单片机数据采集系统详解：硬件与软件设计策略

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该文档详细探讨了单片机数据采集系统的设计方案，主要包括计算机硬件系统概述、数据采集技术概述、硬件设计和软件设计。在第一章中，首先介绍了计算机硬件系统的基本组成，如运算器、存储器、输入设备（如键盘）和输出设备（如显示器），以及其发展历史，从冯·诺依曼结构到现代存储器为中心的架构。章节还强调了硬件设计的原则，包括高度自动化和高速计算能力。第二章聚焦于数据采集技术，阐述了数据采集系统的结构原理，包括系统的分类（如模拟式和数字式）、基本功能（如信号转换和数据采集）以及不同结构形式。设计原则被进一步细分，如硬件设计需考虑高效能和稳定性，软件设计则需遵循模块化、易维护性等原则。第三章深入到硬件设计部分，提供了系统结构框图，展示了CPU处理核心模块、ADC模数转换器、液晶显示模块等关键组件的功能和连接方式。电路板布局（PCB版图）也被详细展示，直观地呈现了硬件集成情况。在软件设计章节，主要使用了KeilC51作为开发工具，介绍了汇编语言与ANSI C之间的比较，重点讲解了内存区域管理、变量类型、存储声明、指针、函数、中断服务等内容。此外，作者提醒读者在使用KeilC时应注意的一些最佳实践，如选择短变量、无符号类型、避免浮点指针等，以提高代码效率和性能。第四章详细描述了整个系统软件流程，包括ADC模数转换、液晶显示、键盘处理和定时器中断响应等模块的具体实现步骤。同时，还给出了C51编程规范和KeilC软件的使用指南，确保了软件设计的规范化和高效执行。这份文档提供了一个全面的单片机数据采集系统设计蓝图，涵盖了硬件与软件设计的各个环节，对初学者和专业人士都具有很高的参考价值。

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时间的 10％，即使加快 10000 倍，总时间也会少于原来的 90％。所以，加快经常性事件效

果最好。

（2）性能平衡原则

即 CPU、内存、I/O 的性能要相互匹配才是一个性能平衡的系统，不平衡就会出现瓶颈。

一个经验的定律是：每一个 MIPS(每秒兆指令数)的处理能力，需要 1MB 的内存与 1MB/s 的

I/O 带宽与之匹配。

第二章数据采集技术概述

数据采集技术是微型计算机应用技术的重要分支。外部现实对象(广义的外部设备)通

过接口和计算机交换信息，在现实对象中．信息表现为不同的形式并有明确的物理意义，

输入到计算机内部后部变成二进制数，统称为数据。数据经过计算机的加工处理再作用到

现实对象，又变成具体的物理信号。上述整个过程部可以看成是数据采集技术涵盖的内容。

2．1 数据采集系统的结构原理

数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。数据采

集系统的输入又称为数据的收集；数据采集系统的输出又称为数据的分配。

2．1．1 数据采集系统的分类

数据采集系统的结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见的分类方法有以下

几种：根据数据采集系统的功能分类：数据收集和数据分配；根据数据采集系统适应环境

分类：隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统的

控制功能分类：智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号的性质分类：

电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入(SE)和差动输入(DE)，单极性

和双极性；根据信号通道的结构方式分类：单通道方式，多通道方式。

2．1．2 数据采集系统的基本功能

数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能

识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得

出所需的数据。与此同时，将计算得到的数根进行显显示和打印，以便文现对某些物理量

的监视

[2]

。

由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能:数据采集、模

拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理、二次数据计算、屏幕显示、数据存储、打印

输出、人机联系。

2．1．3 数据采集系统的结构形式

从硬件力向来看，白前数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据

采集系统；另一种是集散型数据采集系统。

微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、AD

转换器、计算机及外设等部分组成。集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由

若十个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。数据采集站一般是由单片机数据采

集装置组成。位于生产设备附近，可独立完成数据采集和颈处理任务，还可将数据以数字

信号的形式传送给上位机。

2．2 数据采集系统设计的基本原则

对于不同的采集对象，系统设计的具体要求是不相同的。但是，由于数据采集系统是

由硬件和软件两部分组成的，因此，系统设计的一些基本原则是大体相同的

[2]

。

2．2．1 硬件设计的基本原则

(1) 经济合理

系统硬件设计中，一定要注意在满足件能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得

到高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素，也是一个产品争取市场的

主要因素之一。

(2) 安全可靠

选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保认在规定的下作

环境下，系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工

作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。要保证连接件的接触可靠。

(3) 足够的抗干扰能力

有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。

2．2．2 软件设计的基本原则

(1) 结构合理

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