多路放大与巡回检测课程设计.doc

本科生课程设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 系统背景 科技信息时代，数据的重要行不言而喻，如何高效、稳定的对数据（包括温 度、压力、湿度、光线、辐射等项目）进行实时采集对现代的企业、工厂、研究 所等对数据的精度要求较高的单位有非常重要的作用。 自动化生产和大型设备（如激光器）中，经常需要对生产过程或运行状态的 各种参数实时进行巡回检测、监视以及报警，以确保系统的稳定可靠性。然而在 具体的生产实践中，需要检测的数据不至一路，大多需要对多路信号进行同时的 检测，而且这些信号大多数都是由传感器测量得来，在进行信号处理前必须对其 进行前置放大的处理，才能够为后级的电路使用，因此研制一种可以多路放大的 并且可以对每一路信号进行巡回检测的系统成为必要。 目前国内有相关的自动检测系统，但是大多数都是专门针对某一项具体的参数 （如环境温度）的检测居多，能够对多路不同的信号同时进行放大与检测的产品 很少，而且价格偏高，抗干扰性不强 1.2 系统概述 本文研究一种多路放大与巡回检测系统，可以 8 路不同的被测信号进行放 大，放大后的信号连接到数据选择器，然后通过一路 a/d 转换器转换为相应的数 字量，送单片机进行处理，最后用数字显示器按照一定顺序轮流显示这若干个被 测量，这样既可以减小测试仪器的功耗和体积，又能降低成本。 本科生课程设计（论文） 2 第二章 系统单元硬件电路设计 2.1 单片机最小系统电路设计 单片机最小系统是指单片机利用自身资源，用最少的辅助元件组成一个可以 工作的系统。包括电源（地） ，起振电路（晶振 y2=11.0592mhz） ，复位电路组成。 如图 2.1 所示。其中，晶振的两端分别接 30pf 的电容到地；复位电路先接 10uf 电容后在与地并联，起到滤波的作用，复位采用上电复位电路。晶振是为单片机 提供起振时间，晶振频率越高，单片机处理速度越快。本次系统设计选择 11.0592mhz 的晶振，一个机器周期大约是 1us，能够满足系统设计需求 ea/vp 31 x 1 19 x 2 18 reset 9 rd 17 wr 16 in t0 12 in t1 13 t0 14 t1 15 p10/t 1 p11/t 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 a le/p 30 txd 11 rxd 10 u 6 8052 d b0 d b1 d b2 d b3 d b4 d b5 d b6 d b7 c8 30p c6 30p y 1 11.0592m r26 10k c7 10u f +5v +5v p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 rd wr p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6 p2.7 a b c in tr 图 2.1: 单片机最小系统 本科生课程设计（论文） 3 2.2 放大电路设计 工业检测绝大多数信号都是有传感器获得，属于小信号，无法直接进行处理， 因此需要相应的放大电路都有传感器获得的信号放大。工业现场属于强干扰的现 场，对传感器和放大电路的性能要求很高，否则检测到的信号无法分辨是有用的 信号还是噪声干扰，因此选择一个抗干扰、高精度、高阻抗的集成运算放大器显 得尤为重要。 由于 lm324 集成运算放大器价格便宜，具有差动输入，带有四个运放单元， 与单电源应用的标准运算放弃相比，具有更多的优点，可以工作在低至 4v 高至 32v 的电源下，共模输入范围包括负电源，功耗低，具有输入端静电保护，具有 内部补偿，输出短路保护，且具有偏置电流也较低等优点，为此选择此集成运算 放大器。其引脚图排列如图 2.2 所示 图 2.2: lm324 引脚图 本科生课程设计（论文） 4 为了获得良好的信号放大性能，放大电路采用同相比例运算放大电路如 2.3 所示。 3 2 1 411 u1a lm124 r12 1k r13 1k r14 82k in1 x0 +15v c4 0.1u c3 0.1u -15v 图 2.3: 运算放大电路 2.3 信号选择电路设计 本设计对八路信号进行放大然后显示，鉴于成本和使用的方便，不可能对八 路信号进行同时处理和显示，需要用数据选择对每一路巡回测量处理，然后一次 显示，因此可选用 cd4051 数据选择器，其引脚图如图 2.4 所示。 图 2.4: cd4051 引脚图 本科生课程设计（论文） 5 八路放大电路对信号放大后，连接到 cd4051 的八个输入端，使能端接地， 让其始终处于工作的状态，三个二进制控制输入端 a、b、c 和单片机相应的 io 口相连接，依次选通八路信号送至 ad 转换器处理，如图 2.5 所示。 x0 13 x1 14 x2 15 x3 12 x4 1 x5 5 x6 2 x7 4 inh 6 a 11 b 10 c 9 vee 7 x 3 u5 4051 x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 a b c x 图 2.5: 数据选择电路 2.4 ad 转换电路设计 本设计采用 a/d 芯片为 adc0804，它是 cmos 8 位单通道逐次渐近型的模/数 转换器，其规格及引脚图如图 2.6 所示 图 2.6：adc0804 引脚图 当 cs/=0 时，允许进行转换。wr/由低跳高时转换开始，8 位逐次比较需用 88=64 个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要 6673 个时钟周期。 本科生课程设计（论文） 6 当 cs/与 wr/同时有效时便启动转换，转换结束时产生信号 intr/，可供出 查询或中断信号。在 cs/和 rd/共同控制下可以读取转换结果数据。 在转换过程 中，如果再次启动转换器，则终止正在进行的转换，进入新的转换，在新的转换 过程中，数据寄存器中仍保持上一次的转换结果。0804 转换器的零点无需调整， 而输入电压的范围可以通过调整 vref/2 端处的电压加以改变。vref 端电压应为 输入电压的 1/2。例如输入电压范围是 0v 至 2v，则在 vref 端加 1v 电压，但当 输入电压为 0+5v 时，vref 端无需外加任何电压，而由内部电源分压得到 。 本设计的内部时钟由 4 引脚和 19 引脚外接 rc 实现。输入信号来自数据选 择器的输出，转换完后的结果由数据线 db0-db7 送到单片机的 p1 口处理，intr 引脚外部中断 1 相连，提供转换完成信号，为了保证数据的实时性，因此片选端 接地，wr 和 rd 分别与单片机的读写控制端相连。具体电路如图 7 所示。 vccref 20 vin(-) 7 lsbdb0 18 db1 17 vin(+) 6 db2 16 db3 15 db4 14 a-gnd 8 db5 13 db6 12 msbdb7 11 vref/2 9 intr 5 clk-r 19 cs 1 rd 2 clk-in 4 wr 3 u3 adc0804 r25 10k c5 150pf db0 db1 db2 db3 db4 db5 db6 db7 intr gnd rd wr +5v c9 0.1u gnd x 图 2.7: adc 转换电路 2.4 显示模块电路 可以显示单片机系统数据的方法很多，常用的有数码管和 lcd 液晶显示，考 了到价格的原因，本设计选用四位 led 数码管显示。 本科生课程设计（论文） 7 所谓 led 就是发光二级管的缩写，led 显示模块是由发光二极管显示字段组 成的显示器，有 8 字段和“米”字段之分，显示块都有 dp 显示段，用于显示小 数点。7 段 led 的字型码，由于只有 7 个段发光二极管，所以字型码为一个字节 如图 2.8 所示。这种显示块有共阳极和共阴极两种,共阴极 led 显示块的发光二 极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电 平时，发光二极管点亮，相应的段被显示，如图 2.8（a）。同样，共阳极 led 显 示块的发光二极管的阳极连接在一起，当某一个阴极为低电平时，对应的二极管 呗点亮发光，如图 2.8（b）。 共阴极接法（a） 共阳极接法（b） led 数码管内部结构 （c） 图 2.8 ：数码管内部结构 由 n 片 led 显示块可拼接成 n 位 led 显示器。 n 位 led 显示器由 n 根位选线 和 8xn(或 16xn)根段选线构成。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方 法也各不相同。段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。 数码管的显示方法有动态显示和静态显示，所谓静态显示，就是再同一时刻 只显示一种字符，或者说被显示的字符再同一时刻是稳定不变的。其显示方法比 较简单，只要将显示段码送至段码口即可。此种显示比较简单、亮度高、接口编 程容易，但是用处不大。动态显示是把所有位的断码线的相应段并联在一起，有 一个 8 位的 io 口控制，各位的共阴极或共阳极分别由相应的 io 口线控制，形成 各位的分时选通，虽然每位显示的字符不是在同一时刻出现的，每一时刻只能够 显示一位，而其他的各位熄灭，但是由于 led 的余辉和人眼的视觉暂留作用，只 要每位的显示时间间隔足够短，就可以达到同时显示的效果。 本科生课程设计（论文） 8 由于本系统需要显示的位数较多，为了节省 io 口资源，达到显示效果，采 用动态显示，断码线与单片机的 p0.0-po.7 相连，位选线分别与单片机的 p2.0p2.3 相连，电路图如图 2.9 所示。 图 2.9 显示模块 a b c d e f g dp aaa bbb c c c dd d eee fff g g g dp dp dp h1 1 h2 2 h3 3 h4 4 a 5 b 6 c 7 d 8 e 9 f 10 g 11 d 12 d1 dpy 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 u4 10k +5v p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 p2.3 p2.2 p2.1 p2.0 本科生课程设计（论文） 9 第三章 系统设计与分析 3.1 体统原理综述 图 3.1：系统原理框图 系统的原理框图如图 3.1 所示，本系统分为五大部分，第一部分主控芯片， 本设计的主控芯片采用 at89c52 单片机，第二部分放大电路，由传感器获得的各 种电压信号，分别接到八个放大器的输入端进行放大，放大后的信号连接到第三 部分的数据选择器的数据输入端，数据选择的的三个控制端连至单片机的三个 io 口，由单片依次选择控制进入数据选择器的八路信号的任一路，选择输出的数据 送至 adc0804 的输入端，ad 转换器把输入的模拟量转化为相应的数字量送至单片， 然后由显示模块的数码管显示相应的数值。 3.2 系统原理图 系统原理图如图 3.2 所示。 处理单片机器 显示模块 ad 转换器 信号选择 多路放大 本科生课程设计（论文） 10 本科生课程设计（论文） 11 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10/t 1 p11/t 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u6 8052 a b c d e f g dp aaa bbb c c c dd d eee fff g g g dp dp dp h1 1 h2 2 h3 3 h4 4 a 5 b 6 c 7 d 8 e 9 f 10 g 11 d 12 d1 dpy vccref 20 vin(-) 7 lsbdb0 18 db1 17 vin(+) 6 db2 16 db3 15 db4 14 a-gnd 8 db5 13 db6 12 msbdb7 11 vref/2 9 intr 5 clk-r 19 cs 1 rd 2 clk-in 4 wr 3 u3 adc0804 x0 13 x1 14 x2 15 x3 12 x4 1 x5 5 x6 2 x7 4 inh 6 a 11 b 10 c 9 vee 7 x 3 u5 4051 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 u4 10k 3 2 1 411 u1a lm124 5 6 7 u1b lm124 10 9 8 u1c lm124 12 13 14 u1d lm124 3 2 1 411 u2a lm1245 6 7 u2b lm124 10 9 8 u2c lm124 12 13 14 u2d lm124 r12 1k r13 1k r14 33k r15 1k r1733k r18 1k r19 1k r2033k r22 1k r23 1k r24 33k r1 1k r2 1k r3 33k r4 1k r5 1k r6 33k r7 1k r8 1k r9 33k r21 1k r10 1k r1133k in1 in2in3in4 in5 in6in7in8 x0 x1x2x3 x4 x5x6x7 x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 a b c r25 10k c5 150pf db0 db1 db2 db3 db4 db5 db6 db7 c8 30p c6 30p y1 11.0592m r26 10k c7 10uf +5v intr gnd rd wr +5v +5v c9 0.1u +5v p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 rd wr p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6 p2.7 p2.3 p2.2 p2.1 p2.0 +15v +15v c4 0.1u c3 0.1u c2 0.1u c1 0.1u -15v -15v gnd a b c x intr 1 2 3 4 5 6 7 8 j1 con8 in1 in2 in3 in4 in5 in6 in7 in8 1 2 3 4 j2 con4 +5v +15v -15v gnd r16 33k 图 3.2：系统总原理图 第四章 软件设计 4.1 软件实现的功能及流程图 本设计采用 8052 单片为控制芯片，改程序要实现的功能是：用单片的 p3.0- p3.2io 口控制数据选择器，依次把每一路信号选通，这通道选择函数实现，选择 的信号送至 adc 转换器，再由单片机 p1 口通过读取函数读取 ad 转换器，单片机 处理完数据后，有显示函数显示具体的数值。其流程图如图 4.1 所示。 图 4.1：程序流程图 通道选择制 读 ad 数据 数据处理 显示 系统初始化 开始 本科生课程设计（论文） 12 4.2 程序清单 #include #include“at89x52.h“ #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long #define k0 p2_0 #define k1 p2_1 #define k2 p2_2 #define k3 p2_3 #define adwr p3_1 #define nop() _nop_() #define intr p3_2 uchar code acledcs=0xef,0xdf,0xbf,0x7f; /* 位选地址码， “0”有 效，位选接的是 p2 口高 4 位 */ uchar code acledsegcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0 x7c;/* 段码 */ uchar acled4; /* 测电压显示缓冲区 */ char cscanindex=0; /* 位选指针 03 */ sbit dq =p33;/*tsor 为数据口，接于 p3.3*/ uchar nchannel; uchar nvoltage; uint voltage; /*转化后的电压值*/ void delay2(void); void display2(int k) ; void zhuanhuan(); void delay1(unsigned char ); void delay(unsigned int time); writeonechar(unsigned char dat); void adchannel(uchar channel); 本科生课程设计（论文） 13 void display1(void); void display() if(nchannel = 0) acled0=acledsegcode1|0x80; if(nchannel = 1) acled0=acledsegcode2|0x80; if(nchannel = 2) acled0=acledsegcode3|0x80; if(nchannel = 3) acled0=acledsegcode4|0x80; if(nchannel = 4) acled0=acledsegcode5|0x80; if(nchannel = 5) acled0=acledsegcode6|0x80; if(nchannel = 6) acled0=acledsegcode7|0x80; if(nchannel = 7) acled0=acledsegcode8|0x80; if(nchannel = 7) acled1=acledsegcodevoltage/100%10; else acled1=acledsegcodevoltage/100%10|0x80;/* 显示第 2 位 */ acled2=acledsegcodevoltage/10%10; /* led 显示第 3 位 */ acled3=acledsegcodevoltage%10;/* led 显示第 4 位 */ /* 主函数 */ void main(void) nchannel = 0; mode =0; while(1) delay1(6000); if(k1=0 if(nchannel = 7) 本科生课程设计（论文） 14 nchannel = 0; else nchannel +; if(k2=0 if(nchannel = 0) nchannel = 7; else nchannel -; if(k0=0) while(k0=0); mode=mode; while(mode=1) while(k0!=0) zhuanhuan(); display2(temp); delay1(6000); if (k0=0) while(k0=0); mode=mode; adchannel(nchannel); delay1(100); zhuanhuan(); /*adc0804 进行模数转换，然后显示出来*/ void zhuanhuan() adwr=0; 本科生课程设计（论文） 15 adwr=1; delay1(5000); /while(intr=1); nvoltage=p1; voltage = (uint)(nvoltage*250)/128; if(nchannel=7) voltage=voltage*10/54; tmod=0x12; th0=-200; tl0=-200; tr0=1; et0=1; while(k1!=0 display(); ea=0; p0=0; void intt0() interrupt 1 uchar bakp2; p0 = 0; /* 先清显示再换位选 */ delay1(1); bakp2 = p2 p2 = bakp2 | acledcscscanindex;/* 送位选数据 */ p0 = acledcscanindex+; /* 送显示数据，位选指针移位 */ cscanindex /* 位选指针回位 */ /*跳到选择 */ void adchannel(uchar channel) p3 switch(channel) case 0:break; case 1:p3|=0x10;break; 本科生课程设计（论文） 16 case 2:p3|=0x20;break; case 3:p3|=0x30;break; case 4:p3|=0x40;break; case 5:p3|=0x50;break; case 6:p3|=0x60;break; case 7:p3|=0x70;break; /数码管显示子程序 入口参数 k void display2(int k) p0=tabk/1000; p2_4=0; delay2(); p0=0x00; p2=0xff; p0=tabk%1000/100|0x80; p2_5=0; delay2(); p0=0x00; p2=0xff; p0=tabk%100/10; p2_6=0; delay2(); p0=0x00; p2=0xff; p0=tabk%10; p2_7=0; delay2(); p0=0x00; p2=0xff; void display1(void) uchar i; 本科生课程设计（论文） 17 tab31=0; tab32=temp%10000/1000; tab33=temp%1000/100; tab30=0; for(i=2;i0;t-) nop(); nop(); nop(); nop(); void delay(unsigned int time) /延时子程序 入口参数 time unsigned int n; n=0; while(ntime) n+; return; 本科生课程设计（论文） 18 第五章 设计总结 以上为课设期间所设计的多路放大与巡回测量控制系统，经过多次修改和整 理，可以满足设计的基本要求，且性能稳定，可靠性较好，具有一定的使用价值， 本系统在设计时采用 8052 单片机为核心，把整个系统划分为了五大部分，先由 整体原理框图构思系统整体电路结构，然后分单元构思每个模块电路设计，最后 把所有的单元模块综合起来，绘制总体的硬件电路图，在设计中放大电路部分采 用了性能优良的 lm324 集成运算放大器，由于题目要求 8 路数据巡回检测，在数 据性选择部分选择了 cd4051 数据选择器，为了节省成本，adc 选择了价格便宜的 adc0804，同时满足题目要求的一路 ad 转换要求偶，显示部分则选用四位数码管， 才用动态显示的方式，方便而且可行性高。 通过这十天的课程设计学习，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己 对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识 的更好理解，同时实习也段练了我个人的动手能力：能够充分利用图书馆去查阅 资料，拓展许多课本以外的知识。能对 protel 99se、proteus、keil 等软件熟 练操作，达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后 在工作中说明自己能力的一个重要标准。同时掌握了电子系统综合设计的不少方 法和技巧，为以后的工作和学习奠定一定的基础。 虽然整个系统设计完成后能够基本满足设计的要求，但是在实际的设计过程 中出现了不少的问题，对相关的硬件电路原理不够熟悉，软件使用不够精通，在 设计时走不少的弯路，尤其在软件编程的设计上，缺乏经验，还需要进一步的加 强，最后在老师的帮助下完成了相关的设计。 本科生课程设计（论文） 19 参考文献 1 赵 晶 主编prote199 高级应用 人民邮电出版社，2000.12 2 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社 2003.4 3段九洲. 放大电路实用设计手册.m 辽宁科学技术出版社，2002.8 4李朝青. 单片机原理及接口技术m 空航天大学出版社，2000.5 5阎石 主编数字电子技术基础 高等教育出版社，2006.5 6.忠梅. 单片机的c语言应用程序设计m. 北京:北京航空航天大学出版社， 2003 7 何钦铭 编著c语言程序设计 高等教育出版社，2008.4 本科生课程设计（论文） 20 附录 1：器件清单 器件名称 器件型号 器件个数 电容 0.1u 5 电阻 1k 15 电阻 10k 2 电阻 33k 9 电阻排 10k(respack-8) 1 电容 10u 1 晶振 11.0592 1 电容 30p 1 电容 150 1 数据选择器 cd4051 1 单片机处理器 at89c52 1 ad 转换器 adc0804 1 4 位数码管 fj3461bh 1 集成运放 lm324 2 单排针 con4 1 单排针 con8 1 本科生课程设计（论文） 21 附录 2 本科生课程设计（论文） 22 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10/t 1 p11/t 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u6 8052 a