数据采集电路PCB的设计与制作

1、基于 C51 的数据采集电路 PCB 的设计与制作 摘 要 基于 C51 的数据采集电路 PCB 的设计与制作是针对现代水利行业水情 数据采集而设计制作的电路 PCB。同时，也是为了响应国家提出的数字水利这 样一个大背景下，把水利信息化尽快的实现、完善、壮大起来。本设计讲述了电 子电路设计软件 Protle99 的基本功能，而后逐一介绍开发数据采集系统的步骤： 需求分析、系统分析、系统设计、系统实现、系统维护。需求分析介绍了针对水 利行业而进行了本系统的设计，在系统分析中分析了电子电路设计功能的各种元 气件功能和各种连线要完成的功能，以及整个要完成的功能。在系统的设计中， 详细的展现了系统的各

2、个功能模块、原理图绘制、PCB 的完成所需的准备步骤。 在系统的实现中，给出了一个满足系统功能的完整 PCB。通过反复的测试，我 们得出结果，整个系统的设计是成功的，可以应用到所有的水利行业，进行数据 的采集。 关键字：PCB；数据采集；电子电路；数字水利 The Design and Implementation of Data Acquisition Circuit Based on C51 Abstract The design and implementation of data acquisition circuit based on C51 is the circuit PCB d

3、esigned and implemented according to data of water situation of modern conservancy industry. At the same time, in order to response to the digital conservancy raised by our country, it makes the conservancy informationization implement, perfect and grow. This paper discusses the basic function of el

4、ectronic circuit design software-Protle99. It takes this system for example to introduce the development steps of this system one by one: demand analysis, system analysis, system design, system implementation and system maintenance. Demand analysis introduces the design of this system focusing on co

5、nservancy industry. It analyses functions of various components and various connections of electronic circuit design in system analysis, as well as the function of completion. In the design of this system, it shows the preparing steps of every functional module, drawing of principle chart, and compl

6、etion of PBC of this system. In the implementation of this system, it gives a complete PBC matched for the function of the system. After repeated tests, the result is that the design of this system is successful and it can be applied to all conservancy industries to collect data. Key words：PCB; data

7、 collection; electronic circuit; digital conservancy 目 录 论文总页数：23 页 1 引言 .1 2 开发概述 .1 2.1 数据采集系统概述 .1 2.2 目前水利现状分析 .2 3 需求分析 .3 3.1 需求调研 .3 3.2 组织结构的分析 .3 3.3 系统功能特点 .4 3.4 开发运行环境 .4 3.5 新数据采集系统设计加防雷特性： .5 4 系统设计 .5 4.1 Protel99 简介 .5 4.1.1 Protel99 的组成 .5 4.1.2 原理图设计系统 .5 4.1.3 Protel99 主要特色 .6 4.1

8、.4 Protel99 主要特性 .6 4.2 数据采集系统电路原理图 .7 4.3 原理图工作过程及主要元气件介绍 .8 4.3.1 MAX813L 芯片 .8 4.3.2 MC1403 芯片 .9 4.3.3 HCNR201 芯片 .10 4.3.4 MAX1659 芯片 .11 4.3.5 AT89C51 芯片 .12 4.3.6 AD1705 芯片 .13 4.4 新特性防雷设计介绍 .15 4.5 主要元气件封装形式 .17 4.6 元件布局 .18 4.7 元件布线 .19 4.8 生成的 PCB 图 .19 5 系统测试 .20 5.1 搭建测试环境 .20 5.2 得到结果 .

9、20 结 论 .200 参考文献 .21 致 声 谢 .22 明 .23 1 引言 水利行业在我国有着悠久的历史，随着国民经济的迅猛发展，水利工程在国 民经济中所起的作用越来越大，防汛更是直接影响国民经济发展的一个重要方 面。目前，国家提出了建设数字水利的目标。全面实施大型水库远程视频实 时监控系统建设。防汛抗洪工作逐步从被动抗洪向主动防汛转变。为进一步提高 防汛抗洪决策的有效性和可靠性，实施防汛远程视频实时监控系统建设，可及时 对可能或正在发生的汛情、险情、灾情进行动态监视，随时了解现场情况，以便 采取相应的预防和补救措施确保水库安全运行。对领导决策和减少洪水灾害，缓 解城市的防洪压力，保障

10、人民生命财产的安全具有重要作用。 信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势。水利信息化是水利现代化的基 础和重要标志。在水利现代化建设中，要大力推进水利信息化进程，利用水利信 息化推动水利现代化。要充分利用科学技术发展创造的有利条件，坚持用高新技 术对水利传统行业进行技术改造，特别要注意采用计算机技术、微电子技术、现 代通信技术、遥感技术、地理信息系统(GIS)、全球定位系统及自动化技术等， 实现水利信息化。 小结:通过以上的背景意义,我们根据当今水利行业的现状,认真分析了我们 选题的重要性,所以我们力争开发出一个最好的数据采集系统,让它为水利部门 提供最好、最稳定的系统。 2 开发概述 2.1

11、 数据采集系统 数据采集是数字水利的重要基础。无论如何理解数字水利，数据 采集都是数字水利得以实现的基础。水利工作的基础信息以十分复杂的方式 分布在流域空间中，目前采集的数据无论在时空分布上，还是在要素类型上，都 十分不足。因此，应用和发展以高新技术为主体的数据采集技术，是十分重 要和必要的。另外，流域内信息种类繁多，必须弄清相互关系，分清采集责任， 进行多行业协作。水文信息、工情信息、水环境信息等水利专业数据的采集是数 字水利的建设内容，而基础地理数据则通过数据交换从测绘部门获得。 数据采集系统是一个连续工作的不间断系统，其建设和运行维护费用均很 高，但又是不可缺少的重要基础。因此，如何保障

12、这一系统的可持续发展，将影 响数字水利的成败。过去水利系统也建设过一些当时处于先进水平的信息系 统，最终大多没有发挥应有的作用，主要原因是信息的严重不足。近年来，在国 家防汛指挥系统规划设计和建设中，均优先考虑了水情等信息采集系统的建设， 并将极其有限的资金主要投入到水情采集示范区的建设中，说明数据采集的基础 第 1 页 共 23 页 地位已经在水利行业得到应有的认识和足够的重视。同样，数字水利建设必 须将数据采集系统的建设置于优先考虑的基础地位。 2.2 目前水利现状分析 水利部委员会提出数字水利，数字水利是水利行业发展的战略导 向，充分反映了信息时代对水利行业发展的要求，也是水利行业发展现

13、代化的必 由之路，从空间方面看，数字水利 涉及到水利行业工作的各个方面，从时 间角度看，数字水利是一个不断发展的历史过程。因此，不能用传统水利工 程建设的方法来规划和设计数字水利。鉴于数字水利发展的战略性和整 体性，必须先行研究制定其发展的总体战略及阶段发展规划，而不是总体建设规 划。在数字水利发展规划的基础上，再制定专项建设规划，并采用急用先 建，基础先行，应用驱动，逐步发展的发展策略，把数字水利与水利行业 信息化有机地结合起来。 狭义地说，水利工作的任何方面应用了数字技术，其应用都是数字水利 的组成部分，如果在水利工作的所有方面或主要方面都广泛而有效地应用了数字 技术，则标志着数字水利这一

14、历史过程在技术层面的完成。数字水利的 发展结果是生产力的发展，必然引发与生产关系的矛盾，因此，协调生产力与生 产关系的矛盾必然成为数字水利的另一个重要方面，从某种意义上可认为是 数字水利成败的关键。所以，数字水利只能是发展战略，是多方面高度 关联的系统工程，而不是单一的工程建设。 从信息技术的角度看，应用是不断发展变化的，而数据是相对稳定的，因此， 以应用为先导建设的种种信息系统，必须将数据从应用中剥离出来，才能保障系 统的可持续发展。所有水利信息系统应用所剥离出来的数据，构成数字水利 的数据基础，也是数字水利存在的基本条件。 如果不站在发展战略和系统工程的高度来理解和建设数字水利，必然将 数

15、字水利等同于基于目前信息技术的各类水利信息系统建设的组合，难免陷 入难以把握、难以推进、难以协调，从而难以持续发展的境地。 从技术层面看，数字水利所面临的主要问题包括数字化程度不高,导致 的信息资源严重不足，非统一规划和建设导致的有限的信息资源却形成了一个个 的信息孤岛，各式各样的专业应用带来大量的重复建设，并形成事实上的 资源壁垒，从而导致信息资源开发困难，系统整体水平不高。概括起来，主 要是资源严重不足、资源共享困难和资源开发利用水平不高。为了解决上述问题， 需要尽快从根源做起，抓住规划这一龙头，尽快编制数字水利发展规划及 数字水利建设项目建议书。 小结：先说明数据采集对当今水利行业的重要

16、性，然后再把数字信息化采集 第 2 页 共 23 页 在水利行业的重要性加入进去，最后分析目前我国的水利行业对信息化建设的迫 切要求的现状，更体现出有一套完善的水利行业信息化建设特别是信息化数据采 集的重要性。 3 需求分析 3.1 需求调研 假设以某某水利部门为例。该水利部门是一个大型的水电站，同时还有很多 下属的小水电站，这些水电站承担着这个地区的灾情预报，关系着整个地区广大 人民的切身利益，是人民生活中不可缺少的重要组成部分。 下面简单地介绍一下该水利部门的现状：（下图是该水利部门的各个组成部 门,一些系统未涉及的部门没有包括在内） 水利部门（中心站） Internet 水情 工情 水情

17、 工情 水情 工情 图 3-1 水利部门组成略图 这个水利部门的工作主要是由各个水电站负责水情、雨量数据信息的采集， 随时关注数据信息的更新和当前数据最新数据的分析、处理，做到确保对数据采 集、分析、整理、精确度方面更高质量的要求。 3.2 组织结构的分析 下图是水电站需完成任务组成结构： 第 3 页 共 23 页 水电站 1 数据采集 水电站 2 数据采集 水 电 站 水电站 3 数据采集 水电站 N 数据采集 图 3-2 水电站组织图 3.3 系统功能特点 分为以下几个方面： l 采用485总线可同时支持两路水位信号（或其他信号）的采集，每路信 号可单独控制 l 可支持雨量信号的采集 l

18、采用124大屏幕中文液晶显示屏，中文菜单，独特背光设计，直观易 读，操着方便 l 可就地和远程修正/设置水位流量对应关系、起始高程、采数间隔、 北京时间等，并可显示包括电池电压在内的上述各种参数 l 市电(或太阳能)和蓄电池双备份供电功能。低功耗设计，无市电时 6V12AH 蓄电池可用 3 个月以上，休眠时工作电流可降至 1mA 以下 l 对系统的运行故障(如传感器损坏)能自动向中心站和管理人员报警 l 可存储一年以上的水情或雨量数据。并具有掉电保护功能 l 具有1路报警输出接口 l 采用uC/OS-II操作系统证 2 l 采用64K的IC存储器，增加了数据的安全性金 l 大部分元件改用贴片元

19、件，增加了系统的可靠性，降低了生产成本 3.4 开发运行环境 开发此系统电脑所需的基本软、硬件环境为： l Windows9X、 Windows2000 或WindowsNT/2003/XP l Protel99 l Pentium100及以上档次的IBM PC及其兼容机 第 4 页 共 23 页 l 128M以上内存 l 5000M以上可用硬盘空间 l 高密软盘驱动器 l VGA显示器 此系统在 WindowsXP 操作系统下，以中文版(汉化版) Protel99 为开发工具， 进行电子电路设计、原理图设计和 PCB 的生成。 3.5 新数据采集系统设计加防雷特性 为适应野外环境，特别是雷电

20、产生的大磁场，对于一些元气件容易产生损坏， 我们加入了防雷电路（即三级保护电路）。可以有效防止雷电带来的影响。 小结：以一个水利部门为分析对象，确定该部门的组织结构和系统功能特点 后，拟确定数据采集系统应该具备的功能，以确定系统的主要模块，也简单介绍 了该系统的开发环境和运行条件。 4 系统设计 4.1 Protel99 简介 4.1.1 Protel99 的组成 原理图设计系统 印刷电路板设计系统 信号模拟仿真系统 可编程逻辑设计系统 Protel99 内置编辑器 4.1.2 原理图设计系统 原理图设计系统是用于原理图设计的 Advanced Schematic 系统。这部分包 括用于设计原

21、理图的原理图编辑器 Sch 以及用于修改、生成零件的零件库编辑器 SchLib。 印刷电路板设计系统： 印刷电路板设计系统是用于电路板设计的 Advanced PCB。这部分包括用于 设计电路板的电路板编辑器 PCB 以及用于修改、生成零件封装的零件封装编辑器 PCBLib。 信号模拟仿真系统： 信号模拟仿真系统是用于原理图上进行信号模拟仿真的 SPICE 3f5 系统。 可编程逻辑设计系统： 可编程逻辑设计系统是基于 CUPL 的集成于原理图设计系统的 PLD 设计系统。 Protel99 内置编辑器： 第 5 页 共 23 页 这部分包括用于显示、编辑文本的文本编辑器 Text 和用于显示

22、、编辑电子 表格的电子表格编辑器 Spread。 4.1.3 Protel99 主要特色 Protel99 是基于 Win95/Win NT/Win98/Win2000 的纯 32 位电路设计制版系 统。Protel99 提供了一个集成的设计环境，包括了原理图设计和 PCB 布线工具， 集成的设计文档管理，支持通过网络进行工作组协同设计功能。 4.1.4 Protel99 主要特性 (1) Protel99 系统针对 Windows NT4/9X 作了纯 32 位代码优化，使 Protel99 设计系统运行稳定而且高效。 (2) SmartTool（智能工具）技术将所有的设计工具集成在单一的设

23、计环境 中。 (3) SmartDoc（智能文档）技术将所有的设计数据文件储存在单一的设计数 据库中，用设计管理器来统一管理。设计数据库以.ddb 为后缀方式，在设计管 理器中统一管理。使用设计管理器统一管理的文档是在 Protel99 中新提出来的， 以前版本中没有。 (4) SmartTeam（智能工作组）技术能让多个设计者通过网络安全地对同一 设计进行单独设计，再通过工作组管理功能将各个部分集成到设计管理器中。 (5) PCB 自动布线规则条件的复合选项极大的方便了布线规则的设计。 (6) 用在线规则检查功能支持集成的规则驱动 PCB 布线。 (7) 继承的 PCB 自动布线系统最新的使

24、用了人工智能技术，如人工神经网 络、模糊专家系统、模糊理论和模糊神经网络等技术，即使对于很复杂的电路板 其布线结果也能达到专家级的水平。 (8) 对印刷电路板设计时的自动布局采用两种不同的布局方式，即 Cluster Placer（组群式）和基于统计方式（Statistical Placer）。在以前版本中只提 供了基于统计方式的布局。 (9) Protel99 新增加了自动布局规则设计功能，Placement 标签页是在 Protel99 中新增加的，用来设置自动布局规则。 (10) 增强的交互式布局和布线模式，包括Push-and-shove（推挤）。 (11) 电路板信号完整性规则设计和

25、检查功能可以检测出潜在的阻抗匹配、 信号传播延时和信号过载等问题。Signal Integrity 标签页也是在 Protel99 中 新增加的，用来进行信号完整性的有关规则设计。 (12) 零件封装类生成器的引入改进了零件封装的管理功能。 (13) 广泛的集成向导功能引导设计人员完成复杂的工作。 (14) 原理图到印刷电路板的更新功能加强了 Sch 和 PCB 之间的联系。 第 6 页 共 23 页 (15) 完全支持制版输出和电路板数控加工代码文件生成。 (16) 可以通过 Protel Library Development Center 升级广泛的器件库。 (17) 可以用标准或者用户

26、自定义模板来生成新的原理图文件。 (18) 集成的原理图设计系统收集了超过 60000 元器件。 (19) 通过完整的 SPICE 3f5 仿真系统可以在原理图中直接进行信号仿真。 (20) 可以选择超过 60 中工业标准计算机电路板布线模板或者用户可以自 己生成一个电路板模板。 (21) Protel99 开放的文档功能使得用户通过 API 调用方式进行三次开发。 (22) 集成的（Macro）宏编程功能支持使用 Client Basic 编程语言。 4.2 数据采集系统电路原理图 图 4-1 电路原理图 第 7 页 共 23 页 4.3 原理图工作过程及主要元气件介绍 水情终端数据采集传感

27、器采集 420mA 信号经过长距离传输后，由于在条件 十分恶劣，容易受到外界，特别是雷电和雷电感应的袭击，严重时会经常把传感 器和数据采集模块击毁，为了避免这种情况，在 420mA 信号转换成电压后用 HCNR201 进行隔离，这样就避免了遭受雷击的厄运。15V 的电压经过 AD7705 模 数转换后，由 AT89S51 处理和发送，而发送部分则由 485 总线网络传输。 4.3.1 MAX813L 芯片 几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上 电时可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致 EEPROM 中的数据被修改；另外， 单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影

28、响，有可能出现死机现象导致单 片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗 定时器（有些单片机无看门狗定时器）外，还需另外加个看门狗电路；除此以外， 有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生 往往是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告 知单片机。MAXIM 公司推出的 MAX813L 刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯 片的性能特点及使用方法。 图 4-2 MAX813L 芯片结构图 MAX813L 有双列直插和贴片两种封装形式，其双列直插如图 4 中的图 1 所示， 引脚功能如下：第(1)脚为手动复位输入，

29、低电平有效；第(2)、(3)脚分别为电 源和地；第(4)脚为电源故障输入；第(5)脚为电源故障输出；第(6)脚为看门狗 输入，第(7)脚为复位输出，第(8)脚为看门狗输出。 第 8 页 共 23 页 MAX813L 的内部结构框图如图 4 中的图 2 所示，由图可知该芯片具有以下主 要性能特点： （1）复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，第(7)脚产生复位输 出，复位脉冲宽度的典型值为 200ms，高电平有效，复位门限的典型值为 4.65V。 （2）看门狗电路输出。如果在 1.6s 内没有触发该电路（即第(6)脚无脉冲 输入），则第(8)脚输出一个低电平信号。 （3）手动复位输入，低电

30、平有效，即第(1)脚输入一个低电平，则第(7)脚 产生复位输出。 （4）1.25V 时，第(5)脚输出一个低电平信号。具有 1.25V 门限值检测器， 第 4脚为输入，第 5 脚为输出。 MAX813L 的典型应用电路如图 4 中的图 3 所示。图中单片机以 AT89C51 为例， MAX813L 的第(1)脚与第(8)脚相连。第(7)脚接单片机的复位脚（AT89C51 的第(9) 脚）；第(6)脚与单片机制 P1.0 相连。在软件设计中，P1.0 不断输出脉冲信号， 如果因某种原因单片机进入死循环，则 P1.0 无脉冲输出。于是 1.6s 后在 MAX813L 的第(8)脚输出低电平，该低电

31、平加到第(1)脚，使 MAX813L 产生复位输出，使单 片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于限值 4.65V 时，MAX813L 也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复 正常，可有效防止因电源电压较低进单片机产生错误的动作。 电源故障输入 PFI 通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当 PFI 低于 1.25V 时，电源故障输出脚第 5 脚 PFO 变低，可引起 AT89C51 中断进行电源故障 处理，或将重要数据保存下来。把分压接到未稳压的直流电源是为了更早地对电 源故障告警。 结束语:MAX813L 是一体积小、功耗低、性价比高的带看门

32、狗和电源监控功 能的复位芯片；它使用简单、方便。它所提供的复位信号为高电平，因而是应用 于复位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。 4.3.2 MC1403 芯片 MC1403 是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带 隙基准电压源。 MC1403 是低压基准芯片。一般用作 812bit 的 D/A 芯片的基准电压等一些 需要基本精准的基准电压的场合。 输出电压: 2.5 V /- 25 mV 输入电压范围: 4.5 V to 40 V 输出电流: 10 mA 第 9 页 共 23 页 .Vin. |1.8|.NC .Vout |2.7|.NC .GND. |3.6|.N

33、C .NC. |4.5|.NC 图 4-3 MC1403 芯片引脚图 因为输出是固定的，所以电路很简单。就是 Vin 接电源输入，GND 接底，Vout 加一个 0.1uf1uf 的电容就可以了。Vout 一般用作 812bit 的 D/A 芯片的基准 电压。 4.3.3 HCNR201 芯片 图 4-4 HCNR201 芯片结构图 其中 1、2 引作为隔离信号的输入，3、4 引脚用于反馈，5、6 引脚用于输出。 1、2 引脚之间的电流记作 IF，3、4 引脚之间和 5、6 引脚之间的电流分别记作 IPD1 和 IPD2。输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流 IF 上，IPD1 和

34、 IPD2 基本与 IF 成线性关系，线性系数分别记为 K1 和 K2,即 图 4-5 线形系数计算公式 K1 与 K2 一般很小（HCNR200 是 0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200 的 变化范围在 0.25%到 0.75%之间），但芯片的设计使得 K1 和 K2 相等。在后面可 以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出/输入比值的是二者的比值 K3, 线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。 采用 HCNR201 进行隔离的一些指标如下所示： * 线性度：HCNR201：0.05%； * 线性系数 K3：HCNR201：5%； * 温度系数： -65ppm/oC；

35、 * 隔离电压：1414V； 第 10 页 共 23 页 * 信号带宽：直流到大于 1MHz。 4.3.4 MAX1659 芯片 MAX1659：低压差线形稳压器（low-dropout linear regulators） Low-dropout：指稳压器输入端和输出端之间的电压差 图 4-6 MAX1659 芯片内部原理图 双模式工作： 1、稳压器：输出3.3V（1658）；5V（1659） 2、调压器：输出1.2V16V 输入电压范围：2.7V16.5V（Wide Input Voltage Range: 2.7V to 16.5V） Low, 490mV Dropout at 350m

36、A Output Current(MAX1659) 30A Supply Current 1A Max Shutdown Current High-Power (1.2W) 8-Pin SO Package 热过载保护（Thermal Overload Protection） 限流保护（Current-Limit Protection） 反向电压保护（Reverse Battery Protection） 引脚： 第 11 页 共 23 页 图 4-7 MAX1659 引脚图 1，SET：外电压输入。SET 接地选择出厂预先设置的 5V 输出电压；调压时 SET 连接到一个阻抗式电压分配器 O

37、UT 到 GND。 2，SHDN：关闭输入。低电平时，装置关闭并且供应 0.1 微安的典型电流。 3，6，7，IN：输入无规定的电压。2.7V 到 16.5V 输入范围。可做散热 （heatsinks）。 4，5，OUT：稳压输出。输出固定 3.3V（1658）、5V（1659），或调压从 1.25V 到 16V。源电流达 350 微安。为稳定工作，在 OUT 和 GND 之间加旁路用一个 10 微法，低阻（0.2 欧姆）电容。为了改良的负荷-瞬时响应，用大的低阻电容。 8，GND：接地。 典型应用（稳压、调压）： 图 4-8 MAX1659 应用结构图解 4.3.5 AT89C51 芯片 A

38、T89C51 是一款 8 位单片机，他完全兼容传统的 8051，8031 的指令系统， 也就是说程序可以直接移植过去而不用做任何修改，但是他的运行速度要比8051 快，最高支持达 33MHz 的晶体震荡器，比 8051 多一个定时器，而且价格便宜。 简介：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，看门狗(WDT)， 第 12 页 共 23 页 两个数据指针，两个 16 位定时/计数器,一个 5 向量两级中断结构，一个全双工 串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时,S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作， 并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止

39、 CPU 的工作，但允许 RAM， 定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容， 但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 图 4-9 AT89C51 芯片引脚图 4.3.6 AD7705 芯片 AD7705 是 AD 公司新推出的 16 位 S-DA/D 转换器。器件包括由缓冲器和增 益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路，S-D 调制器，可编程数字滤 波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行 A/D 转换。这种器件还 具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特 点，非常适合仪表测量、工业控制等领

40、域的应用。它采用三线串行接口,有两个 全差分输入通道,能达到 0.003%非线性的 16 位无误码数据输出，其增益和数据 输出更新率均可编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方 式。工作电压 3V 或 5V。3V 电压时，最大功耗为 1 mW，等待模式下电源电流仅 为 8mA。 AD7705 是完整的 16 位 A/D 转换器。内部结构如图 1。若外接晶体振荡器、 精密基准源和少量去耦电容，即可连续进行 A/D 转换。它采用了成本较低但能获 得极高分辨率的 S-D 转换技术，可以获得 16 位无误码数据输出。这一点非常 符合对分辨率要求较高但对转换数字要求不高的应用，例如数字音

41、频产品和智能 仪器仪表产品等。下面对该器件几个重要部分和特性作简要说明。 增益可编程放大器 AD7705 包括两个全差分模拟输入通道。片内的增益可编 程放大器 PGA 可选择 1、2、4、8、16、32、64、128 八种增益之一，能将不同摆 第 13 页 共 23 页 幅范围的各类输入信号放大到接近 A/D 转换器的满标度电压再进行 A/D 转换，这 样有利于提高转换质量。当电源电压为 5 V，基准电压为 2.5 V 时，器件可直接 接受从 020 mV 至 02.5 V 摆幅范围的单极性信号和从 020 mV 至 02.5 V 范围的双极性信号。必须指出：这里的负极性电压是相对 AIN()

42、引脚而言的， 这两个引脚应偏置到恰当的正电位上。在器件的任何引脚施加相对于 GND 为负电 压的信号是不允许的。输入的模拟信号被 A/D 转换器连续采样，采样频率 fS 由 主时钟频率 fCLK 和选定的增益决定。增益（16128）是通过多重采样并利用基 准电容与输入电容的比值共同得到的。 图 4-10 AD7705 内部结构图 数字滤波和输出更新速率模拟信号由 S-D 调制器变换为占空比被模拟电 压调制(调宽)的数字脉冲串，然后在片内使用低通数字滤波器将其解释成 16 位 二进制数码并滤去噪声，以完成 A/D 转换。采用一个(sinNx/sinx)3 函数低通数 字滤波器，其振幅频率特性如下

43、： 图 411 AD7705 芯片频率计算公式 式中：N 为调制速率与输出更新速率之比。 需要指出器件产生的噪声源主要来自半导体噪声和量化噪声，PGA 放大量和 滤波器第一凹口频率越低，则输出的半导体噪声和量化噪声越小，A/D 转换器的 实际分辨率越高。 第 14 页 共 23 页 校准和自校准为提高 A/D 转换质量，AD7705 提供自校准和系统校准两种功 能选择。每当环境温度和工作电压发生变化，或者器件的工作状态改变如输入通 道切换、增益或数字滤波器第一凹口频率变动、信号输入范围变化等任一项发生 时，必须进行一次校准。对于自校准方式，校准过程在器件内部一次完成。AD7705 内部设置 A

44、IN(+)端和 AIN()端为相同的偏置电压，以校准零标度；满标度校准 是在一内部产生的 VREF 电压和选定的增益条件下进行的。系统校准则是对整个 系统增益误差和偏移误差，包括器件内部误差进行校准。在选定的增益下，先后 在外部给 AIN(+)端施加零标度电压和满标度电压，先校准零标度点，然后校准 满标度点。根据零标度和满标度的校准数据，片内的微控制器计算出转换器的输 入输出转换函数的偏移和增益斜率，对误差进行补偿。 数字接口 AD7705 的串行数据接口包括 5 个接口，其中片选输入 CS、串行时 钟输入 SCLK、数据输入 DIN、转换数据输出口 DOUT 用于传输数据，状态信号输 出口用

45、于指示什么时候输出数据寄存器的数据准备就绪。当为低电平时，转换数 据可用；当为高电平时，输出寄存器正在更新数据，不能读取数据。器件的 A/D 转换过程是按设定的数据输出更新速率连续进行的。任何操作都需要对相应片内 寄存器送入新的编程指令。 片内寄存器 AD7705 包括 8 个寄存器，均通过器件串行口访问。第一个是通 信寄存器，它的内容决定下一次操作是对哪一个寄存器进行读操作还是写操作， 并控制对哪一个输入通道进行采样。所有与器件的通信都必须先写通信寄存器。 上电或复位后，器件默认状态为等待指令数据写入通信寄存器。它的寄存器选择 位 RS2RS0 确定下次操作访问哪一个寄存器，而输入通道选择位

46、 CH1，CH0 则决 定对哪一个输入通道进行 A/D 转换或访问校准数据。第 2 个是设置寄存器，它是 一个可读/写 8 位寄存器，用于设置工作模式、校准方式、增益等等。第 3 个是 时钟寄存器，它也是一个可读/写的 8 位寄存器，用于设置有关 AD7705 运行频率 参数和 A/D 转换输出更新速率。第 4 个是数据寄存器，它是一个 16 位只读寄存 器，它存放 AD7705 最新的转换结果。值得注意的是，数据手册上虽然说明它是 一个 16 位的寄存器，但实际上它是由两个 8 位的存贮单元组成的，输出时 MSB 在前，如果接收微控制器需要 LSB 在前，例如 8051 系列，读取的时候应该

47、分两 次读，每次读出 8 位分别倒序，而不是整个 16 位倒序。其他的寄存器分别是测 试寄存器、零标度校准寄存器、满标度校准寄存器等，用于测试和存放校准数据， 可用来分析噪声和转换误差。 4.4 新特性防雷设计介绍 工作原理：水压传感器把采集的模拟信号通过 AD 转换后，经过 C51 芯片处 理后，把数据存贮起来，当计算机需要数据时，发出指令，得到所需的信号。 第 15 页 共 23 页 图 412 系统工作流程图 我们工作的外部环境比较复杂，可能会受到雷电，电磁干扰，和其它的物理 的或化学方面的破坏和侵蚀。而自身工作电路状态不稳定，比如说电压波动等， 都可能造成通信的失败，轻者会使采集的数据不准确，重者可能造成电路器件的 损坏，或者失火事件的发生，这给设计工作和维护造成很大不便，所以对电路进 行优化，是我们必须解决的问题。 对于雷击，雷电感应，或者电压波动产生的瞬间高压，会对器件和信号产生 损坏，所以要对电路进行保护。我们所做的对硬件保护，主要包括：设计一个三 级保护电路，让瞬间高压被限制在允许的范围内；在传感器回路线上接一个继电 器，在不工作的时候可将电路断开，大大减少了雷电感应对电路器件损坏的机率； 在传感器回路加一个线性光耦器件，这样避免感应，电热等对下一级电路的影响。 下面对以下电路进行详细说明 (一)继电器 继电器是一种自动和远程距离操纵用的