毕业设计论文-数据采集电路PCB的设计与制作(含源程序代码)

1、源程序代码等全套设计联系QQ 174320523 各专业都有分类号：TP315 U D C：D10621-408-(2007)6203-0密 级：公开 编 号：2003032184成都信息工程学院学位论文基于C51的数据采集电路PCB的设计与制作论文作者姓名：张茂申请学位专业：网络工程申请学位类别：工学学士指导教师姓名职称：李中志(讲师)论文提交日期：2007年06月10日基于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、

2、完善、壮大起来。本设计讲述了电子电路设计软件Protle99的根本功能，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 Desi

3、gn and Implementation of Data Acquisition Circuit Based on C51Abstract“The design and implementation of data acquisition circuit based on C51” is the circuit PCB designed and implemented according to data of water situation of modern conservancy industry. At the same time, in order to response to th

4、e digital conservancy raised by our country, it makes the conservancy informationization implement, perfect and grow. This paper discusses the basic function of electronic circuit design software-Protle99. It takes this system for example to introduce the development steps of this system one by one:

5、 demand analysis, system analysis, system design, system implementation and system maintenance. Demand analysis introduces the design of this system focusing on conservancy industry. It analyses functions of various components and various connections of electronic circuit design in system analysis,

6、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 completion of PBC of this system. In the implementation of this system, it gives a complete PBC matched for the function of the system. After

7、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 collection; electronic circuit; digital conservancy目 录论文总页数：23页 TOC h z t 1,1,2,2,3,3 HYPERLINK l _Toc168468920 1 引言1 HYPERLINK l _Toc168

8、468921 2 开发概述 PAGEREF _Toc168468921 h 1 HYPERLINK l _Toc168468922 2.1 数据采集系统概述 PAGEREF _Toc168468922 h 1 HYPERLINK l _Toc168468923 2.2 目前水利现状分析 PAGEREF _Toc168468923 h 2 HYPERLINK l _Toc168468924 3 需求分析 PAGEREF _Toc168468924 h 3 HYPERLINK l _Toc168468925 3.1 需求调研 PAGEREF _Toc168468925 h 3 HYPERLINK

9、l _Toc168468926 3.2 组织结构的分析 PAGEREF _Toc168468926 h 3 HYPERLINK l _Toc168468927 3.3 系统功能特点 PAGEREF _Toc168468927 h 4 HYPERLINK l _Toc168468928 3.4 开发运行环境 PAGEREF _Toc168468928 h 4 HYPERLINK l _Toc168468929 3.5 新数据采集系统设计加防雷特性： PAGEREF _Toc168468929 h 5 HYPERLINK l _Toc168468930 4 系统设计 PAGEREF _Toc168

10、468930 h 5 HYPERLINK l _Toc168468931 4.1 Protel99 简介 PAGEREF _Toc168468931 h 5 HYPERLINK l _Toc168468931 4.1.1 Protel99的组成 PAGEREF _Toc168468931 h 5 HYPERLINK l _Toc168468931 4.1.2 原理图设计系统 PAGEREF _Toc168468931 h 5 HYPERLINK l _Toc168468931 4.1.3 Protel99主要特色6 HYPERLINK l _Toc168468931 4.1.4 Protel9

11、9主要特性6 HYPERLINK l _Toc168468932 4.2 数据采集系统电路原理图 PAGEREF _Toc168468932 h 7 HYPERLINK l _Toc168468933 4.3 原理图工作过程及主要元气件介绍 PAGEREF _Toc168468933 h 8 HYPERLINK l _Toc168468931 4.3.1 MAX813L芯片8 HYPERLINK l _Toc168468931 4.3.2 MC1403 芯片9 HYPERLINK l _Toc168468931 4.3.3 HCNR201 芯片10 HYPERLINK l _Toc168468

12、931 4.3.4 MAX1659 芯片11 HYPERLINK l _Toc168468931 4.3.5 AT89C51 芯片12 HYPERLINK l _Toc168468931 4.3.6 AD1705 芯片13 HYPERLINK l _Toc168468934 4.4 新特性防雷设计介绍 PAGEREF _Toc168468934 h 15 HYPERLINK l _Toc168468935 4.5 主要元气件封装形式 PAGEREF _Toc168468935 h 17 HYPERLINK l _Toc168468936 4.6 元件布局 PAGEREF _Toc1684689

13、36 h 18 HYPERLINK l _Toc168468937 4.7 元件布线 PAGEREF _Toc168468937 h 19 HYPERLINK l _Toc168468938 4.8 生成的PCB图 PAGEREF _Toc168468938 h 19 HYPERLINK l _Toc168468940 5 系统测试20 HYPERLINK l _Toc168468937 5.1 搭建测试环境20 HYPERLINK l _Toc168468937 5.2 得到结果20 HYPERLINK l _Toc168468942 结 论 PAGEREF _Toc168468942 h

14、20 HYPERLINK l _Toc168468943 参考文献 PAGEREF _Toc168468943 h 21 HYPERLINK l _Toc168468944 致 谢 PAGEREF _Toc168468944 h 22 HYPERLINK l _Toc168468945 声 明 PAGEREF _Toc168468945 h 23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开展，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开展的一个重要方面。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

15、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平安运行。对领导决策和减少洪水灾害，缓解城市的防洪压力，保障人民生命财产的平安具有重要作用。信息化是当今世界经济和社会开展的大趋势。水利信息化是水利现代化的根底和重要标志。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开展创造的有利条件，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(

16、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。开发概述数据采集系统数据采集是“数字水利的重要根底。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根底。水利工作的根底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，都十分缺乏。因此，应用和开展以“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

17、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，而根底地理数据那么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根底。因此，如何保障这一系统的可持续开展，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缺乏。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，说明数据采集的根底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

18、系统的建设置于优先考虑的根底地位。 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开展的战略导向，充分反映了信息时代对水利行业开展的要求，也是水利行业开展现代化的必由之路，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开展的历史过程。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“数字水利开展的战略性和整体性，必须先行研究制定其开展的总体战略及阶段开展规划，而不是总体建设规划。在“数字水利开展规划的根底上，再制定专项建设规划，并采用“急用先建，根底先行，应用驱动，逐步开展的开展策略，把“数字水利与水利行业信息化有机地

19、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“数字水利的组成局部，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，那么标志着“数字水利这一历史过程在技术层面的完成。“数字水利的开展结果是生产力的开展，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，“数字水利只能是开展战略，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，应用是不断开展变化的，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

20、续开展。所有水利信息系统应用所剥离出来的数据，构成“数字水利的数据根底，也是“数字水利存在的根本条件。 如果不站在开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，从而难以持续开展的境地。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缺乏，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，主要是资源严重缺乏、资源共享困难和资源开发

21、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“数字水利开展规划及“数字水利建设工程建议书。小结：先说明数据采集对当今水利行业的重要性，然后再把数字信息化采集在水利行业的重要性参加进去，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，更表达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，这些水电站承当着这个地区的灾情预报，关系着整个地区广阔人民的切身利益，是人民生活中不可缺少的重要组成局部。下面简单地介绍一下该水利部门的现状：下列图

22、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水电站1水电站2水电站N水情工情水情工情水情工情图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 组织结构的分析下列图是水电站需完成任务组成结构：水 电 站W物业公司物业公司水电站1数据采集水电站2数据采集水电站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：采用485总线可同时支持两路水位信号或其他信号的采

23、集，每路信号可单独控制可支持雨量信号的采集 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 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 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可存储一年以上的水情或雨量数据。并具有掉电保护功能具有1路报警输出接口采用uC/OS-II操作系统证采用64K的I2C存储器，增加了数据的平安性金大局部元件改用贴片元件，增加了系统的可

24、靠性，降低了生产本钱 3.4 开发运行环境 开发此系统电脑所需的根本软、硬件环境为：Windows9X、 Windows2000 或WindowsNT/2003/XPProtel99Pentium100及以上档次的IBM PC及其兼容机128M以上内存5000M以上可用硬盘空间高密软盘驱动器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，特别是雷电产生的大磁场，对于一些元气件容易产生损坏，我们参加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。

25、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。这局部包括用于设计原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

26、PCB。这局部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：这局部包括用于显示、编辑文本的文本编辑器Text和用于显示、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，

27、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

28、工作组技术能让多个设计者通过网络平安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局部集成到设计管理器中。(5) PCB自动布线规那么条件的复合选项极大的方便了布线规那么的设计。(6) 用在线规那么检查功能支持集成的规那么驱动PCB布线。(7) 继承的PCB自动布线系统最新的使用了人工智能技术，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到达专家级的水平。(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

29、局。(9) Protel99新增加了自动布局规那么设计功能，Placement标签页是在Protel99中新增加的，用来设置自动布局规那么。(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那么设计和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那么设计。(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

30、之间的联系。(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 Ba

31、sic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，为了防止这种情况，在420mA信号转换成电压后用HCNR201进行隔离，这样就防止了遭受雷击的厄运。15V的电压经过AD7705模数转换后，由AT89S51处理和发送，而发送局部那么由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，对复位电路的根本要求是：在单片机上电时可靠复位，在下电时能防止程序乱飞

32、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，

33、引脚功能如下：第(1)脚为手动复位输入，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。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，那么第(8)脚输出一个低电平信号。3手动复位输入，低电平有效，即第(1)脚输入一个低电平，

34、那么第(7)脚产生复位输出。41.25V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，那么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

35、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 MC14

36、03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根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 .Vin. |18|.NC.Vout |27|.NC.GND. |36|.NC.NC. |45|.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

37、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引脚用于反应，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，电压的变化表达在电流IF上，IPD1和IPD2根本与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

38、/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到达满意的线性度的。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；* 隔离电压：1414V；* 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 regulatorsLow-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3.3V1658；5V16592、调压器：输出1.2V1

39、6V输入电压范围：2.7V16.5VWide Input Voltage Range: 2.7V to 16.5VLow, 490mV Dropout at 350mA Output Current(MAX1659)30A Supply Current1A 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：图 4-7 MAX1659引脚图1，SET：

40、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OUT到GND。2，SHDN：关闭输入。低电平时，装置关闭并且供给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3.3V1658、5V1659，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。为了改进的负荷-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 AT89

41、C51芯片AT89C51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，而且价格廉价。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)，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 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

42、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-A/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，-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、工业控制等领域的应用。它采用三线串行接口,有两个全差分输入通道,能到达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

43、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8A。 AD7705是完整的16位A/D转换器。内部结构如图1。假设外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容，即可连续进行A/D转换。它采用了本钱较低但能获得极高分辨率的-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，例如数字音频产品和智能仪器仪表产品等。下面对该器件几个重要局部和特性作简要说明。 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

44、、32、64、128八种增益之一，能将不同摆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()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

45、 4-10 AD7705内部结构图数字滤波和输出更新速率模拟信号由-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：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，那么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。 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。

46、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AIN(+)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。系统校准那么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

47、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，状态信号输出口用于指示什么时候输出数据存放器的数据准备就绪。当为低电平时，转换数据可用；当为高电平时，输出存放器正在更新数据，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存放器送入新的编程指令。片内存放器AD7705包括8个存放器，均通过器件串行口访问。第一个是通信存放器，它的内容决定下一次操作是对哪一个存放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

48、都必须先写通信存放器。上电或复位后，器件默认状态为等待指令数据写入通信存放器。它的存放器选择位RS2RS0确定下次操作访问哪一个存放器，而输入通道选择位CH1，CH0那么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个是设置存放器，它是一个可读/写8位存放器，用于设置工作模式、校准方式、增益等等。第3个是时钟存放器，它也是一个可读/写的8位存放器，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个是数据存放器，它是一个16位只读存放器，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位的存放器，但实际上它是由两个8位的存贮单元组成的，输出

49、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。其他的存放器分别是测试存放器、零标度校准存放器、满标度校准存放器等，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。图412 系统工作流程图我们工作的外部环境比拟复杂，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，比方说电压波动等，都可能造成通信的失败，轻者会

50、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，这样防止感应，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电器，广泛地应用于自动控制系统，遥

51、控，遥测系统，电力保护系统以及通信系统中，起着控制，检测，保护和调节的作用，是现代电气装置中最根本的器件之一。功能：继电器是当输入鼓励量到达规定要求，在电气输出电路中，被控参量发生预定的阶跃变化的一种自动电器。我们要用在传感器回路中，对AD及后面的电路进行保护，可由PC操纵控制，当不需要采集信号时，可以让C51芯片产生一个信号，使继电器与后面的电路断开，这样不仅节省功耗，更重要的是，如果产生雷击或感应时，继电路后面的电路可以受到保护。当我们需要数据时，让C51芯片产生一个信号，可让继电器把电路连接，这样就可以收集数据了。这时虽然理论上电路损坏的机率还存在，但机率已经大大降低。选用的继电器可以是

52、小型直流继电器也可以是一种小型号的脉冲继电器，额定电压值在5V左右，吸收电压在4.5v左右，释放电压在0.5V左右，这样即能满足电路要求也可以最大限度的降低功耗。还有一种可编程的继电器，通过软件编程烤入器件对电路进行控制，可以不用C51芯片，但增加了电路复杂度，和软件编程。对简单的电路来说有杀鸡用牛刀的意味。(三)光电耦合隔离对于外部工作电路，难免要受到电气，磁，热等的一系列干扰，如何降低干扰，使电路处于一种稳定的工作状态， 必须采取一定的隔离措施。光耦器件，是当前较为流行的一种器件，它较之电磁等其它的隔离器件有着抗扰性强，不易受外界影响等优点，所以它有一种替代其它同类产品成为主流的趋势。我们

53、要用的光耦如下图：图 413 光藕隔离电路图4.5 主要元气件封装形式表 41 主要元器件封装表元气件个数封装内型电容C12RAD0.1电容CE11RB.2/.4电阻R16AXIAL0.4电阻R7、R8210K电阻R4、R5220K电阻R31100MAX813L1DIP8二极管7RB.1/.2J11CH2.54-4PAD7705BN1DIP1689C511DIP40SN75LBC1841DIP8L7805C1TO-220AMAX16592SO8HE77KM241HE77KM12 HEADER1SIP12SN74ALS573CDW (20)1S02OWSW-DIP81DIP16MC14031DI

54、P8HCNR2011DIP84.6 元件布局 通过了前期大量的准备工作，现在我们终于可以开始进行PCB的相关工作了，首先我们进入Protel99的PCB版面，我们首先应该确定我们制作的板子的物理大小，知道了物理大小后，我们可以在Mechanical层先固定板子实际大小，然后我们在固定电气层大小，电气层大小，就是我们把所有元气件放在规定的大小内。现在我们就可以把元气件添加进来了，Protel99有元件自动布局功能，但是自动布局的效果不是很好，所以我们最好还是手动布局。手动布局我们应该注意以下问题： 1、元气件的顺序应该尽量按照流程图，按流程来排版； 2、元气件之间的距离，应尽量分布均匀； 3、不

55、要把散热大的元气件放在一起； 4、上下、左右之间的距离应该适中； 5、把连线较多，距离短的元气件放在一起； 6、双面板应尽量把元气件放在一面上； 以上布局考前须知综合考虑，是一个很难解决好的问题，要布局很好的效果图来，是非常不容易的，但是只要我们肯花精力、时间、慢慢的、不焦不躁的认真去完成，相信我们必定会画出一个比拟满意的布局出来。4.7 元件布线 当我们把所有的元气件布局布好以后，我们就可以开始我们的布线工作了，如果你想你制作的PCB板子能够最稳定、最快速、最好的效劳，那么你的布线工作就尤其重要了。当然我们可以利用Protel99的自动布线功能，但是自动布线的结果差强人意。所以，我们只能手动

56、布线，以求到达最好的效果。 手动布线我们可以先布电源线，因为电源是我们整个PCB板子工作的核心，所以我们可以从电源先布线，为了到达好的效果，电源线和地线都应该比其他元气件的线更粗，各元气件之间布线的距离尽可能的大，这要看我们板子的大小和元气件的多少，总之要尽可能的大，且布线均匀，还有就是布线我们不应该用九十度的折线，我们要用四十五度的折线，防止噪音。 所有元气件布线工作完成后，我们可以进行规那么检查，看看是不是所有元气件各个引脚都已连上，根据需要我们可以对板子覆铜，覆铜的大小，应该根据需要而定，不是一味的、凭想象的，电源发热量大的地方可以不覆。到这里，我们的整个工作就根本上完成了，下面应该对板子的功能、性能、稳定性进行测试了。4.8 生成的PCB图图414 生成的PCB图通过以上步骤，我们最终看到了一个成品。5 系统测试5.1搭建测试环境有了PCB图，我们就可以把板子制作出来了，制作好了以后，我们就开始对板子进行测试。我们现在实验室测试，如果在实验室测试功能良好，那么我们再到自然环境中去测试。实