基于單片機多路信號采集

1、信號采集輸入電路的設計與實現(xiàn)電信1302班劉志威0121309340310摘 要本設計主要完成了基于AT89S51單片機控制的數(shù)據采集系統(tǒng)的硬件電路設計以及相應的軟件設計。本系統(tǒng)的硬件設計主要包括：多路轉換開關及前置放大電路的設計，采樣保持電路的設計，模數(shù)轉換電路的設計，PC機通信的技術，鍵盤和顯示的設計，系統(tǒng)電源的設計。多路轉換開關及前置放大電路的設計中重點介紹了多路開關的選擇、AD521放大倍數(shù)的計算以及多路開關CD4051和放大器AD521硬件連接電路。采樣保持電路的設計中重點介紹了采樣保持電路的原理和主要參數(shù)以及采樣保持器的選擇和連接電路。模數(shù)轉換電路的設計中重點介紹了系統(tǒng)A/D通道的

2、選擇和A/D轉換器的各項誤差分析以及A/D轉換器AD574的介紹、輸入方式和連接電路。單片機與pc機通信主要是利用MAX232單芯片RC-232標準的接口通信電路。鍵盤和顯示的設計采用八個獨立鍵盤并通過串行通信的方式傳輸?shù)?2864中并顯示。電源部分的設計通過采用6V*2的變壓器對220V的輸入交流電進行降壓，經二極管全波整流，通過三端穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓，輸出5V直流電壓。利用555時基電路輸出15V的雙電源電壓。關鍵詞： 數(shù)據采集；AT89S51單片機；CD4051；MAX232第一章 系統(tǒng)硬件設計 本系統(tǒng)的硬件設計主要包括：多路轉換開關及前置放大電路的設計，采樣保持電路的設計，模數(shù)轉換電路的設計

3、，PC通信，電源的設計。1. 多路開關的選擇多路轉換開關在模擬輸入通道中的作用是實現(xiàn)多選一操作，即利用多路轉換開關將多路輸入中的一路接至后續(xù)電路。切換過程可在CPU或數(shù)字電路的控制下完成。常用的模擬開關大都采用CMOS工藝，如8選1開關CD4051、雙4選1開關CD4052、三3選1開關CD4053等。本設計是實現(xiàn)8路數(shù)據采集，所以只選擇1片8選1的模擬開關。模擬多路開關中，不可避免導通電阻RON的存在。RON使信號電壓產生跌落，跌落量與流過開關的電流成正比。設計中希望RON越小越好，但是RON越小的器件價格越高。所以根據器件的價格和系統(tǒng)的容忍度，選擇RON的值。多路開關的主要參數(shù)是精度和速度

4、。多路開關的精度以傳輸誤差的大小來間接表示。多路開關的速度以信號通過多路開關的通過率來間接表示。傳輸誤差是衡量多路開關的一個指標，多路開關的傳輸誤差包括兩個方面。（1）多路開關導通電阻加上信號源阻抗與負載阻抗構成了分壓器。當要求精度為0.01%時，負載阻抗就應至少是開關導通電阻與信號源阻抗之和的104倍。在數(shù)據采集系統(tǒng)中，多路開關的負載一般是采樣/保持器。因為典型的多路開關的導通電阻為200歐姆200千歐姆，所以，如果信號源阻抗在幾百歐姆以下，則作為負載的采樣/保持器，其輸入阻抗應在108歐姆以上。（2）多路開關的漏電流在信號源阻抗上產生偏移電壓，而漏電流與工作溫度關系很大。因此，應該根據最高

5、工作溫度時的漏電流來計算偏移誤差。通過率是衡量多路開關的另一個指標，是多路開關從一個通道切換并使下一個通道建立到規(guī)定精度所能達到的最高切換率。它一方面取決于多路開關建立時間，并與規(guī)定的建立精度有關，另一方面為了避免兩個通道同時接通，多路開關被設計為“先斷后通”，這增加了斷開到接通的延時，影響了通過率的提高。在確定多路開關的通過率時，要跟據系統(tǒng)的采樣速率來考慮。根據上面的分析，本設計選用的是采用CMOS工藝的8選1開關CD4051。CD4051的模擬信號范圍為7.5V，導通電阻RON為125歐姆，關斷漏電流為0.1A，開關時間為120ns。鍵盤可以分為獨立式連接式和行列式兩類，每一類按其譯碼方法

6、又都可以分為編碼及非編碼兩種類型。本次課題采用獨立式非編碼鍵盤。獨立式按鍵是指各按鍵相互獨立地接通一條輸入數(shù)據線，這是最簡單的鍵盤結構，該電路為查詢方式電路。當任何一個按鍵按下時，與之相連的輸入數(shù)據線即被清0（低電平），而平時該線為1（高電平）。要判斷是否有按鍵按下，用單片機的位處理指令十分方便。單片機獨立鍵盤液晶顯示鍵盤連接框圖獨立式非編碼鍵盤的連接圖電子產品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負電壓輸出的79系列。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92

7、封裝。引腳1為最高電位，3腳為最低電位，2腳居中。從圖2.1中可以看出，不論正壓還是負壓，2腳均為輸出端。對于78正壓系列，輸入是最高電位，自然是1腳，地端為最低電位，即3腳用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7805表示輸出電壓為正5V，7909表示輸出電壓為負9V。555器件的工作原理 555時基電路內部框圖555各引腳功能腳1：電源負端（地線）腳2：為低觸發(fā)器，簡稱觸發(fā)端Vi2（），標志為腳3：輸出電平（輸出端可

8、以將繼電器線圈等負載與它相連，他的最大輸出電流可達200MA，因此可以直接驅動繼電器、玩具電動機等）VO腳4：強制復位端（如果不需要強制復位，可與電源正極相連或懸空）腳5：控制電壓端（該腳可以用來調節(jié)比較器的基準電壓，簡稱控制端。如果不需要調節(jié)，可懸空或通過0.01UF電容器接地）腳6：閥值電壓（為高觸發(fā)器，也稱閥值端Vi1（TH），標志為TH腳7：放電端Dis腳8：電源（VDD），555時基電路允許電源電壓為4.5V18V它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3。兩個電壓比較器C1、C2；

9、一個由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。是復位端，低電平有效。復位后, 基本RS觸發(fā)器的端為1（高電平），經反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。 CMOSET740工作原理（a）內部結構示意圖（b）電氣圖形符號電路設計 +5V直流電源電路 555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路圖總的原理圖系統(tǒng)電源總圖單片機外接時鐘電路AT89S51的時鐘可以上兩種方式產生，一種是內部方式，利用芯片內部的振蕩電路，另一種方式為外部方式。本次設計采用的是內部方式，如圖16所示。最常用的內部時鐘方式是采用外部接晶體（在頻率穩(wěn)定性要求不高而希望盡可能廉價時，選擇陶瓷振蕩器）和電容

10、組成斬并聯(lián)諧振回路，不論是HMOS還是CHMOS型的單片機其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。AT89S51內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器構成一個自激振蕩器。該時鐘電路由兩個27pF的電容和一個晶體振蕩器組成，晶體振蕩器采用的是6MHZ的晶振，它與內部的一個高增益反相放大器形成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。兩個電容的作用是晶體振蕩器的微調電容。因為晶體振蕩器的頻率高，穩(wěn)定度也高。所以本設計采用晶體振蕩器而不采用陶瓷體振蕩器。復位電路說明在設計單片機應用系統(tǒng)時，必須了解單片機的復位狀態(tài)。因為單片機

11、應用系統(tǒng)工作時，會經常進入復位的工作狀態(tài)。應用系統(tǒng)的復位狀態(tài)與單片機的復位狀態(tài)是密切相關。AT89S51復位輸入引腳RESET為AT89S51提供了初始化的手段，單片機的初始化，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。在AT89S51的時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機內部則初始化復位。只要RESET保持高電平，則AT89S51循環(huán)復位。只有當RESET由高電平變成低電平后，AT89S51才從0000H地址開始執(zhí)行程序。圖16 晶振電路圖 圖17 復位電路圖第二章 程序流程圖2.1主程序流程圖開始AT89S51初始化采集一

12、路信號A/D轉換讀入S51串口輸出采集下一路是否采集完8路信號？結束YN2.2 A/D轉換程序的流程圖開始初始化CE=1，CS=0啟動A/D轉換，R/C=0R/C=1，74LS373處于鎖存狀態(tài) LE=0，數(shù)據8位傳入S51LE=1返回STS=1？YN第三章 系統(tǒng)性能及誤差分析3.1系統(tǒng)可靠性措施3.1.1低功耗措施（1）盡可能選用低功耗的CMOS芯片。（2）選用液晶顯示器，液晶顯示器本身就是低功耗器件，并且其在顯示數(shù)據時不需要連續(xù)動態(tài)描顯示，固定的數(shù)據只需執(zhí)行一次顯示操作即可，直到要顯示另外的數(shù)據才要再次執(zhí)行顯示操作否則CPU可以不用理睬它，利用此時進行別的工作或者進入待機狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)的功耗。（3）鍵盤采用中斷掃描工作方式，即只在鍵盤有鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描并執(zhí)行該鍵功能程序如無鍵按下，CPU就不用理睬鍵盤，因此提高了CPU工作效率，同時也提高了系統(tǒng)對鍵盤的速度。（4）在設計軟件時，選用低功耗待機方式，使系統(tǒng)在空閑時處于待機低功耗狀態(tài)，這樣也可降系統(tǒng)的功耗。3.1.2抗干擾措施1. 硬件抗干擾措施（1）設計印刷電路板時。加寬電源線和地線的