多通道传感器数据采集系统的设计最后改版

多通道传感器数据采集系统的设计最后改版 . 教学单位 宝鸡文理学院 学生学号 编 号 题 目 多通道传感器数据采集系统的设计 学生姓名 专业名称 电气工程及自动化 指导教师 2013 年 3 月 10 日 . . 多通道传感器数据采集系统的设计 摘 要 : 数据采集系统的应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越 来越多、对测量的要求也越来越高，国内现在已有不少数据测量和采集的系统，但很多系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对测试环境要求较高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。 本设计主要完成了基于AT89S51单片机控制的数据采集系统的硬件电路设计以及相应的软件设计。 本系统的硬件设计主要包括:多路转换开关及前置放大电路的设计，采样保持电路的设计，模数转换电路的设计，数模转换电路的设计。多路转换开关及前置放大电路的设计中重点介绍了多路开关的选择、AD521放大倍数的计算以及多路开关CD4051和放大器AD521硬件连接电路。采样保持电路的设计中重点介绍了采样保持电路的原理和主要参数以及采样保持器的选择和连接电路。模数转换电路的设计中重点介绍了系统A/D通道的选择和A/D转换器的各项误差分析以及A/D转换器AD574的介绍、输入方式和连接电路。数模转换电路的设计中重点介绍了D/A通道的选择，D/A转换器的选择以及D/A转换器DAC0832的介绍、连接电路和DAC0832的输出方式。硬件设计中还介绍了单片机的选择，单片机AT89S51的时钟电路和复位电路。本系统的软件设计主要包括编译器的选择，各部分的流程图以及程序的设计。本设计中还分析了系统的性能及误差。 本设计基本上实现了对32路的多路数据采集的设计，但是由于时间紧凑以及自己的知识水平有限等原因，没有对所设计的整个系统进行调试及仿真，因而也就没能做出实物出来;同时可能有很多问题还没有发现，希望老师和同学给予指出。 关键词: 数据采集;AT89S51单片机;CD4051;DAC0832;DAC0832 . . Multi-channel data acquisition system based on MCU Abstract :The application rage of data acquisition system is becoming wide increasingly, the types of measurement signal and signal source are also more and more, Surveyors also require much higher measure requirements. Domestic now have a lot of date acquisition and measure systems, but there are many systems involving these issues: single function, less collection access, low collection rate, high demands of collection test environment and so on. So people require a broad scope of application, high reliability and low-cost data acquisition system. Completed the design of the main AT89S51 Microcontroller based data acquisition system hardware design and the corresponding software design. The hardware design of the system include: multi-switch and preamplifier circuit design, sample and hold circuit, ADC circuit design, digital to analog conversion circuit. Multi-switch and preamplifier circuit design highlights the choice of multi-way switch, AD521, and the calculation of the magnification CD4051 MUX hardware connection circuit and amplifier AD521. Sample and hold circuit design focuses on the principles of sample and hold circuit and the main parameters and sample and hold circuit for the selection and connection. Analog-digital conversion circuits focused on the design of the system A / D channel selection and A / D converter of the error analysis and A / D converter AD574 introduction, input and connection circuits. Digital-analog conversion circuit design highlights the D / A channel selection, D / A converter selection and D / A converter DAC0832 introduction, connecting the output circuit and the DAC0832. It also describes the hardware design, the choice of microcontroller, microcontroller AT89S51 the clock circuit and reset circuit. The software design includes the choice of compiler, various parts of the flow chart and program design. This design also analyzed the system performance and errors. The design is basically realized the design of eight-channel data acquisition, but because of tight time and limited knowledge of their own reasons, not the entire system is designed for debugging and simulation, and thus have not been able to make in-kind out; the same time There may be many problems have not been found, giving hope that teachers and students. Keywords: data acquisition; AT89S51 microcontroller; CD4051; DAC0832;DAC0832 . . 目 录 1 引言 ............................................... 1 1.1 多通道数据采集系统简介 ............................................ 1 1.2国内外数据采集器的应用现状 ......................................... 1 1.3 本设计的主要任务 .................................................. 3 2 系统硬件电路设计 ..................................... 4 2.1 硬件设计思路 ..................................................... 4 2.2 系统硬件电路设计 .................................................. 5 2.2.1 多路转换开关 ................................................. 5 2.2.2 前置放大电路 ................................................. 7 2.2.3 采样/保持电路 ............................................... 10 2.2.4 模/数转换电路 ............................................... 14 2.2.5 数/模转换电路 ............................................... 18 2.2.6 各芯片分析及 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证 ........................................ 23 3 系统的软件设计 ..................................... 26 3.1 KEILC51 编译器简介 ............................................... 26 3.1.1 uVision2集成开发环境 ....................................... 26 3.1.2 编辑器和调试器 .............................................. 27 3.2 程序流程图 ....................................................... 28 3.2.1主程序流程图 ................................................ 28 3.2.2 A/D转换程序的流程图和D/A转换程序的流程图 .................. 29 3.3 系统总图 ......................................................... 29 4 系统可靠性措施 ..................................... 31 4.1 低功耗措施 ....................................................... 31 4.2 抗干扰措施 ....................................................... 31 5 结 论 ............................................. 32 致 谢 ............................................. 33 参考文献 ............................................. 34 附录1 系统硬件总图 .................................... 35 . . 附录2 源程序 ......................................... 36 附录3 附表 ........................................... 39 . . 1 引言 1.1 多通道数据采集系统简介 在工业生产和科学技术研究过程的各行业中，常常要对各种数据进行采集，随着现代化工业的发展，多通道数据采集系统成为日益重要的技术，广泛应用于工农业等行业。多通道数据采集系统通常采用的方法有，用微机控制，微机在工业领域中的一个主要应用就是与原有设备相结合，构成新的数字化、智能化的测控系统，从而提高原有设备的性能，但微机设备复杂、成本较高，使得微机控制的数据采集系统技术难度、成本都相应的提高，从而制约了微机在数据采集这方面的应用。随着单片机技术的飞速发展，应用领域日益扩大，各种型号、系列的单片机不断推出，许多新技术、新工艺被采用，因 [1]而具有更高的性能价格比。 单片机控制的多通道据采集系统使用非常方便、性能优越、运行可靠、广泛地应用于各行各业。本文利用AT89S51 单片机设计了一个多通道据采集系统，着重介绍该系统的特点及实现方法。本设计采用单片机作为控制来构成多路数据采集系统，并完成了软硬件的设计。在过程控制及各种仪器表仪表中，由微型计算机进行实时控制及实时数据处理，单片机所加工的信息总是数字量。被控制或测量对象的有关参量往往是一些连续变化的模拟量，如温度、湿度、压力、流量、速度等。系统通过多路模拟开关采集多路数据，使其通过多路模拟转换开关，把采集到的多路模拟信号经过放大、采样保持、A/D(Analog to Digital Converter，模数转换器)转换电路转换成数字信号，输入单片机进行处理，处理后发出的数字信号经过D/A(Digital to Analog Converter，数模转 [2]换器)转换电路转换成模拟信号。从而达到采集数据，监控，滤波等目的。 本设计的系统实现了一种高性能、高智能的实用型多通道数据采集系统，可达到对收集的数据进行监控，滤波等目的。 1.2国内外数据采集器的应用现状 1、国外数据采集器的现状 随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外数据采集技术己经有了很大的发展。从近来国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展可以概括为体积小、功能多样和使用方便等三个方面。此外，数据采集器的应用特点还. . 反映在如下几个方面: (1)它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，不仅有常用的时域分析和频域FIT分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱和时频域分析等功能; (2)它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用。如法国迈威公司的MOVIL-OG数据采集器，就可作为一台动平衡仪来用，它不但可以做单一平面的动平衡，还可以做六个平面的动平衡; (3)储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要; (4)可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等，形成多参数监测系统; (5)数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器; (6)数据采集器已经安装了LCD背光显示屏，并尽量减少了操作键，元器件高度集成化，并减轻了机器的重量，采用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工业环境。 2、国内数据采集器的现状 上世纪80年代末到90年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的有SP201，SC247型，双通道的有EG3300，YE5938型，超小型的有911，902和921型。具有采集静态信号的有SMC-9012型。所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断，基本己经达到了国外数据采集器的初期水平。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距，主要表现在: (1)由于受国内振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些高速的机器或轴承的诊断等带来了一定的困难; (2)由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱; (3)设备的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成本是数据采集三个重要因素，数据采集也正朝着这几个方. . 向发展。高速、实时数据采集在运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程(如石油化工过程)和变电站自动化等领域都有非常重要的应用例，这些行业中，对高速数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度。用户的需求促进了技术的发展和新产品的出现，因此，数据采集仍然会有长足的发展。 1.3 本设计的主要任务 本设计用单片机控制多通道数据采集系统，本文着重介绍该系统的工作原理及硬件与软件设计，本设计的主要组成如下: (1)多通道数据输入单元。 (2)采样保持电路的A/D转换单元。 (3)硬件和单片机的连接电路。 (4)单片机输出的数据锁存和D/A转换单元。 多通道数据采集系统的方案及总体设计，包括主体电路的设计和单片机控制电路的设计(要用到单片机的控制整个系统)，因此要完成单片机应用系统的硬、软件设计并完成软件调试，以满足整个系统的要求。 整个系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计主要完成多路数据采集整个硬件电路及I/O接口的设计:包括模拟多路开关电路、运算放大电路、采样保持电路、模数转换电路、硬件和单片机的连接电路、数模转换电路、转换开关保护电路等组成;软件设计主要完成控制整个系统的应用程序与调试，包括主程序、A/D和D/A转换程序、多路开关控制以及I/O接口控制等程序的设计。系统总框图如图1所示。 数前模 执采数据器 多 模 置数行 样 路 转 放转机保 单 传感器 换 模大换构 持 片 拟 机 开 传感器 关 传感器 图1 系统总框图 . . 2 系统硬件电路设计 2.1 硬件设计思路 多通道数据采集系统的正常运行依赖于整个系统硬件设备的科学设计。根据课题设计任务的要求，结合软件的设计，选择合适的电路元件，设计合理的接口电路以便能够高效率、稳定合理、方便的实现多路数据采集。 多通道数据采集系统的硬件部分分为多路数据输入部分，采样保持部分，A/D转换部分，硬件和单片机的连接电路部分，D/A转换部分。 (1)多通道数据输入部分 在不要求高速采样的场合，一般采用共享的A/D转换通道，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。用模拟多路开关来轮流切换模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。 一般模拟多路开关有2N个模拟输入端，N个通道选择端，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模拟信号通过。有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性的转换。 在数据采集时，来自传感器的模拟信号，一般都是比较弱的电平信号，因此需要放大电路把输入的模拟信号进行适当的放大。放大器的作用是将这些微弱的输入信号进行放大，以便充分利用A/D转换器的满量程分辨率。为了充分利用A/D转换器的分辨率(A/D转换器输出的数字位数)，就要把模拟输入信号放大到与A/D转换器满量程电压相应得电平值。 (2)采样保持部分 模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束后又要跟踪输入信号的变化。实现. . 这种功能可以用采样/保持器来实现，因而，由于采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采集频率。 (3)A/D转换部分 因为单片机只能处理数字信号，所以需要把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心，因此，A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。 (4)硬件和单片机的连接部分 该部分用来将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传给单片机。单片机及外设负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据作相应的处理。 (5)D/A转换部分 D/A转换部分也是数据采集系统的一个重要部分，在数字控制系统中作为关键器件，用来把单片机输出的数字信号转换成电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制或调节。 2.2 系统硬件电路设计 本系统的硬件设计主要包括:多路转换开关及前置放大电路的设计，采样保持电路的设计，模数转换电路的设计，数模转换电路的设计。 2.2.1 多路转换开关 1. 多路开关的选择 多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路转换开关将多路输入中的一路接至后续电路。切换过程可在CPU或数字电路的控制下完成。常用的模拟开关大都采用CMOS工艺，如8选1开关CD4051、双4选1开关CD4052、三3选1开关CD4053等。本设计是实现32路数据采集，所以选择4片8选1的模拟开关。 模拟多路开关中，不可避免导通电阻RON的存在。RON使信号电压产生跌落，跌落 [3]量与流过开关的电流成正比。设计中希望RON越小越好，但是RON越小的器件价格越高。所以根据器件的价格和系统的容忍度，选择RON的值。 多路开关的主要参数是精度和速度。多路开关的精度以传输误差的大小来间接表示。多路开关的速度以信号通过多路开关的通过率来间接表示。 . . 传输误差是衡量多路开关的一个指标，多路开关的传输误差包括两个方面。 (1)多路开关导通电阻加上信号源阻抗与负载阻抗构成了分压器。当要求精度为0.01%时，负载阻抗就应至少是开关导通电阻与信号源阻抗之和的104倍。在数据采集系统中，多路开关的负载一般是采样/保持器。因为典型的多路开关的导通电阻为200欧姆,200千欧姆，所以，如果信号源阻抗在几百欧姆以下，则作为负载的采样/保持器，其输入阻抗应在108欧姆以上。 (2)多路开关的漏电流在信号源阻抗上产生偏移电压，而漏电流与工作温度关系很大。因此，应该根据最高工作温度时的漏电流来计算偏移误差。 通过率是衡量多路开关的另一个指标，是多路开关从一个通道切换并使下一个通道建立到规定精度所能达到的最高切换率。它一方面取决于多路开关建立时间，并与规定的建立精度有关，另一方面为了避免两个通道同时接通，多路开关被设计为“先断后通”，这增加了断开到接通的延时，影响了通过率的提高。在确定多路开关的通过率时，要跟据系统的采样速率来考虑。 根据上面的分析，本设计选用的是采用CMOS工艺的8选1开关CD4051。CD4051的模拟信号范围为?7.5V，导通电阻RON为125欧姆，关断漏电流为0.1µA，开关时间为120ns。 2. 多路转换开关CD4051 CD4051由电平转换电路、译码驱动电路和CMOS模拟开关电路三部分组成。开关部分的供电电压为VEE(低端)和VDD(高端)，因此需要的控制电压为 VEE,VDD，电平转换电路将输入的逻辑控制电压(A、B、C、INH端)从VSS,VDD转换到VEE,VDD以满足开关控制的需要。 CD4051原理 在用作8选1模拟多路开关时，CD4051有8个数据输入端，在3个选择输入端A、B、C的控制下，从8个模拟开关中选择1个模拟开关使之导通，将相应的输入数据通过导通的模拟开关送到公共输出端。CD4051有1个公共输出端，当该输入端为高电平时，不论数据输入端和输出端如何变化，在内部的8个模拟开关均为关断状态。其真值表如表1所示。 . . 表1 CD4051真值表 B A INH C 所选通道 0 0 0 0 S0 0 0 0 1 S1 … … … … … 0 1 1 1 S 7 1 × × × S,S均未选中 07 3(控制程序 (1)消除抖动引起的误差 和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖动过程，会出现瞬变现象。若此时采集多路开关输出信号，就可能引入很大的误差。影响测量结果的准确性。消除抖动的常用方法有两种:一种是用硬件方法来实现，即用RC滤波器除抖动;另一种是用软件延时的方法来解决。在有微控制系统中，软件方法较硬件方法更显优势。 (2)准确定时 实际应用中，需要对多路信号进行连续采样，并且每次采样的间隔也有严格的要求。这就要求控制器具有严格的定时机制。实践中用定时器控制采样时序。本设计是对32路模拟信号进行采集，每路采集频率为1.25KHz，那么系统总的采样频率为1.25×32=40 KHz，也就是400µs切换一次通道，采集一个数据。在本设计的系统中，只需要设计定时器，实现400µs定时中断，在中断处理程序中采集数据。在设计系统时，设计定时器400µs定时中断，具体程序如附录1所示。 2.2.2 前置放大电路 传感器检测出的信号一般是微弱的，不能直接用于显示、记录、控制或进行A/D转 [4]换。因此，在进行非电量到电量转换之后，需要将信号放大。由于前置放大器要求输入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以本设计选用高阻抗、低漂移的运算放大器AD521作为前置放大器。AD521放大器的简化原理如图2所示。 . . U+ 2I 2I BG1 BG2 /RI-VIG I+V/RIRG G VI V/R=?I IG RS ?=?V/ROS IX2 IX 1 BG3 BG4 敏感 端 输出 镜 象 电 流 源 基准端 端 I I U- 图2 AD521简化原理图 工作原理:差分输入电压VI加在外接电阻RG两端，在RG上产生的不平衡电流ΔI=VI /RG;流过晶体管BG1和BG2，由于晶体管BG3和BG4为镜象电流源所偏置，迫使流过BG3和BG4集电极的电流相等。因此由差分输入电压所产生的不平衡电流流过另一个外接电阻RS，由于反馈放大器的作用，该放大器的输出电压Vo和电阻RS两端的电压保持相等，因此可得: VROS,VRIG (2-1) 即放大器的放大倍数的计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为2-2所示: VROSG,,VRIG (2-2) 可见，只要适当改变RS / RG之比值即可改变放大器增益。其放大倍数可在1~1000的范围内调整。 作为一个精密的仪用放大器，AD521仅有两只增益调整电阻RG和RS，通过调整RG和RS的阻值，可使放大器在0.1,1000增益值范围内取得任意值，电阻RG和RS之比. . 率的调整不会影响AD521的高CMR(达120dB)，或高输入阻抗(3×109欧姆)。此外，AD521与大多数由单个运放组成的仪用放大器的不同点是: (1)不需要采用精密匹配的外接电阻。 (2)输入端可承受的差动输入电压可达30V，有较强的过载能力。 (3)对各个增益段均进行了内部补偿，并具有优良的动态特性，其增益带宽达40MHz。 AD521放大器的典型外部接线图如图3所示。引脚OFFSET(4，6)用于调整放大器零点，调整线路是芯片4，6接到10千欧姆电位器的两个固定端，电位器滑动端接负电源U-(脚5)。引脚RG(2，14)用于外接电阻RG，电阻RG用于调整放大倍数。引脚RS(10，13)用于外接电阻RS，电阻RS用于对放大倍数进行微调。选择RS=100千欧姆?15%时，可以得到比较稳定的放大倍数。 +15VRs100K58104 1输入1613111214AD5217输出RG 2 3 10K -15V 图3 AD521的外部接线图 因为选择RS=100千欧姆?15%时，可以得到比较稳定的放大倍数，本设计选择RS为100千欧姆，根据公式(2-1)可知，只要RG选择不同的阻值，就可以得到不同的放大倍数，即就是增益值。表2所示为RG选择不同的阻值，对应的增益值。 表2 增益表 增益值 R G 0.1 1 兆欧姆 1 100千欧姆 10 10 千欧姆 100 1千欧姆 1000 100欧姆 . . 2.2.3 采样/保持电路 由于模拟量转换成数字量有一个过程，这个动态模拟信号在转换过程中是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度。尤其是在同步测量系统中，几个通道的模拟量均需取同一瞬时值。如果通过多路开关将各通道的信号按时序分别直接送入A/D转换器进行转换(共享一个A/D)，所得到的值就不是同一瞬时值，无法进行比较、判断与计算。因此，要求输入同一瞬时的模拟量在整个模数转换过程中保持不变，但在转换之后，又要求A/D转换器的输出端能跟踪输入模拟量的变化。能完成上述任务的器件叫采样/保持电路，简称采/保器(S/H)。 当输入信号为缓慢变化的信号，在A/D转换期间的变化量小于A/D转换器的误差，且不是多通道同步采样时，则可以不用采样/保持电路。最基本的采样/保持电路由模拟开关、保持电容和缓冲放大器组成，如图4所示图中S为模拟开关，UC模拟开关S的控制信号，CH为保持电容。当控制信号UC为采样电平时，开关S 导通，模拟信号通过开关S向保持电容CH充电，这时输出电压Uo跟踪输入电压UI的变化。当控制信号UC为保持电平时，开关S断开，此时输出电压Uo保持模拟开关S断开时的瞬时值。为使保持阶段CH上的电荷不被负载放掉，在保持电容CH与负载之间需加一个高输入阻抗缓冲 。 放大器A 采样/保持电路有两种工作状态，即“采样”和“保持”状态，在采样状态中，采样/保持电路的输出跟随模拟输入电压。一旦发出保持命令，采样/保持电路将保持采样命令撤消时刻的采样值，直到保持命令撤消并再次接到采样命令为止。此时采样/保持电路的输出重新跟随输入模拟信号的变化，直到下一个保持命令发生时为止。 S U模拟输入信A C 号 UUI 驱动信CO 号 H 图4 采样/保持器原理图 1. 采样/保持电路的主要参数 (1)孔径时间t Ap . . 在采样/保持电路中，由于模拟开关S有一定的动作滞后，保持命令发出后到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间t。由于孔径时间的存在，采样时间被额外延迟Ap 了，在t期间输出仍跟随输入变化。 Ap (2)捕捉时间t AC 采样/保持电路的控制信号UC由“保持”电平转为“采样”电平之后，其输出电压Uo将从原保持值过渡到跟随输入信号UI值，这段过渡时间称为捕捉时间t。它包括模AC拟开关的导通延时时间和建立跟踪的稳定时间，显然，采样周期必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入的模拟信号UI。 (3)保持电压衰减率 在保持状态下，由于保持电容的漏电流会使保持电压发生变化，式2-3中ID为保持阶段保持电容CH的泄漏电流，它包括缓冲放大器的输入电流、模拟开关断开时的漏电流、电容内部的漏电流等。增大电容CH可减少这种变化，但捕捉时间t也随之增大。AC此外，减小I可减少这种变化。采用高输入阻抗的运算放大器，选择优质电容如缉、聚D 四氟乙烯电容作保持电容以及选用漏电流小的模拟开关等措施，可以减少保持电压的变化。 dI0uD (2-3) ,dCtH 2. 采样/保持器的选择与连接电路 采样/保持器的选择，是以速度和精度作为最主要的因素。因为影响采样/保持器的误差源比较多，所以关键在于误差的分析。在选择时，一般优先考虑单片集成产品，因为它具有中等性能而价格较低。所谓价格较低，是指采集时间为4μs时，采集误差即处于输入值到终值0.1%的误差带内;采集时间为5μs,25μs时，则采集误差为0.01%。单片集成/保持器大都需要外接保持电容。保持电容的质量直接关系到采样/保持器的精度。 一般工作温度范围为0?~+50?，并已在25?时调整偏移误差和增益误差至零，则可对单片集成采样/保持器做出如表3所示的误差和性能估算。 . . 表3 采样/保持器的误差估算 误差源 性 能 误 差 采集误差 额定采集时间相应的误差 0.01% -6增益误差温度系数为15×10/?，温度 变化为?25?，所以增益误差为0.0375% 增益误差 -615×10×25 偏移温漂约为30μV/?，温度变化 ?25?，所以最大偏移温漂误差为偏移温漂 0.0075% 30×25=750(μV)。对于10V满量程输误 差 入，误差为750μV/10V 非线性误差 一般额定值 0.01% 与保持电容质量关系很大，降落率dU/dt 约为0.2μV/μs,100μV/μs。且是温度的 函数。取dU/dt(25?)=10μV/μs，则 降落误差 +50?时该值将增为10倍。假设保持时 0.01% 间10μs，则电压降落为 10μV/μs×10×10μs=1mV，为满量程值的 0.01% 介质吸收 一般估计 0.003% (孔径抖动未计算在内) 总误差(最坏情况) 0.078% 总静态误差(均方根值) 0.0421% 常用的集成采样/保持器有AD582、AD583、AD585以及国家半导体公司的LF198/298/398等。本设计选用AD582。AD582是美国Analog Devices公司生产的通用型采样保持器。它由一个高性能的运算放大器、低漏电阻的模拟开关和一个由结型场效 [5]应管集成的放大器组成。它采用14脚双列直插式封装，其管脚及结构示意图如图6所示，其中脚1是同相输入端，脚9是反相输入端，保持电容CH在脚6和脚8之间，脚10和脚5是正负电源，脚11和脚12是逻辑控制端，脚3和脚4接直流调零电位器，脚2,7,13,14为空脚(NC)。 . . 114+INNC213NCNC312NULLL+411NULLL-510-Us+Us69CH-IN78NCOUTPUT 图5 AD582管脚图 由于AD582的以下特征，本设计所以选择AD582采样保持器。 (1)有较短的信号捕捉时间，最短达到6μs。该时间与所选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越长，它影响采样频率。 (2)有较高的采样/保持电流比，可达到107。该值是保持电容器充电电流与保持模式时电容漏电流之间的比值，是保证采样/保持器质量的标志。 (3)在采样和保持模式时有较高的输入阻抗，约30兆欧姆。 (4)输入信号电平可达到电源电压?US，可适应于12位的A/D转换器。 (5)具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。 IN，利用差动的逻辑输入端+IN和-IN，可以由(6)具有差动的逻辑输入端+IN和- 任意的逻辑电平控制其开关。在高压COMS的逻辑电平为0V和+9V时，-IN接入+5V后，则0V输入使芯片处于跟踪模式，+9V输入时芯片工作在保持模式下。 (7) AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，以及提供反相信号等。 由于AD582的孔径时间tAP=50ns、捕捉时间tAC=6μs，12位的AD574的转换时间tCONV=25μs，则可以计算出系统可采集的最高信号频率如式2-4所示。 11f,,,15.53KHznmax12，1,9，1,2，3.14，50，102tAP (2-4) -4)式可见，本设计的系统能对频率不高于15.53KHz的信号进行采样，使系由(2 统可采集的信号频率提高了许多倍，大大改善了系统的采样频率。因此，在数据采样系统中加入采样/保持器是很有必要的。但是由采样定理可知，一个有限带宽的模拟信号是可以在某个采样频率下重新恢复而不丧失任何信号的，该采样频率至少应为两倍于最高信号频率。这意味着带采样/保持器的数据采集系统必须在速率至少为两倍的信号频率下采样、转换，并采集下一个点。因此，本设计的系统可处理的最高输入信号频率应为式2-5所示。 . . 11 (2-5) f,,,3.33KHzmax,6,6,9，，，，2tAC，tCONV，tAP26，10，25，10，50，10 AD582是反馈型采样/保持器，保持电容接在运算放大器A2的输入端(脚8)与反相输入端(脚6)之间。根据“密勒效应”，这样的接法相当与在A2的输入端接有点容C1H=(1+A2) CH (A2为运算放大器A2的放大倍数)。所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率。当精度要求不高(?0.1%)而速度要求较高时，可选CH=100PF，这样的 ,捕捉时间tAC6us。当精度要求较高(?0.015%)时，为了减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH=1000PF。因此，本设计的系统根据对采集精度的要求可以配置不同的CH的，图6为AD582的连接图。 119L--INAD582128L+OUTPUTUo 16Ui+INCH4CH3RL-Us510K2K+Us10 0.05uF0.05uF -15V+15V 图6 AD582的连接图 2.2.4 模/数转换电路 A/D转换器是数据采集系统的关键器件，选择A/D转换器时，要根据系统采集对象的性质来选择其类型。 1. 系统A/D通道方案的确定 在数据采集中，要采集多个模拟信号，而且采集要求不尽相同。因此，系统的数 [6]据输入通道方案多种多样，应该根据被测对象的具体情况确定。 目前，常见的系统A/D通道方案有以下几种。 (1)不带采样/保持器的A/D通道 对于直流或低频信号，通常可以不用采样/保持器，直接用A/D转换器采样。 (2)带采样/保持器的A/D转换通道 当模拟输入信号电压最大变化率较大时，A/D通道需要使用采样/保持器。带采样/保持器的A/D转换通道分为:多路模拟通道共享采样/保持器的通道、多通道共享A/D转换器的通道、多通道并行A/D转换的通道。 . . 多路模拟通道共享采样/保持器的通道是采用分时转换工作方式。模拟开关在单片机控制下，分时选通各个通道信号，然后把信号送采样/保持器和A/D转换器，经过A/D转换器转换后送单片机处理。由于各路信号的幅值可能有很大的差异，常在系统中放置放大器，使加到A/D输入端的模拟电压幅值处于FSR/2~FSR范围，以便充分利用A/D转换器的满程分辨率。多通道共享采样/保持器与A/D转换器的典型电路原理图如图7所示。 根据本设计的系统被采集信号的数量、特性(类型、带宽、动态范围等)、精度和转换速度的要求、各路模拟信号之间相位差的要求和工作环境要求等实际情况，使之既在系统性能上达到或超过预期的指标，又造价低廉。所以本设计的系统采用多路模拟通道共享采样/保持器的方案。 放大器 采样 模数 保持 转换 模 模 单 拟 拟 输 多 片 入 路 控 制 逻 辑 信 开 机 号 关 图7 多通道共享采样/保持器与A/D转换器图 如果在某一温度调整转换器的偏移和增益误差为零，则温度改变时，偏移和增益误差就不再是零了。因此，要对各项误差做出估算。如表4所示。 表4 A/D转换器的各项误差 误差源 性 能 误 差 量化误差 ?LSB/2 0.012% 微分线性度误?LSB/2 0.012% 差 微分线性度 [(2,5)×10-6/?] ×25? 0.005,0.0125% 温漂误差 偏移温漂误差 5×10-6/?×25? 0.0125% . . 增益温漂误差 [(10,20)×10-6/?] ×25? 0.025%,0.05% 电源电压误差 1×0.002% 0.002% 长周期变化 一般估计 0.02% 总误差(最坏情况) 0.096,0.1135% 总静态误差(均方根值) 0.0404,0.0581% 2. 逐次逼近型12位模/数转换器AD574 模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。本系统的模/数转换电路选取逐次逼近型12位模数转生产的一种快速12位逐次比较式A/D变换器，是单通道变换器。片内具有三态数据锁存器、电压基准和时钟电路。温度的调节范围为20?,40?，十进制分度为200，非线性误差小于?(1/2)LSB，一次转换时间为25μs，电源供电为?15V(?12V)和+5V;AD574具有转换时间快，与单片机接口方便可直接采用双极性模拟信号输入+5V1 等优点。有着广泛的应用场合。 1016REF-INlsbDB017DB1918AN-GNDDB219DB320DB41221BPLRofDB522DB623DB7132410VspnDB8AD574A25DB9142620VspnDB1027msb-11 828REFoutSTATUS 6CE3CS74+VsA0/SC5R/C112-Vs12/8 图9 AD574的引脚图 (1) AD574的单极性和双极性工作方式 AD574有单极性和双极性两种工作方式，后允许模拟输入信号为双极性信号。 单极性模拟输入有两种量程:0,10V量程从AD574的10VIN引脚13输入;0,20V量程从AD574的20VIN引脚14输入。 电位器W1接参考电压输出端BIP OFF端用作零. . 位偏移调整，电位器W2接参考电压输入端REF IN和双极性偏移调节端BPLRof端用作满量程调整。 +5V1+5V 1016REF-INVcclsbDB017DB10.1K918AN-GNDDB219DB320DB41221BPLRofDB522DB60.1K23DB7132410VspnDB8AD574A25DB9142620VspnDB1027msb-11 828REFoutSTATUS 6CE+15V3CS74+VsA0/SC5R/C112-Vs12/8 -15V 图10 AD574的工作方式 双极性模拟输入有两种量程:-5V,+5V量程从13引脚输入;-10V,+10V量程从引脚14输入。本系统中的AD574采用双极性工作方式，连接方法如图10所示。双极性偏移调节端BPLRof通过电位器W2接至参考电压输出端REF OUT以取得10V的偏移电压，参考电压输入端REF IN通过电位器W1接至参考电压输出端REF OUT。W1和W2均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。 (2)AD574与单片机的接口电路 [7]AD574的内部具有三态输出缓冲器，因此可以与单片机直接接口。AD574与单片机的接口电路如图11所示。该电路采用双极性输入方式，可对-5V,+5v或-10V,+10V模拟信号进行转换。双极性偏移调节端BIP OFF接至参考电压输出端REF OUT以取得10V的偏移电压。均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。AD574的状态信号STS与AT89S51的P1.0端相连，采用查询判断A/D转换是否结束。AT89S51的控制线RD和WR通过与非门接AD574的CE端。AT89S51的P0.0通过锁存器74LS373和非门接AD574的A0。AT89S51的P0.1通过锁存器74LS373接AD574的R/C端来控制AD574的转换状态和读取转换结果。AD574片选端CS端由译码器74LS138的译码信号来控制。AD574的12/8接数字地。 . . 设A/D全12位转换，要求启动转换时，A0=0，即P0.0=0;R/C=0，即P0.1=0。故可确定启动转换时的端口地址为0F9H。因为12/8接地，所以A/D转换结果分两次读出，高8位从D11,D4读出，低4位从D3,D0读出。读高8位结果时，要求A0=0，R/C=1;读低4位结果时，要求A0=1，R/C=1。两次读出结果的端口地址分别为0FBH和0FAH。 43 +5V74LS138151Y074LS04114AY1213BY2312CY31016+5V11REF-INlsbDB0VccY41710DB10.1KE1Y59184AN-GNDDB2E2Y61959DB3E3Y72067DB4P001221BPLRofDB5P0122DB6P020.1K23DB7P03132410VspnDB8P04AD574A25DB9P05142620VspnDB10P0627msb-11P07828REFoutSTATUSP106CE3+15VCS74+VsA0/SC574LS373R/C112-Vs12/8Q0D032-15VD1Q145ViD2Q276Q3D389211312D4Q41514Q5D517162Q6RD74LS04D618319Q7D71WROE74LS00 111LE 图11 AD574与单片机的接口 2.2.5 数/模转换电路 D/A转换部分也是数据采集系统的一个重要部分，在数字控制系统中作为关键器件，用来把单片机输出的数字信号转换成电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制或调解。 除了新型的现场总线控制系统外，传统的计算机控制系统大都是用模拟电压或电流作为传输信号的。模拟量输出通道的作用就是把计算机处理得出的数字量结果转换成模拟电压或电流信号，传输给相应的执行机构，实现对被控对象的控制。能把数字量转换成模拟量的器件称为数/模转换器简称D/A转换器或DAC。输出接口电路、DAC是模拟量输出通道的基本部件。由于实现较远距离的信号传输时采用的是电流信号，而DAC通常 [8]输出的是电压故模拟量输出通道一般具有电压/电流(V/I)转换环节。此外，根据需. . 要可能还要有零点和满度调节部件。因数/模转换器是模拟输出通道的核心，所以通常也把模拟量输出通道称为D/A通道。 1. D/A通道的结构 单片机周期地输出控制数据给执行机构，在下次数据输出以前，必须将前一次输出的数据保持。单个的D/A通道由数据锁存器保持数据，通道由输出接口电路数据锁存器、D/A转换电路、V/I转换电路等构成。许多DAC芯片的输入端都有数据锁存器，这时不需另加锁存器。对于多模拟量输出通道，有两种不同的输出量保持方式，即有两种不同的结构。一种方式是采用数据锁存器保持输出量，每个输出通道都有独立的数据锁存器(一般含在DA芯片内)及D/A转换器。这种方案的优点是速度快，精度高，工作可靠，不用多路开关。另一种方式是使用采样保持器保持输出量，各通道共享一个D/A转换器，通过多路开关进行切换。由于各路共用一个D/A转换器，其转换速度减慢，且输出端靠保持电容模拟量信息，当控制周期较长时，需要软件刷新。优点是节约了芯片。 由于D/A通道的第一种方式的转换速度快，精度高，工作可靠，不用多路开关又节约了芯片降低了系统的造价，所以本设计的系统采用D/A通道的第一种方式。第一种方式如图12所示。 锁存器1 D/A V/I 输 单出 片 接 机 口 锁存器1 电D/A V/I 路 图12 具有独立DAC的多路模拟量输出通道 2. D/A转换器的主要参数 (1)分辨率 当输入数字量发生单位变化数码变化时，即LSB位产生一次变化时，所对应输出的是模拟量相对于满量程的变化量，对于线性D/A转换器来说，它等于1/2n(n为二进制位数)。它对模拟量的分辨能力?与数字量的位数n呈下列关系: 模拟输出的满量程值,,n2 (2-6) . . 在实际使用中，表示分辨率的高低更常用的方法是直接输入数字量的位数表示，如8位、12位等。 (2)绝对精度 绝对精度是指在DAC的数字输入端加入给定的数字代码时，在输出端实际测得的模拟输出值与理论上应有的模拟值之差。绝对精度可用LSB的个数或它与满刻度值之比的百分数(%)来表示。描述绝对精度的参数有不调整总误差、零码误差、满刻度误差(或增益误差)和非线性误差等。 (3)相对精度 相对精度是指在零码误差和满刻度误差校准以后，任一数字代码所对应的实际模拟输出值与理论值之间的最大偏差。一般也用LSB的个数或它与满刻度值之比的百分数(%)来表示。 (4)零码误差、满刻度误差的温度系数 在规定的使用温度范围内，每变化1?，零码误差、满刻度误差的变化量用μV/?表示。 (5)建立时间ts 建立时间ts是描述D/A转换速率的重要参数。一般是指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到一定数值范围内(稳定值?ε，通常ε=1/2LSB)所经历的时间。 3. 选用D/A芯片 集成电路D/A转换器是将精密电阻网络、模拟开关、甚至包括基准电源和运算放大器集成在同一芯片上，而且和8位或16位微处理器兼容，可直接接口，或只需少量外围电路即可构成完整的D/A转换器。这些集成电路芯片是由大规模集成电路技术(LSI)实现的，它们有TTL、CMOS等用不同的逻辑和工艺生产的产品，是典型的数字电路和模拟电路混合集成芯片。 D/A有多种分类方法，各有不同特点。按数据输入方式有并行、串行之分。按字长区分，则有8、10、12、???位之分，字长不同，微分阶梯粗细不同。按模拟开关工艺分类有双极型、JFET型和MOS型，它们的速度和精度不同;按结构有带或不带数据锁存器之分;按输出形式有电压型和电流型之分;等等。尽管如此，但转换原理基本上是一致的。 . . DAC0832是常用的8位COMS电流输出型乘法D/A转换器，由于采用COMS电流开关和控制电路，所以功耗低，输出漏电流小。可以直接与AT89S51单片机连接。DAC0832片内含有输入缓冲寄存器和DAC锁存器两个8位寄存器。可以进行两级缓冲操作，具有很大的灵活性，可以采用流水线方式，一边输入数据一边转换上一次输入的数据。因此，本设计选用美国半导体公司推出的8位D/A转换芯片DAC0832。 (1) 基本特性 分辨率:8位。 电流稳定时间:1μs。 功耗:20mV。 单电源供电:+ 5V~ + 15V。 数字输入与TTL兼容。 可采用双缓冲、单缓冲或直接数字输入三种工作方式。 (2) 结构 DAC0832是采用CMOS工艺，具有20个引脚的双列直插式8位D/A转换器，其引脚如图13所示。 DAC0832有两级锁存器，第一级称为输入寄存器，第二级称为DAC寄存器。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲方式下，即在输出模拟信号的同时可以采集一个数字量，这样可以有效地提高转换速率。另外，还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号实现多路D/A的同时输出。DAC0832既可以工作在双缓冲方式，也可以工作在单缓冲方式。无论哪种工作方式，只要数据进入DAC寄存器便启动D/A转换。 172XferWR1118CSWR219ILE13msbDI714DAC0832DI6158DI5Vref16DI449DI3Rfb5DI2612DI1Iout2711lsbDI0Iout120Vcc 图13 DAC0832引脚图 4. D/A转换器接口电路设计 . . (1)DAC0832的单缓冲工作方式接口 若应用系统中只有一路D/A转换或虽然有多路转换，但并不要求同步输出时，则可以选择单缓冲接口方式。在单缓冲接口方式下，ILE接+5V始终保持有效，由写信号控 WRWR21制数据的锁存，和相连，接单片机的WR，数据同时写入两个寄存器。传送允 CSXFER许信号与片选相连，选中DAC0832后，写入数据立即启动转换。 (2)DAC0832双缓冲工作方式接口 对于多路D/A转换接口，要求同步并行D/A转换时，必须采用双缓冲同步方式接法。DAC0832采用这种接法时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的，CPU数据总线分时向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各个D/A转换器输入寄存器中的数据同时输入DAC寄存器，实现同步转换输出。 两路同步输出的D/A转换接口电路。每片DAC0832为双缓冲连接方式，这时两片DAC0832的输入寄存器有各自的独立地址，而两个DAC寄存器有相同的地址，两片的传送允许信号XFER接同一线选端，以实现同步转换输出。 本设计系统是实现两路D/A转换，要求同步进行D/A转换输出，因此系统采用双缓冲同步工作方式。两片DAC0832的片选信号CS由74LS138译码信号Y3、Y4进行片选， WR1XFER接74LS138译码信号Y5来控制两片DAC0832同步转换输出。两片DAC0832的WR2和相连，接AT89S51的WR。 (3)DAC0832的双极性输出 DAC0832为单极性输出方式时，当VREF接+5V(或,5V)时，输出模拟电压的范围是0,5V(或0,，5V)。若VREF接，10V(或,10V)时，输出电压范围是0,,10V(或0,，10V)。单极性输出方式的输出电压的极性与参考电压极性相反。图14所示是DAC0832双极性输出方式的接口。 图14中运放A2所在的电路为反向求和电路，将运放A1的输出与VREF相加，从而将运放A1单极性输出转变为双极性输出。由图14可知: RR33 RR21UOUT2=,UOUT1,VREF =,2 UOUT1,TREF (2-7) . . 于是，当VREF=，5V时，A1的输出VOUT1的范围是0,,5V，而A2的输出VOUT2的范围为,5V,，5V。 当VREF=，10V时，A1的输出VOUT1的范围是0,,10V，而A2的输出VOUT2的范围为,10V,，10V。 +5 R=R R=2R 13V V REF A1 + R=R 2RAFB 2 + U OUT1 U_ OUT2 DAC0832 _ R 4 Iout1 图14 DA0832的双极性输出 Iout2 2.2.6 各芯片分析及方案论证 1. 单片机选型 单片机种类很多，但使用较多的是MCS-51系列。MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。是继该公司MCS-48后推出的一款高档8位单片机。属于这一系列的单片机芯片有很多种，如8031，8751，80C31BH，80C51BH等等。各个公司生产的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而已。由于MCS-51系列单片机具有体积小、功能全、面向控制、开发应用方便的特点，因此是工业实时控制、智能控制、测控领域的首选，具有较高的性价比。本设计应用的是ATEML公司生产的89S51，其在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低，而且功能提升，增加了竞争力。 2. AT89S51单片机简介 AT89S51 是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 89S51指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可灵活应用于各种控制领域。主要特性: (1)与MCS-51产品指令系统完全兼容。 (2)4K字节在系统(ISP)Flash闪速存储器。 . . (3)4.0-5.5V的工作电压范围。 (4 )全静态工作模式:0Hz-33Hz。 (5)三级程序加密锁。 (6)128*8字节内部RAM。 (7)32个可编程I/O口线。 (8)2个18位的定时/计数器。 (9)6个中断源。 (10)全双工串型UART通道。 (11)低功耗空闲和掉电模式。 (12)中断可从空闲模式唤醒系统。 (13)看门狗(WDT)及双数据指针。 (14)掉电标示和快速编程特性。 (15)灵活的在线系统编程(ISP—字节或页写模式)。 图15 AT89S51引脚图 3. 单片机外接时钟电路 AT89S51的时钟可以上两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，另一种方式为外部方式。本次设计采用的是内部方式，如图16所示。 最常用的内部时钟方式是采用外部接晶体(在频率稳定性要求不高而希望尽可能廉价时，选择陶瓷振荡器)和电容组成斩并联谐振回路，不论是HMOS还是CHMOS型的单片机其并联谐振回路及参数相同。 AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器构成一个自激振荡器。该时钟电路由两个27pF的电容和一个晶体振荡器组成，晶体1000次擦写周期。振荡器采用的是6MHZ的晶振，它与内部的一个高增益反相放大器形成一个稳定的自激振荡器。两个电容的作用是晶体振荡器的微调电容。因为晶体振荡器的频率高，稳定度也高。所以本设计采用晶体振荡器而不采用陶瓷体振荡器。 4. 复位电路说明 . . 在设计单片机应用系统时，必须了解单片机的复位状态。因为单片机应用系统工作时，会经常进入复位的工作状态。应用系统的复位状态与单片机的复位状态是密切相关。单片机的复位都是靠外部的电路实现的，如图17所示。 AT89S51复位输入引脚RESET为AT89S51提供了初始化的手段，单片机的初始化，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，还可以在程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，按键复位可以摆脱困境。在AT89S51的时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机内部则初始化复位。只要RESET保持高电平，则AT89S51循环复位。只有当RESET由高电平变成低电平后，AT89S51才从0000H地址开始执行程序。 VCC XTAL1 C1 27pFC3X122uF 6MHzR2RESETC2 0.2K27pFXTAL2R1 1K 图16 晶振电路图 图17 复位电路图 . . 3 系统的软件设计 3.1 KEILC51 编译器简介 KEILC51标准C编译器为AT89S51微控制器的软件开发提供了C语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含:编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。 C51 V7版本是目前最高效、灵活的AT89S51开发平台。它可以支持所有AT89S51 [10]的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三方开发工具。因此，C51 V7版本无疑是AT89S51开发用户的最佳选择。 3.1.1 uVision2集成开发环境 1. 项目管理 工程(project)是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的。 一个单一的uVision2工程能够产生一个或多个目标程序。产生目标程序的源文件构成“组”。开发工具选项可以对应目标，组或单个文件。 uVision2包含一个器件数据库(device database)，可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。此数据库包含:片上存储器和外围设备的信息，扩展数据指针(extra data pointer)或者加速器(math accelerator)的特性。 2. 集成功能 uVision2的强大功能有助于用户按期完工。 (1)集成源浏览器利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件。用详细的符号信息来优化用户变数存储器。 (2)文件寻找功能:在特定文件中执行全局文件搜索。 (3)工具菜单:允许在V2集成开发环境下启动用户功能。 (4)可配置SVCS接口:提供对版本控制系统的入口。 (5)PC,LINT接口:对应用程序代码进行深层语法分析。 . . (6)Infineon的EasyCase接口:集成块集代码产生。 (7)Infineon的DAVE功能:协助用户的CPU和外部程序。DAVE工程可被直接输入uVision2。 3.1.2 编辑器和调试器 1. 源代码编辑器 uVision2编辑器包含了所有用户熟悉的特性。彩色语法显像和文件辩识都对C源代码进行和优化。可以在编辑器内调试程序，它能提供一种自然的调试环境，使你更快速地检查和修改程序。 2. 断点 uVision2允许用户在编辑时设置程序断点(甚至在源代码未经编译和汇编之前)。用户启动V2调试器之后，断点即被激活。断点可设置为条件表达式，变量或存储器访问，断点被触发后，调试器命令或调试功能即可执行。 在属性框(attributes column)中可以快速浏览断点设置情况和源程序行的位置。代码覆盖率信息可以让你区分程序中已执行和未执行的部分。 3. 调试函数语言 uVision2中，你可以编写或使用类似C的数语言进行调试。 (1)内部函数:如printf, memset, rand及其它功能的函数。 (2)信号函数:模拟产生CPU的模拟信号和脉冲信号( simulate analog and digital inputs to CPU)。 (3)用户函数:扩展指令范围，合并重复动作。 4. 变量和存储器 用户可以在编辑器中选中变呈来观察其取值。双层窗口显示，可进行以下调整: (1)当前函数的局部变量。 (2)用户在两个不同watch窗口页面上的自定义变量。 (3)堆栈调用(call stack)页面上的调用记录(树)(call tree)。 (4)不同格式的四个存储区 。 . . 3.2 程序流程图 3.2.1主程序流程图 图18为主程序流程图，程序在附录2。 开始 89S51初始化 采集第1路 A/D转换 采集下一路 读入单片机 D/A转换 N 是否采集完 32路, 32路, Y 结束 图18 主程序流程图 . . 3.2.2 A/D转换程序的流程图和D/A转换程序的流程图 图19(a)为A/D转换程序的流程图，图19(b)为D/A转换程序的流程图，程序如附录2所示。 开 始 开 始 初始化 初始化 产生CE=1 写D/A的输出缓冲区 启动A/D转换 控制DAC锁存器的锁存 等待A/D转换 延时等待转换 满值点和零点的验证 STS是否N 为1, Y D/A的输出 返回A/D转换结果 准备下一次D/A转换 准备下一次A/D转换 返回 返回 图19(a)A/D转换程序的流程图 图19(b)D/A转换程序的流程图 3.3 系统总图 单片机有4个并行I/O口。本设计采用P0口作为AD574和DAC0832的数据输入口。P1.0接AD574的STS用来指示AD574是否转换完成，89S51的RD和WR通过与非门接AD574. . 的CE端，用来使能AD574的数据输出。74LS138的Y5端接两片DAC0832的XFER作为传送控制信号，89S51的WR接两块DAC0832的WE1，WE2。 74LS138的片选接74LS373的LE，AD574的片选，两片DAC0832的片选，用74LS139作为四片CD4051的片选。 单片机控制的多路数据采集系统硬件电路图如附录1所示。 . . 4 系统可靠性措施 4.1 低功耗措施 (1)尽可能选用低功耗的CMOS芯片。 (2)选用液晶显示器，液晶显示器本身就是低功耗器件，并且其在显示数据时不需要连续动态 描显示，固定的数据只需执行一次显示操作即可，直到要显示另外的数据才要再次执行显示操作否则CPU可以不用理睬它，利用此时进行别的工作或者进入待机状态，从而降低系统的功耗。 (3)键盘采用中断扫描工作方式，即只在键盘有键按下时，才执行键盘扫描并执行该键功能程序如无键按下，CPU就不用理睬键盘，因此提高了CPU工作效率，同时也提高了系统对键盘的速度。 (4)在设计软件时，选用低功耗待机方式，使系统在空闲时处于待机低功耗状态，这样也可降低系统的功耗。 4.2 抗干扰措施 1. 硬件抗干扰措施 (1)设计印刷电路板时。加宽电源线和地线的宽度。 (2)在每个集成芯片的电源附近都增加了滤波电容。 2. 软件容错性和采取的抗干扰措施 (1)软件容错性是软件性能的一项重要指标。主要是防止由于操作者的误操作或其它原因使系统发生异常退出或死机情况，避免给操作者造成不便，甚至丢失数据，且直到条件满足时才执行操作。 (2)软件抗干扰措施主要就是采用在测量数据时，进行多次测量求取平均值来作为测量结果的数字滤波方法来低随机噪声。 . . 5 结 论 本设计主要完成了基于AT89S51单片机控制的数据采集系统的硬件电路设计以及相应的软件设计。本系统的硬件设计主要包括:多路转换开关及前置放大电路的设计，采样保持电路的设计，模数转换电路的设计，数模转换电路的设计。多路转换开关及前置放大电路的设计中重点介绍了多路开关的选择、AD521放大倍数的计算以及多路开关CD4051和放大器AD521硬件连接电路。采样保持电路的设计中重点介绍了采样保持电路的原理和主要参数以及采样保持器的选择和连接电路。模数转换电路的设计中重点介绍了系统A/D通道的选择和A/D转换器的各项误差分析以及A/D转换器AD574的介绍、输入方式和连接电路。数模转换电路的设计中重点介绍了D/A通道的选择，D/A转换器的选择以及D/A转换器DAC0832的介绍、连接电路和DAC0832的输出方式。硬件设计中还介绍了单片机的选择，单片机AT89S51的时钟电路和复位电路。本系统的软件设计主要包括编译器的选择，各部分的流程图以及程序的设计。本设计中还分析了系统的性能及误差。 当然，因为时间紧凑以及自己的知识水平有限等原因，本次设计也留下了一点遗憾。比如不能对所设计的整个系统进行调试及仿真，因而也就没能做出实物出来。毕业设计是对大学阶段所学知识的一个总结。由于本身知识水平以及时间有限，可能有很多问题还没有发现，希望老师和同学给予指出。 . . 致 谢 在论文完稿之际，首先要感谢我的指导老师韩芝侠老师对我的精心指导。老师学识渊博、治学严谨、经验丰富，特别对工作认真负责的精神使我受益匪浅。在韩老师的悉心指导下，使我的专业技能有所提高。无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到老师的悉心指导和亲切勉励。老师不仅在专业技术领域引领我拓展更广阔、更深邃的视野空间，同时在生活上亦给予我无微不至的关怀，教会了我许多做人的道理，令我终生难忘，相信这也是我人生中最宝贵的一笔财富。在此特向韩老师表示深深的谢意和崇高的敬意。 同时我要也要感谢宝鸡文理学院对我四年的栽培，给予了我非常美好的四年大学时光。 最后，再次向支持和帮助我完成论文的老师和同学表示最诚挚的谢意。 . . 参考文献 [1] 付晓光.单片机原理与实用技术[M].北京:清华大学出版社，2004.77-82. [2] Bernard Rose. Analog to Digital and Digital to Analog Conversion[J]. Her Publishig，1982,1(l):16-22. [3] 马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社，1999.65-71. [4] 杨清亮.多路模拟信号的采集与输出控制系统[J].电气自动化，1994，26(1):63-64. [5] 王民.AD574A芯片的数据 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 [EB/OL].www.21ic.com/PUB，2006-05-13/2006-06-03. [6] 李西前.基于单片微机的多通道数据采集系统[J].计算机自动测量与控制，1998，4(1):12-20. [7] 王晓光.单片机与A/D转换器的接口设计[J].仪表技术，2004，148(2):24-25. [8] 沈国迅.数据转换器发展近况[J].微电子学，1998，15(4):19-21. [9] 何席德.数模转换通道在单片机系统中的应用[J].计算机信息，1998，11(6):11-20. [10] 胡伟.MCS-51单片机软件开发的C语言实现[J].微计算机信息，1998，7(1):44-47. [11] 陈龙三.AT89S51单片机C语言控制与应用[M].北京: 清华大学出版社, 1999.13-16. [12] 赵凯波.智能仪器仪表的软件抗干扰技术[J].仪表技术与传感器，1997，6(40):66-68. . . 附录1系统硬件总图 . . 附录2 源程序 程序1(多路数据采集程序) //----------------------------函数声明，变量定义---------------------------- #include #include sbit sel_A=P0^0; sbit sel_B=P0^1; sbit sel_C=P0^2; unsigned char ABC; void timer_set(); //定时器初始化函数 void collection_data(); //采集函数声明 #define delayNOP();{_nop();_nop();_nop();_nop_();}; -------------------------------------------------------- // #define on _system_interrupt();{EA=1;}; //打开系统中断允许 #define off_system_interrupt();{EA=0;}; //关闭系统中断允许 void timer_set() { TMOD=0x22; //定时器1为工作模式2，定时器0为工 作模式2 PCON=0x00; TH=(256-200); //400微秒定时 TL0=TH0; ET0=1;} //--------------------------定时器中断函数------------------------------ void TntTimer0()interrupt 1 { off_system_interrupt(); ABC++; Sel_A=ABC&0x01; Sel_B=ABC&0x02; Sel_C=ABC&0x03; delayNOP(); //定时消除抖动 . . collection_data(); on _system_interrupt(); } 程序2(A/D转换程序) #include #include #define ADCOM XBYTE[0xfff9] // 使A0=0, R/C=0, CS=0 #define ADLO XBYTE[0xfffa] // 使R/C=1, A0=1, CS=0 #define ADHI XBYTE[0xfffb] // 使R/C=1, A0=0, CS=0 #define uint unsigned int sbit r=P3^7; // RD sbit w=P3^6; // WR sbit adbusy=P1^0; // STS uint AD574(void) // AD574转换函数 { r=0; // 产生CE=1 w=0; ADCOM=0; // 启动A/D转换 while(adbusy==1); // 等待转换结束 return ((uint)(ADHI<<4)+ (ADLO & 0x0f)); // 返回12位A/D转换结果 } void main(void) { uint idata result; result=AD574(); // 启动AD574进行一次转换, 获得12位转换结果 } 程序3(D/A转换程序) #include #include . . #define data_0832_1 XBYTE[0FF03]; //定义DAC0832_1的端口地址 #define data_0832_2 XBYTE[0FF04]; //定义DAC0832_2的端口地址 #define XFER XBYTE[0FF05]; #define uchar unsigned char void delay(unsigned int N) //延时函数 { int i; for (i=0;i 知识点 高中化学知识点免费下载体育概论知识点下载名人传知识点免费下载线性代数知识点汇总下载高中化学知识点免费下载 的基础上，并通过串口通信实现单片机与PC机之间的通信，实现将数据传送到PC机上，完成单片机的多通道数据采集系统的设计。 三、指导教师意见 经审查～同意开题。 签 名: 年 月 日 . . 宝鸡文理学院本科毕业设计结题报告 论文题目: 多通道传感器数据采集系统的设计 一、课题完成情况，包括研究过程、结果及存在问题等 在本次设计中，我了解了各种单片机、放大器，A/D转换器以及串口通信电路，掌握了各种芯片的特点以及应用场合，然后结合本次设计的题目和要求，完成32通道数据采集系统的设计。由于受到客观条件以及自身的知识水平所限，因为时间紧凑以及自己的知识水平有限等原因，本次设计也留下了一点遗憾。比如不能对所设计的整个系统进行调试及仿真，因而也就没能做出实物出来。，这还需要我后期继续钻研，提升自己的理论与实践结合的能力，争取能够完整实现理论中所应得的结果。 签 名: 年 月 日 二、指导教师评审意见及论文成绩 周爱爱同学对于毕业设计这一教学环节，态度认真，积极主动，能够按期完成毕业设计的全部任务。 设计报告习作中，作者经历了资料的检索、查询;文献的阅读、消化、加工与整理;设计报告的提纲写出之后，初稿的定稿，经历了三次修改过程;训练环节较为完整。 成 绩: 签 名: 年 月 日 三、系毕业设计指导委员会审查意见: 经审查～同意答辩。 签 名: 年 月 日 . . 宝鸡文理学院本科毕业设计答辩报告 论文题目: 多通道传感器数据采集系统的设计 评语: 1、此次采集系统的精度应该从哪些方面提高? 答:由于此次采集信号要经过传感器采集、放大、采样保持和模数转换等环节，所以传感器、放大器、采样保持器和模数转换器都采用高精度的器件，可以提高本系统的精度。 2、为什么选用单片机来实现此次的数据采集控制, 答:由于单片机的体积小、功能全、面向控制，开发应用方便，所以是工业实时控制、智能控制、测控领域的首选。 3、我国的数据采集器和国外相比有哪些差距, 答:(1)分析频率范围不宽。(2)数据采集器的内存不大，处理信号的功能不强。(3) 软件人机界面有待改进，机器故障诊断专家系统还需完善 姓 名 职 称 答辩成绩 签 字 周妮娜 讲师 组 长 李军生 副教授 答 孙晓娟 讲师 辩 小 胡静波 讲师 成 员 组 李雅丽 讲师 陈谓红 讲师 指导教师评定成绩 答辩成绩 总评成绩 毕业论文成绩 . . 时光荏苒，感谢教给我人生道理的老师。 . . 结语: .