基于单片机的多路信号采集

1、大学毕业论文目 录摘 要IIIABSTRACTIV第一章 引 言11.1 多路数据采集系统简介11.2 本设计的主要任务1第二章 系统硬件设计32.1 硬件设计思想32.2 硬件电路设计52.2.1 多路转换开关52.2.2 前置放大电路72.2.3 采样/保持电路102.2.4 模/数转换电路142.2.5 单片机与PC机通信的接口电路202.2.6 键盘结构212.2.7 液晶显示222.2.8 系统电源282.2.9 硬件和单片机的连接电路34第三章 程序流程图393.1主程序流程图393.2 A/D转换程序的流程图403.3 系统总图41第四章 系统性能及误差分析424.1系统可靠性措

2、施424.1.1低功耗措施424.1.2抗干扰措施42第五章 结 论43致 谢44参考文献45附 录（系统硬件总图）46摘 要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，PC机通信的技术，键盘和显示的设计，系统电源的设计。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。

3、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。单片机与pc机通信主要是利用MAX232单芯片RC-232标准的接口通信电路。键盘和显示的设计采用八个独立键盘并通过串行通信的方式传输到12864中并显示。电源部分的设计通过采用6V*2的变压器对220V的输入交流电进行降压，经二极管全波整流，通过三端稳压器的稳压，输出5V直流电压。利用555时基电路输出15V的双电源电压。关键词： 数据采集；AT89S51单片机；CD4051；MAX232ABSTRACTCompleted the design of the m

4、ain 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 an

5、d 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

6、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. Microcontroller with pc communications is

7、 use the MAX232 single-chip to structure RC-232 standard interface communication circuit. The keyboard and display design with eight separate keyboard and display to 12864 and transmitted through the serial communication. The power part of the design through the use of 6V * 2 transformer input 220V

8、step-down, full-wave rectifier diode and three terminal regulator regulator, output 5V DC voltage.Using the 555 output 15V dual-supply voltage.Keywords: data acquisition; AT89S51 microcontroller; CD4051; MAX232 48第一章 引 言1.1 多路数据采集系统简介随着计算机技术、电磁兼容技术、传感器技术和信息技术的飞速发展和普及，数据采集与处理系统得到了广泛的应用。例如：在生产过程中，应用这一

9、系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低生产成本提供信息和手段；在科学研究中，应用这一系统可获得大量的动态信号，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域，数据采集与处理越及时，工作效率、性能价格比就越高，取得的经济效益就越好。总之，数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环。数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比

10、较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。本毕业设计对一种多路数据采集系统进行了初步的研究，该多路数据采集系统能对多路模拟信号进行采集和处理。系统以89S51为控制单元核心，利用模数转换器AD574完成模数转换功能，结合单片机RS-232串口功能，实现八路信号的采集、存储、显示及与PC机通信等功能，形成了良好的人机界面。1.2 本设计的主要任务本设计用单片机控制多路数据采集系统，本文着重介绍该系统的工作原理及硬件设计，本设计的主要组成如下：（1）多路数据输入单元。（2）采样保持电路的A/D转换单元。（3）PC和单片机的通信。（4）独立键盘和显示部分。（5）±1

11、5V和+5V电源。多路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件设计，以满足整个系统的要求。整个系统的设计为硬件设计。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、PC和单片机通信、键盘和液晶显示、电源等组成。系统总框图如图1所示。液晶显示单片机模 数 转 换多路模拟转换开关采 样 保 持前 置 放 大传感器 串口通信传感器键盘传感器系统电源传感器图1.1 系统总框图第二章 系统硬件设计2.1 硬件设计思想多路数据采集系统的正常

12、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。多路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PC和单片机的通信部分，键盘和显示部分，电源等。（1）多路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，

13、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

14、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

15、响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。（4）PC和单片机的通信部分由于RS-232在微机通信接口中广泛采用，技术已相当成熟。在近端与远端通信过程中，采用串行RS-232标准，实现PC机与单片机间的数据传输。在本毕业设计中对多路数据采集系统作了初步的研究。本系统主要解决的是怎样进行数据采集以及怎样进行多路的数据采集，并将数据上传至计算机（5）独立键盘和显示部分由于采集信号路数为八路，采用独立键盘的方式选择只占用八个IO口，对于本课题单片机的的IO口是足够的，这样简化了电路的设计，对程序的设计也有一定的简化。显示采用fyd12864，采用串口的方式显示。FYD12864-0402B是一种具有

16、4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。（6）电源部分通过采用6V*2的变压器对220V的输入

17、交流电进行降压，经二极管全波整流，通过三端稳压器的稳压，输出5V直流电压。利用555时基电路与电阻R3、R4、R5及电容C组成典型的无稳态振荡器。接通电源后555的3脚输出高低变化的电平控制场效应管不停的导通和截止，脉冲宽度变宽，输出电压升高；脉冲宽度变窄，输出电压降低，从而形成稳定的振荡。再经整流滤波，可得到输出15V的双电源电压。2.2 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，PC通信，电源的设计。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

18、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8路数据采集，所以只选择1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

19、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

20、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CD4051CD4051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

21、），因此需要的控制电压为 VEEVDD，电平转换电路将输入的逻辑控制电压（A、B、C、INH端）从VSSVDD转换到VEEVDD以满足开关控制的需要。（1）CD4051的引脚功能及使用方法VEE、VDD、VSS：电源线。VSS接地。单极性信号输入时，VEE和VDD分别接地和正电压，双极性输入时，VEE和VDD分别接负电压和正电压。VDD与VEE之差最大为16V。C、B、A：通道地址。当CBA=000B111B时，可选择通道S0S7。 INH：禁止控制端。INH=1时，所有通道均被断开；当INH=0时，则根据CBA 的值选择一个确定的通道与输出接通（即可选择一个由CBA确定的输入通道与输出通道）

22、。使用该控制端还可以方便地实现多通道的扩展。S0S7：8个通道的输入输出通道。当用作多到一开关使用时为输入线，当用作一到多开关使用时为输出线。OUT：输出/输入公共端。利用S0S7和OUT引线可以完成输入/输出。（2）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2.1 CD4051真值表INH CBA

23、所选通道0000S00001S1 0111S71×××S0S7均未选中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

24、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。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

25、如图2.1所示。IX1=VO/RSBG4BG3BG1 BG22I2I镜 象 电 流 源U+U-敏感端输出端I-VI/RGI+VI/RGRGVI/RG=IRSIX2II基准端VI图2.1 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I=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： (2-1)即放大器的放大倍数的计算公式为2-2所

26、示： (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11000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0.11000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

27、40MHz。AD521放大器的典型外部接线图如图2.2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。 图2.2 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

28、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2.2 增益表增益值RG0.11 兆欧姆1100千欧姆1010 千欧姆1001千欧姆1000100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

29、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2.3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

30、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。UOUCCH模拟输入信号驱动信号UISA图2.3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tAp 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tAp

31、。由于孔径时间的存在，采样时间被额外延迟了，在tAp期间输出仍跟随输入变化。（2）捕捉时间tAC 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tAC。它包括模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

32、，但捕捉时间tAC也随之增大。此外，减小ID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。 (2-3)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4s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5s25s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

33、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2.3所示的误差和性能估算。表2.3 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%增益误差增益误差温度系数为15×10-6/，温度变化为±25，所以增益误差为15×10-6×250.0375%偏移温漂误 差偏移温漂约为30V/，温度变化±25，所以最大偏移温漂误差为30×25=750（V）。对于10V满量程输入，误差为750V/10V0.0075%非线性误差一般额定值0.01

34、%降落误差与保持电容质量关系很大，降落率dU/dt约为0.2V/s100V/s。且是温度的函数。取dU/dt（25）=10V/s，则+50时该值将增为10倍。假设保持时间10s，则电压降落为10V/s×10×10s=1mV，为满量程值的0.01% 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） 总静态误差（均方根值）0.078% 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

35、。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2.5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)。图2.4 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6s。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

36、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。（6）具有差动的逻辑输入端+IN和-IN，利用差动的逻辑输入端+IN和-IN，可以由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AD5

37、82的孔径时间tAP=50ns、捕捉时间tAC=6s，12位的AD574的转换时间tCONV=25s，则可以计算出系统可采集的最高信号频率如式2-4所示。 (2-4)由（2-4）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

38、统可处理的最高输入信号频率应为式2-5所示。 (2-5)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

39、，图2.5为AD582的连接图。图2.5 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6。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/

40、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/2FSR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2.6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

41、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。模拟多路开关模数转换单片机控 制 逻 辑模拟输入信号放大器采样保持图2.6 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2.4所示。表2.4 A/D转换器的各项误差误差源性 能误 差量化误差±LSB/20.012%微分线性度误差±LSB/20.012%微分线性度温漂误差（25）×1

42、0-6/ ×250.0050.0125%偏移温漂误差5×10-6/×250.0125%增益温漂误差（1020）×10-6/ ×250.025%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）0.0960.1135%总静态误差（均方根值）0.04040.0581%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位模数转换器AD574，并用一片8位D锁存器74LS373构成系统控制寄存器，进行数据采集。地址译码器

43、由一片74LS138（3-8 译码器）以及门电路组成。AD574是美国Analog Devices公司生产的一种快速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2040，十进制分度为200，非线性误差小于±(1/2)LSB，一次转换时间为25s，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等优点。有着广泛的应用场合。（1）结构与引脚 AD574的引脚图如图2.8所示。AD574由模拟芯片和数字芯片混合组成。模拟部分由高性能的12位A/D转

44、换器和参考电压组成。数字部分由控制逻辑、逐次逼近寄存器和三态输出缓冲器构成，控制逻辑发出启/停及复位信号，控制转换过程。由于芯片内部的比较输入回路，接有可改变量程的电阻和双极型输入偏置电阻，因此，AD574的输入模拟电压量程范围有0V+10V，0V+20V，-5V+5V，-10V+10V四种。图2.8 AD574的引脚图（2）AD574A的引脚说明： 1. Pin1(+V)+5V电源输入端。2. Pin2( )数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。3. Pin3( )片选端。4. Pin4(A0)字节地址短周期控制端。与 端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是

45、， 端TTL电平不能直接+5V或0V连接。5. Pin5( )读转换数据控制端。 6. Pin6(CE)使能端。 现在我们来讨论AD574A的CE、12/ 、CS 、R/ 和A0对其工作状态的控制过程。在CE=1、CS =0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当R/=0时A/D转换，当R/=1是进行数据读出。12/ 和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当R/ =1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和12/ 控制数据输出状态的格式。当12/ =1时，数据以12位并

46、行输出，当12/ =0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。其控制逻辑真值表见表1。7. Pin7(V+)正电源输入端，输入+15V电源。8. Pin8(REF OUT)10V基准电源电压输出端。9. Pin9(AGND)模拟地端。10. Pin10(REF IN)基准电源电压输入端。11. Pin(V-)负电源输入端，输入-15V电源。12. Pin1(V+)正电源输入端，输入+15V电源。13. Pin13(10V IN)10V量程模拟电压输入端。14. Pin14(20V IN)20

47、V量程模拟电压输入端。 15. Pin15(DGND)数字地端。16. Pin16Pin27(DB0DB11)12条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。17. Pin28(STS)工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。 AD574A的工作模式：以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、12/ 端接至+5V电源端，CS和A0接至0V，仅用 R/端来控制A/D转换的启动和数据输出。当 R/=0时，启动A/

48、D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将R/ 置1，即可从数据端读取数据。表2.6 AD574的控制信号的作用AD574A控制端标志意义CEA0工作状态0XXXX禁止x1XXX禁止100X0启动12位转换100X1启动8位转换101接+5VX12位并行输出有效101接0V0高8位并行输出有效101接0V1低4位并行输出有效（3）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：010V量程从AD574的10VIN引脚13输入；020V量程从AD574的20VIN引脚14输入。 电位器W1接参

49、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。图2.9 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。（4）AD574与单片机的接口电路 AD574的内部具有

50、三态输出缓冲器，因此可以与单片机直接接口7。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

51、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D11D4读出，低4位从D3D0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。下图是51单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信

52、号由(、和A0)有8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051，所以接地。当8051的P27查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低4位读进8051。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连。图2.10 AD574与单片机的接口2.2.5 单片机与PC

53、机通信的接口电路利用PC机配置的异步通信适配器，可以很方便地完成PC与S51单片机的数据通信。PC机与AT89S51单片机的最简单的连接是零调制3线经济型，这是进行全双工通信所必须的最少数目的线路。由于51单片机输入、输出电平为TTL电平。而PC机配置的是RS-232标准串行接口，二者的电气规范不一致，因此，要完成PC机与单片机的数据通信必须进行电平转换。现在采用MAX232单芯片实现S51单片机与PC机的RC-232标准的接口通信电路。MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RC-232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10v +10v ，而一般的单片机应用系统的信号电压是

54、ttl 电平0 +5v,MAX232 就是用来进行电平转换的,该器件包含2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F 电平。该器件符合TIA/EIA-232-F 标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F 电平转换成5-V TTL/CMOS 电平。每一个发送器将TTL/CMOS 电平转换成TIA/EIA-232-F 电平。主要特点1、单5V 电源工作2、LinBiCMOSTM 工艺技术3、两个驱动器及两个接收器4、±30V 输入电平5、低电源电流：典型值是8mA6、符合甚至优于ANSI 标准EIA/TIA-232-E 及ITU 推荐标准V.287、ES

55、D 保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V图 2.11 MAX232单串口通信连接图2.2.6 键盘结构键盘可以分为独立式连接式和行列式两类，每一类按其译码方法又都可以分为编码及非编码两种类型。本次课题采用独立式非编码键盘。独立式按键是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，这是最简单的键盘结构，该电路为查询方式电路。当任何一个按键按下时，与之相连的输入数据线即被清0（低电平），而平时该线为1（高电平）。要判断是否有按键按下，用单片机的位处理指令十分方便。这种键盘的结构的优点是电路简单；缺点是当键盘数较多时，要占用较多的I/O线。单片机独立键盘液晶显示图2.12 键盘连接

56、框图图2.13 独立式非编码键盘的连接图2.2.7 液晶显示 FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性:l         低电源电压（VDD:+