital data, which facilitates the SCM acquisition. The upper computer labview carries out the post-processing of the collected data and achieves better man-machine interaction characteristics.

This design skillfully combines the microcontroller and labview. The principle is simple and powerful. Can be widely used in production and life.

Key words: multi-channel；data acquisition；communication；LabVIEW；microcontroller

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 数据采集的发展趋势 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国外数据采集技术研究现状 2

1.3.2 国内数据采集技术的现状 2

1.4本文研究内容及创新点 3

第2章 设计方案选择 4

2.1 传感器选择 4

2.2 采集模块选择 4

2.3 虚拟仪器选择 5

2.4 总体方案 5

第3章 信号采集设计 6

3.1 温度采集设计 6

3.2 风压风速测量设计 7

第4章 下位机硬件系统设计 8

4.1 模拟开关 8

4.2 模数转换 10

4.3 单片机系统 11

4.4 数码管显示 12

4.5 仿真与调试 14

4.6 误差分析 16

4.6.1 误差来源分析 16

4.6.2 校正随机误差 17

第5章 下位机程序设计 18

5.1 模拟开关通道选择 18

5.2 模数转换 19

5.3 数码管显示 22

5.4 数据发送部分 24

第6章 软件设计 26

6.1 软件介绍 26

6.2 总体设计思路 26

6.3 前面板设计 27

6.4 程序框图设计 29

6.5 结果测试 31

第7章 总结与展望 33

7.1 总结 33

7.2 展望 33

参考文献 34

附录A：元器件清单 35

附录B：单片机程序清单 36

致谢 43

第1章 绪论

1.1 引言

数据采集技术是现代科学中重要的一部分，随着科技的发展，对数据采集的要求也越来越高。所谓数据采集，就是将各种模拟信号转化为计算机可以进行存储，识别处理的信号^[1]。其中模拟信号需要通过各种类型的传感器进行检测，再通过A/D转换将其变为数字量送入单片机中进行处理，然后单片机还应通过通信技术把初步处理的信号发送到上位机labview中从而完成整个数据采集过程。

为了使设计更具有实际意义，本次设计的多通道数据采集系统将采集16个温度信号，3个风速信号，5个风压信号。温度风速风压与我们的生活息息相关，而且在工业控制当中这些数据也具有很重要的参考价值，合适的环境参数能够提高生产的效率，同时也能够根据实际情况做出相对应的生产调整。因此，实现对多个常用信号的采集会使得该系统的设计意义更加突出。

总之，数据采集在我们的生活中有着极其重要的作用，多通道的采集系统也更加符合当今科技的发展趋势，因此，本文在综合成本及便利性方面设计了基于单片机与labview的多通道采集系统。

1.2 数据采集的发展趋势

数据采集技术发展十分迅速，尤其是在与计算机相互结合之后，更加趋于智能化，操作起来也更为方便。无论是在航天航空还是在生产生活中都离不开对于各种数据的采集。因此其重要性可想而知。未来对于数据的采集将朝着网络化、分布式方向发展，能够测量信号的种类和范围也会不断地拓展与更新^[2]。准确度提高，可靠性增强，都将会是未来数据采集系统发展的必然趋势。采集系统过程中也会加强对于元器件构造，性能成本方面的考虑。使得其性价比得到质的提升。

除此之外，采样信号的改善也对于数据采集技术产生了很大的影响，与传统的传感器输出信号相比，现阶段智能传感器输出的信号精度更高，受外界误差的影响也越来越小。因此，最终采集到的数据将会越来越准确，使得整个采集系统的结果得到很大的改善。

总之，现阶段我们有必要对数据采集系统进行研究，不断深入地去了解它的设计过程和通讯原理。并且在此基础上对已有的采集系统进行优化，不断地去发掘之前的不足并且加以改善，使得其更加地符合实际情况中要求。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外数据采集技术研究现状

  国外通信技术的发展十分迅速，由于起步快，相对应的科技理论知识也走在相对应领域的前沿。并且很多理论已经实现在各个领域当中，并且也取得了很多的成就。现阶国外的段数据采集功能比以往更多，使用也更加方便^[3]。总的来说，国外数据采集技术有以下几个特点：

（1）具有倒谱，时频域分析，细化包络等功能，分析处理数据的能力更加强大，得到的数据精确度也更高。

（2）存储量大，能够保存大量数据，同时从低频到高频的频率测量范围宽，几乎各类信号都能实时采集。

（3）配件功能强大，可同时连接多种不同的外围器件，支持不同型号的控制芯片。

1.3.2 国内数据采集技术的现状

目前我国已经能自主生产数据采集器，并且能够应用于各种不同场合之中。但是，起步较晚，发展较慢都是我们现阶段要面对的主要问题。技术不够成熟，元器件支撑不够都使得数据采集状况不够乐观。无论是在生产加工还是实际测量环节都还有许多不够完善的地方，主要表现在：

（1）国内传感器精度不高，采集到的数据误差较大，能够使用的频率范围很小。

（2）内存不大，不能够存储大量数据，处理信号的能力也不强，功能单一。

（3）配件匹配度低，只能连接特定的元器件，可扩展性低。

1.4本文研究内容及创新点

本文需要设计一种多通道数据采集系统，它可以完成对温度，风速，风压等多种信号的采集，并且通过上位机显示在用户的面前。该系统地研究主要考虑了多信号采集的情况下，如果使用多个单通道数据采集系统，将会造成系统管理麻烦，元器件成本增加，维护不便等诸多问题。因此，多通道采集系统的设计十分适用于多点检测的生产环境当中。

本文主要研究内容如下：

1. 下位机部分：研究多路模拟开关的控制原理，编写单片机程序控制开关的循环；研究AD转换器的工作原理，完成模数转换；研究基于系统原理的proteus仿真以及实物搭建。
2. 上位机部分：研究LabVIEW串口通讯过程，接收下位机数据；研究LabVIEW数据显示以及存储方法，完善系统功能。

本文创新点：

（1）将1个AD转换器与多个模拟开关结合在一起，构成了多通道AD转换电路。其可以接入多个传感器输出信号。与NI数据采集卡相比，性价比更高。

（2）将单片机与LabVIEW结合在了一起构成了一个完整的系统，下位机通过数码管显示数据，上位机通过数显控件显示，二者相辅相成。

第2章 设计方案选择

本次设计的多通道数据采集系统主要是基于单片机与虚拟仪器完成。现阶段传感器发展迅速，可供选择的元器件种类较多。而且虚拟仪器也有很多类型。好的选择会使得系统更加完善，实用性更高。因此，我主要针对信号采集阶段以及虚拟仪器进行了不同方案的比较与选择。

2.1 传感器选择

对温度风速风压等外界信号可以选择高度集成的传感器模块，其输出信号能够直接与单片机进行通信。无需进行模数转换以及放大滤波之类地信号处理。其特点就是集成度高，采集方便，但是相对来说价格较为昂贵。

除此之外，还可以选择传统传感器模块，其输出为常见的电流，电压等电量信号，进一步通过A/D转换后变为单片机可以处理的数据。其特点是原理简单，价格便宜^[4]。

综合考虑后，本次设计采用传统的传感器模块，这样有利于理解信号的采集原理，并且其符合一般数据采集系统的设计思路。这样能够在设计过程中得到锻炼与提升。

2.2 采集模块选择

系统的关键部分是接收模拟信号并进行下一步的转换，选择接收模块时主要考虑了NI系列数据采集卡与AD转换器两种不同的采集方法。

通过查询可知NI系列数据采集卡中有16通道温度输入采集模块NI-9213，其具有滤波及温度补偿电路。可以很好地采集16个温度信号。另外有8通道电压输入模块NI-9201，它的运行速度很快，而且有过压保护措施，安全性能好，可以用来采集风压风速信号。总的来说NI系列采集卡精度较高，使用方便，但是其售价均为500元以上，超过本次设计预算。因此考虑使用AD转换器进行采集。

AD转换器应用广泛，是信号转换中常用的元器件。与NI数据采集卡相比，它没有针对特定信号的专用芯片，只要精度允许，所有输入的电压信号都可以进行转换，因此本次设计过程中可以用同一种AD转换芯片进行采集。它的售价为10元左右，价格较为便宜。精度方面也可以根据要求设计相应的外围电路来减小误差。

总的来讲，本次设计对精度的要求不是很高。比较它们的优缺点后选择AD转换器进行数据的采集。

2.3 虚拟仪器选择

随着计算机的发展，有很多软件都可以作为上位机处理分析数据。例如使用编程语言（C、C 等）结合相对应的界面库（QT、WPF等）进行软件的开发设计。该方案可以相对自由地搭建程序，如果使用熟练的话，系统的可维护性与可扩展性也更好。不足之处就是开发效率低，费时费力。

另一方面，可以使用LabVIEW软件进行开发设计。它主要以数据流方式的程序框图为主搭建系统。非常适合数据采集类软件的后期处理。同时其操作简单，软件界面简洁美观，可以给用户良好的体验^[5]。

因此本次设计采用Labview软件作为上位机，主要完成前面板的设计与程序框图的编写，使其尽可能符合用户的操作习惯。

2.4 总体方案

通过不同的比较分析，确定了以传统传感器模块，AD转换器，LabVIEW为核心的多通道数据采集系统。该系统的总体设计框图如下：

图2.1 系统设计整体框图

第3章 信号采集设计

3.1 温度采集设计

温度采集的方法有很多种，在生产中应用较为广泛的是利用热电偶和热电阻作为敏感元件测温。

热电偶测温是基于测量点温度的变化而引起热电偶回路中产生的电压差，当外界温度变化时，电路中会输出一个与温度有关的电压信号，通过采集电压信号以及查询对应的关系就可以求得相应的温度^[6]。

热电阻测温主要由热敏电阻的材料特性决定的。当外界温度变化时，热敏电阻阻值会发生改变，将电阻接于回路当中，也可以得到一个与温度有关的电压信号。从而实现对温度的采集。

两者输出都为电量信号，采集起来都很方便。综合考虑后选用价格更为低廉，容易购买到的NTC热电阻作为敏感元件进行温度的检测。

NTC 热敏电阻地温度计算公式：

（3.1）

这里T1和T2指的是开尔文温度；

其中T2=(273.15 25)；

Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值；

R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值；

B值是热敏电阻的重要参数；

EXP是e的n次方； 

  转换得：

（3.2）

求出TI，然后再减去273.15就是实际温度。

本次采用的是四线制热敏电阻模块，它的测量范围是-45℃到125℃。其标称阻值为10KΩ，B值为3950。它的输出端是经过转换的电压信号，通过电压与热敏电阻的关系可以很容易得到热敏电阻阻值，再通过上式即可完成对于温度的测量。

3.2 风压风速测量设计

空气中某一点的风压是通过测量该点的差压得到。测量时需要使用压力传感器将差压信号进行转变，使其成为利于采集的电压信号。压力传感器中的四个检测电阻是以惠斯通电桥的形式进行连接^[7]。

图3.1 压力传感器电桥电路

图中四个电阻的初始阻值都相同，当外界压力变化后，阻值会发生相应的改变。因此电路输出的电压Vo与外界压力一一对应。

实际测量过程中，需要将传感器正对风口，测得风的总压。通过查询资料可以进一步得到标准的静压力。根据流体力学的相关知识可以计算出空气动压为：

（3.3）

风速与流体动压力存在如下关系：

（3.4）

式中：—空气密度，kg/m³。

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