多路數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)含程序 1994年電子競(jìng)賽(1)

1、 多路數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)目錄 第一章 系統(tǒng)方案選擇和論證 1.1 題目要求任務(wù)1.1.1 基本要求1.1.2 發(fā)揮部分1.2 系統(tǒng)基本方案1.2.1 各模塊電路的方案選擇及論證 （1）現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)發(fā)生模塊 （2）F/V變換模塊（3）信號(hào)A/D采集處理模塊 （4）雙CPU通信控制模塊 （5）顯示模塊 1.2.2 系統(tǒng)各模塊的最終方案 第二章 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2.1 系統(tǒng)硬件模塊關(guān)系2.2.1 正弦波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)2.2.2 F/V變換電路設(shè)計(jì) 2.2.3信號(hào)采集處理單元模塊設(shè)計(jì) 2.2.4數(shù)據(jù)地址顯示電路設(shè)計(jì)第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1主單片機(jī)程序 3.1.1主機(jī)發(fā)送程序流程圖 3.1.2主機(jī)數(shù)據(jù)處理子

2、程序圖3.1.3主機(jī)顯示子程序圖 3.1.4主機(jī)主程序流程圖3.2從單片機(jī)程序 3.2.1數(shù)據(jù)采集子程序流程圖3.2.2從機(jī)中斷接收子程序流程圖 3.2.3從機(jī)主程序流程圖 1. 系統(tǒng)方案選擇和論證 1.1 題目要求任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)八路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)原理框圖如1.1.1圖 ：1.1.1圖：系統(tǒng)原理框圖主控器能對(duì)50米以外的各路數(shù)據(jù),通過串行傳輸線（實(shí)驗(yàn)中用一米線代替）進(jìn)行采集和顯示。具體設(shè)計(jì)任務(wù)是： （1）現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)產(chǎn)生器。 （2）八路數(shù)據(jù)采集器。 （3）主控器。1.1.1 基本要求 （1）現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)產(chǎn)生器。自制一正弦波信號(hào)發(fā)生器,利用可變電阻改變振蕩頻率,使頻率在200Hz2kHz范圍變

3、化,再經(jīng)頻率電壓變換后輸出相應(yīng)15v直流電壓（200Hz對(duì)應(yīng)1v,2kHz對(duì)應(yīng)5v） （2）八路數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器第一路輸入自制1V5V直流電壓,第27路分別輸入來自直流源的5V、4V、3V、2V、1V、0V直流電壓（各路輸入可由分壓器產(chǎn)生,不要求精度）。第八路備用。將各路模擬信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào),在經(jīng)并/串變換電路,用串行碼送入傳輸線路。 （3）主控器。主控器通過串行傳輸線路對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行 采集和顯示。采集方式包括循環(huán)采集（即1路、2路7路、1路）和選擇采集（任選一路）二種方式。顯示部分能同時(shí)顯示地址和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 1.1.2 發(fā)揮部分 （1）利用電路補(bǔ)償和其他方法提高可變電

4、阻值變化與輸出直流電壓變化的線性關(guān)系。 （2）盡可能減少傳輸線數(shù)目。 （3）其他功能的改進(jìn)（例如：增加傳輸距離，改善顯示功能等）。1.2 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊分可以劃分為：現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)發(fā)生模塊，V/F變換模塊，信號(hào)采集處理模塊，通信控制模塊，顯示模塊。系統(tǒng)的框圖如圖1.2.1所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證后我們選擇如下方案。 圖1.2.1所示為系統(tǒng)基本功能模塊圖 ： 如圖1.2.1系統(tǒng)基本功能模塊圖 1.2.1 各模塊電路的方案選擇及論證 （1）現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)發(fā)生模塊 該模塊工作在遠(yuǎn)距離終端，作為模擬待采樣的信號(hào)源，產(chǎn)生正弦波。對(duì)于該模塊有以下兩種方案：方

5、案一：采用ICL8038集成芯片。構(gòu)成三角波發(fā)生器及正弦整形電路。該IC電路屬于積分型施密特壓控多諧振蕩器，工作范圍0.001HZ300KHZ，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 圖1.2.2 LM358組成的正弦波發(fā)生器 振蕩頻率：f1/（RW2+R2）C。調(diào)節(jié)RW2可改變振蕩頻率頻率變化范圍為：.5.3KHz。輸出信號(hào)的幅度調(diào)節(jié)通過改變RW1來實(shí)現(xiàn)。 幅度調(diào)節(jié)范圍為：26V（2）F/V變換模塊 F/V變換模塊采用模擬集成頻率-電壓變換器LM331。LM331具有精度高、線形度高，溫度系數(shù)低，功耗低動(dòng)態(tài)范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制中。 （3）信號(hào)A/D采集處理模塊 該模塊功能

6、主要是將輸入過來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理?，F(xiàn)在提出以下方案來完成此功能。 A/D采集模塊工作在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集端，用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。計(jì)劃采用ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0809為CMOS集成電路，屬于逐位逼近比較型的轉(zhuǎn)換器，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，數(shù)據(jù)輸出端內(nèi)部具有三態(tài)輸出鎖存器，可以與單片機(jī)直接連接；而且具有8路模擬開關(guān)，可直接連接8個(gè)模擬量，并可程控選擇對(duì)其中一個(gè)模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)化。它與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單，使用方便。（4）顯示模塊 方案一：采用液晶顯示屏和通用矩陣鍵盤。液晶顯示屏（LCD）具有功耗小、輕薄短小無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃

7、爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于只需顯示三位溫度值，信息量比較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，編程工作量大，控制器資源占用較多，其成本也偏高。方案二：采用四位LED七段數(shù)碼管分別顯示通道地址、電壓值。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老 化，對(duì)外界環(huán)境要求較低。同時(shí)數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 1.2.2 系統(tǒng)各模塊的最終方案 根據(jù)以上方案，結(jié)合器件和實(shí)現(xiàn)條件等因素，確定如下方案： （1）.利用ICL8038集成芯片來作為正弦波信號(hào)的產(chǎn)生器。（2）.F/V變換模塊采用LM331頻壓變換器。 （3

8、）.采用雙單片機(jī)AT89S52和ADC0809來實(shí)完成信號(hào)的采集與處理。 （4）.單片機(jī)之間的通信選取RS-485的通信標(biāo)準(zhǔn)。 （5）.顯示模塊的實(shí)現(xiàn)是選用四位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。2. 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2.1 系統(tǒng)硬件模塊關(guān)系該系統(tǒng)采用的是雙單片機(jī)進(jìn)行控制的。模擬信號(hào)經(jīng)過一系列的變化傳輸?shù)接蓡纹瑱C(jī)控制的ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部進(jìn)行處理。按照一定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)主單片機(jī)對(duì)從單片機(jī)的通信控制。 如2.1.1系統(tǒng)硬件電路單元模塊關(guān)系圖2.2.1 正弦波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中采用ICL8038來產(chǎn)生正弦波。通過調(diào)節(jié)RP1來改變頻率，其范圍值為20HZ20KHZ，RP3用于改善正弦波負(fù)向失真。RP4改善正弦

9、波正向失真。其電路圖如2.2.1：圖2.2.1正弦波信號(hào)發(fā)生電路上圖還可以同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波等信號(hào)2.2.2 F/V變換電路設(shè)計(jì) 將正弦信號(hào)輸入到F/V變換電路之前要對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。其具體的電路變換兔如下。 圖2.2.2所示為系統(tǒng)F/V變換電路圖：圖2.2.2系統(tǒng)F/V變換電路圖F/V變換模塊采用精密且廉價(jià)的F/V變換器LM331，此集成電路線形度可達(dá)0.06%，該IC輸出電壓Vo與輸出頻率的關(guān)系為Vo=fi，而設(shè)計(jì)要求將2002000HZ的頻率變換為15V的電壓，可得到變換式為： V=0.00222f+0.556 故應(yīng)對(duì)F/V變換的結(jié)果進(jìn)行電位平移。2.2.3信號(hào)采集處理單元模塊

10、設(shè)計(jì) 在此方案采用雙單片機(jī)，即在數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)端、近端均采用單片機(jī)控制，遠(yuǎn)端完成數(shù)據(jù)的采集、抽樣、平滑、發(fā)送；近端完成數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)、糾錯(cuò)、處理與顯示等。 A/D轉(zhuǎn)換器是受從單片機(jī)的控制的。其連接的電路圖如圖2.2.3。 圖2.2.3所示為ADC0809與單片機(jī)的接口電路圖：圖2.2.3 ADC0809與單片機(jī)的接口電路圖對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出采用查詢方式，即每次通過寫信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，立即查詢狀態(tài)標(biāo)志，一旦發(fā)現(xiàn)EOC呈高電平，表明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，將數(shù)據(jù)讀入89S52的RAM區(qū)。 由于ADC0809為8位，因此對(duì)05V的信號(hào)采集精度為： 5/255=0.02V/級(jí)，可以滿足題目提出的精度要

11、求。 2.2.4數(shù)據(jù)地址顯示電路設(shè)計(jì) 由于題目中要求傳送8位二進(jìn)制碼，其分辨率達(dá)到1/256，顯示電壓分辨率為5/255=0.0192V，所以電壓顯示需要3位數(shù)碼管。 顯示采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，四個(gè)七段數(shù)碼管逐位掃描。配合通道選擇開頭，可在LED上同時(shí)顯示一路或多路數(shù)據(jù)。數(shù)碼管分別顯示通道地址、電壓值。數(shù)碼管采用共陰極，由于AT89C52單片機(jī)每個(gè)I/O的拉電流只有12mA。所以在位碼和段碼都加上了同相驅(qū)動(dòng)器。 單片機(jī)XTAL2、XTAL1接12MHZ晶振，提供系統(tǒng)時(shí)鐘基值。另RESET接復(fù)位按鍵。3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)是采用匯編語言，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各種功能。 程序是在Win

12、dows 2000環(huán)境下采用WAVE軟件編寫的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)八路數(shù)據(jù)的采集與處理，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、地址的顯示。 主程序主要起到一個(gè)導(dǎo)向與決策的功能，決定什么時(shí)候采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)的處理的實(shí)際功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過調(diào)用具體的子程序。本系統(tǒng)采用半雙工傳輸，每次需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，控制MAX485使其成為接收器或發(fā)送器。3.1主單片機(jī)程序 主機(jī)發(fā)送為一字節(jié)指令，其高4位和低四位均為要采集的通道號(hào)，格式為0*0*。其中*=000111。主機(jī)發(fā)送完成指令后，立即轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，等待從機(jī)回送兩字節(jié)數(shù)據(jù)，若在一定時(shí)間內(nèi)未收到數(shù)據(jù)或收到的兩字節(jié)數(shù)據(jù)不一致。則認(rèn)為通信有誤，轉(zhuǎn)而重發(fā)一次指令。若重發(fā)三

13、次均未成功，則點(diǎn)亮線路故障告警燈提醒用戶。3.1.1主機(jī)發(fā)送程序流程圖 如3.1.1所示。3.1.2主機(jī)數(shù)據(jù)處理子程序圖 如3.1.2所示。3.1.3主機(jī)顯示子程序圖 如 3.1.3所示。 3.1.4主機(jī)主程序流程圖 如3.1.4所示。3.2.1數(shù)據(jù)采集子程序流程圖 數(shù)據(jù)的采集處理子程序主要是負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)信號(hào)，并對(duì)所采集的信號(hào)做初步的處理。單片機(jī)根據(jù)需要控制A/D轉(zhuǎn)換器采集某通道的數(shù)據(jù)。其程序流程圖見主單片機(jī)程序圖3.2.1所示。 3.2.2從機(jī)中斷接收子程序流程圖 從機(jī)在接收到主機(jī)發(fā)送的指令后，回送相應(yīng)的兩字節(jié)8位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。中斷接收子程序如圖3.2.2。3.2.3從機(jī)主程序流程圖 如3

14、.2.3所示 程序清單#include<reg52.h> /包含頭文件，一般情況不需要改動(dòng)，頭文件包含特殊功能寄存器的定義 #include <intrins.h> /包含NOP空指令函數(shù)_nop_(); #include<stdio.h> sbit RS = P10; sbit RW = P11; sbit EN = P25; sbit DU = P20; sbit WE = P21; /顯示屏用 sbit adda=P12; sbit addb=P13; sbit addc=P14; sbit h=P07; sbit ale_st=P15; sbit o

15、e=P16; sbit eoc=P17; unsigned char i=100; static char key; unsigned char j,k,temp,nan; #define RS_CLR RS=0 #define RS_SET RS=1#define RW_CLR RW=0 #define RW_SET RW=1 #define EN_CLR EN=0#define EN_SET EN=1#define DataPort P0 /*- 延時(shí)程序-*/void delay(unsigned char i) for(j=i;j>0;j-) for(k=125;k>0;k

16、-);/*-*/ unsigned char ad0809() unsigned char ad_data; ale_st=0; ale_st=1; ale_st=0; while(eoc) oe=1; ad_data=P0; delay(1); oe=0; return (ad_data); /*-*/*-*/ void cmg88()/關(guān)數(shù)碼管，點(diǎn)陣函數(shù)DU=1; P0=0X00;DU=0;/*- uS延時(shí)函數(shù)，含有輸入?yún)?shù) unsigned char t，無返回值 unsigned char 是定義無符號(hào)字符變量，其值的范圍是 0255 這里使用晶振12M，精確延時(shí)請(qǐng)使用匯編,大致延時(shí)

17、長(zhǎng)度如下 T=tx2+5 uS -*/void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t);/*- mS延時(shí)函數(shù)，含有輸入?yún)?shù) unsigned char t，無返回值 unsigned char 是定義無符號(hào)字符變量，其值的范圍是 0255 這里使用晶振12M，精確延時(shí)請(qǐng)使用匯編-*/void DelayMs(unsigned char t) while(t-) /大致延時(shí)1mS DelayUs2x(245); DelayUs2x(245); /*- 判忙函數(shù)-*/ bit LCD_Check_Busy(void) DataPort= 0xFF; RS_CLR;

18、 RW_SET; EN_CLR; _nop_(); EN_SET; return (bit)(DataPort & 0x80); /*- 寫入命令函數(shù)-*/ void LCD_Write_Com(unsigned char com) while(LCD_Check_Busy(); /忙則等待 RS_CLR; RW_CLR; EN_SET; DataPort= com; _nop_(); EN_CLR; /*- 寫入數(shù)據(jù)函數(shù)-*/ void LCD_Write_Data(unsigned char Data) while(LCD_Check_Busy(); /忙則等待 RS_SET; R

19、W_CLR; EN_SET; DataPort= Data; _nop_(); EN_CLR; /*- 清屏函數(shù)-*/ void LCD_Clear(void) LCD_Write_Com(0x01); DelayMs(5); /*- 寫入字符串函數(shù)-*/void LCD_Write_Char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data) if (y = 0) LCD_Write_Com(0x80 + x); else LCD_Write_Com(0xC0 + x); LCD_Write_Data( Data); /*-*/ /*-*/

20、*- 初始化函數(shù)-*/ void LCD_Init(void) LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); LCD_Write_Com(0x08); LCD_Write_Com(0x01); LCD_Write_Com(0x06); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x0C); /*- 函數(shù)-*/ void disp(void) cmg88();/關(guān)數(shù)碼管，點(diǎn)陣函數(shù) LCD_Cle

21、ar();/清屏 LCD_Init(); switch(key) case 0: LCD_Write_Char(1,0,'0'); break; case 1: LCD_Write_Char(1,0,'1'); break; case 2: LCD_Write_Char(1,0,'2'); break; case 3: LCD_Write_Char(1,0,'3'); break; case 4: LCD_Write_Char(1,0,'4'); break; case 5: LCD_Write_Char(1,0,

22、'5'); break; case 6: LCD_Write_Char(1,0,'6'); break; case 7: LCD_Write_Char(1,0,'7'); break; switch(nan/50) case 0: LCD_Write_Char(5,0,'0'); break; case 1: LCD_Write_Char(5,0,'1'); break; case 2: LCD_Write_Char(5,0,'2'); break; case 3: LCD_Write_Char(5

23、,0,'3'); break; case 4: LCD_Write_Char(5,0,'4'); break; case 5: LCD_Write_Char(5,0,'5'); break; case 6: LCD_Write_Char(5,0,'6'); break; case 7: LCD_Write_Char(7,0,'7'); break; case 8: LCD_Write_Char(7,0,'8'); break; case 9: LCD_Write_Char(7,0,'9

24、9;); break; switch(nan)%50)/6) case 0: LCD_Write_Char(7,0,'0'); break; case 1: LCD_Write_Char(7,0,'1'); break; case 2: LCD_Write_Char(7,0,'2'); break; case 3: LCD_Write_Char(7,0,'3'); break; case 4: LCD_Write_Char(7,0,'4'); break; case 5: LCD_Write_Char(7,0,&#

25、39;5'); break; case 6: LCD_Write_Char(7,0,'6'); break; case 7: LCD_Write_Char(7,0,'7'); break; case 8: LCD_Write_Char(7,0,'8'); break; case 9: LCD_Write_Char(7,0,'9'); break; LCD_Write_Char(6,0,'.'); LCD_Write_Char(8,0,'v'); delay(100); /*- 主程序-*/void main() /數(shù)碼管清零 while(1) h=1; P3=0xfe; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10); if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xee: key=0; adda=0; addb=0; addc=0; nan=ad0809(); disp(); break; case 0xde: key=1; adda=1; addb=0; addc=0