基于单片机的多路信号采集

信号采集输入电路的设计与实现电信1302班刘志威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。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。电源局部的设计通过采用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；MAX232第一章系统硬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通信，电源的设计。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项选择一操作，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，不可防止导通电阻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，那么作为负载的采样/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到达的最高切换率。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，另一方面为了防止两个通道同时接通，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。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。。单单片机独立键盘液晶显示键盘连接框图独立式非编码键盘的连接图电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。引脚1为最高电位，3脚为最低电位，2脚居中。从图2.1中可以看出，不管正压还是负压，2脚均为输出端。对于78正压系列，输入是最高电位，自然是1脚，地端为最低电位，即3脚用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格廉价。该系列集成稳压IC型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V，7909表示输出电压为负9V。555器件的工作原理555时基电路内部框图555时基电路内部框图555各引脚功能脚1：电源负端〔地线〕脚2：为低触发器，简称触发端Vi2〔〕，标志为脚3：输出电平〔输出端可以将继电器线圈等负载与它相连，他的最大输出电流可达200MA，因此可以直接驱动继电器、玩具电动机等〕VO脚4：强制复位端〔如果不需要强制复位，可与电源正极相连或悬空〕脚5：控制电压端〔该脚可以用来调节比拟器的基准电压，简称控制端。如果不需要调节，可悬空或通过0.01UF电容器接地〕脚6：阀值电压〔为高触发器，也称阀值端Vi1〔TH〕〕，标志为TH脚7：放电端Dis脚8：电源〔VDD〕，555时基电路允许电源电压为4.5V～18V它内部包括两个电压比拟器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。两个电压比拟器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的根本RS触发器〔低电平触发〕；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。是复位端，低电平有效。复位后,根本RS触发器的端为1〔高电平〕，经反相缓冲器后，输出为0〔低电平〕。CMOSET740工作原理〔〔a〕内部结构示意图〔b〕电气图形符号电路设计+5V直流电源电路555无稳态多谐振荡器电路图总的原理图系统电源总图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，不管是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应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。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。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。。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，单片机内部那么初始化复位。只要RESET保持高电平，那么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。图16晶振电路图图17复位电路图第二章程序流程图2.1主程序流程图开始开始AT89S51初始化采集一路信号A/D转换读入S51串口输出采集下一路是否采集完8路信号？结束YN2.2A/D转换程序的流程图开始开始初始化CE=1，CS=0启动A/D转换，R/C=0R/C=1，74LS373处于锁存状态LE=0，数据8位传入S51LE=1返回STS=1？YN第三章系统性能及误差分析3.1系统可靠性措施3.1.1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那么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，这样也可降系统的功耗。3.1.2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