基于水温压力检测的数据采集系统

1 引 言

在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中，都必须进行相关的压力检测和温度的测试。该数据采集系统主要用于油田油井，气井，注水井。其是油田测试井下压力与温度变化情况必不可少的。随着科学技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛领域，计算机控制技术正发挥着越来越重要的作用，然而外界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度，压力，速度等。要将这些信息送人计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程即是数据采集。本单片机系统的工作原理是通过一个压力、温度传感器接受外部的压力信号、温度信号。这两个信号送A／D转换器，经过信号的放大、调制、滤波。最终转化为计算机可处理和运算的数字信号。单片机既可以直接与计算机进行通信，也可以暂时把记录数据存储到系统的存储器内，然后通过RS 232串行通信口把数据回放到计算机以供使用者对其进行处理。整个系统中单片机系统的硬件和软件设计是主要的设计任务。

2 系统硬件设计

硬件电路主要由压力传感器，温度传感器，A／D转换芯片、单片机、存储器、通信接口组成。其中主单片机是系统的核心部件，主单片机控制系统的数据采集、数据存取、时间参数设置与主机通信等。时钟信号也是由单片机产生，定时对主单片机产生复位信号，使主单片机完成一次数据采集，然后又进入休眠状态。当主单片机进入休眠状态后，除定时器还在继续工作外，系统的其他部分进入掉电状态。掉电状态由单片机控制，定时器的工作参数也是由主单片机进行设置。

其中单片机AT89C2051是美国Atmel公司生产的一种低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2 kB的可反复擦写的只读FLASH程序存储器和128 B的随机存取数据存储器RAM，该器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS 51指令系统，片内置通用8位中央处理器和2 kB FLASH存储单元，AT89C2051单片机是一个功能强大的单片机，它有20个引脚，15个双向输入／输出(I／O)端口，其中P1是一个完整的8位双向I／O口，2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM，定时／计数器，串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。对于其他元件的选择，电路中所用元件都选用体积小，功耗低，耐高温、稳定性好的器件。这些器件为数据采集系统和供电系统的长时间工作提供了一种有效的办法。系统原理图如图1所示，压力传感器使用美国Motorola公司生产的MPX2100半导体压力传感器。它可以把压力转换成毫伏级的差模电压信号，该压力传感器具有良好的线性度，它的输出电压与所加压力成精确的正比例关系。有利于提高测试压力的精度，另外，MPX2100所具有的温度补偿特性克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。温度测量采用二极管IN4148作为传感器。A／D转换接口采用能达到高精度要求的A／D转换芯片A／D7705。A／D7705与单片机通信原理图如图2所示，存储器采用的是256 kb串行电可擦除的可编程只读存储器CAT24C256：256 kb串行CMOS E2PROM(32768x8b)，8引脚双排直插式封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，特别适用于本数据采集系统，内部可以组成32 kB×8存储单元，2线串行接口，双向数据传送协议，硬件写保护引脚和软件数据保护功能，有64 B页写人缓冲器，支持标准100 kHz和快速400 kHz I2C协议，工作电压1.8～5.5 V，对全部存储器进行硬件写保护，在I2C总线输入端(SCL和SDA)含有施密特触发器和噪音抑制滤波器，采用低功耗CMOS工艺，可编程／擦除100万次，数据保存期100年，ROHS兼容的Green和Gold的8脚PDIP，SOIC，TSSOP和TDFN封装。

3 系统软件设计

软件设计部分分为计算机软件和仪器下位机软件，其中计算机软件需要在PC机中运行，而仪器下位机软件则是存放在仪器电路板上的CPU中。这2部分软件的流程图如图3所示。

温度压力采集是系统的主要部分，它工作情况的好坏将直接影响到整个系统能否正常运行。陔过程主要由单片机控制其启动工作。转换速率与A／D转换芯片有关。采样间隔可以由人工通过软件设定。在本系统中，单片机和存储器都选用带串行口的芯片，所以系统采用I2C串行总线技术进行数