基于單片機的多路信號采集

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

2、選擇和A/D轉(zhuǎn)換器的各項誤差分析以及A/D轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的接口通信電路。鍵盤和顯示的設(shè)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(shè)計通過采用6V*2的變壓器對220V的輸入交流電進行降壓，經(jīng)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(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集；AT89S51單片機；CD4051；MAX232第一章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括：多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及前置放大電路的設(shè)計，采樣保持電路的設(shè)計，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

3、，PC通信，電源的設(shè)計。1. 多路開關(guān)的選擇多路轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)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(guān)大都采用CMOS工藝，如8選1開關(guān)CD4051、雙4選1開關(guān)CD4052、三3選1開關(guān)CD4053等。本設(shè)計是實現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集，所以只選擇1片8選1的模擬開關(guān)。模擬多路開關(guān)中，不可避免導(dǎo)通電阻RON的存在。RON使信號電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過開關(guān)的電流成正比。設(shè)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(jù)器件的價格和系統(tǒng)的容忍度，選擇RON的值。多路開關(guān)的主要參數(shù)是精度和速度

4、。多路開關(guān)的精度以傳輸誤差的大小來間接表示。多路開關(guān)的速度以信號通過多路開關(guān)的通過率來間接表示。傳輸誤差是衡量多路開關(guān)的一個指標(biāo)，多路開關(guān)的傳輸誤差包括兩個方面。（1）多路開關(guān)導(dǎo)通電阻加上信號源阻抗與負(fù)載阻抗構(gòu)成了分壓器。當(dāng)要求精度為0.01%時，負(fù)載阻抗就應(yīng)至少是開關(guān)導(dǎo)通電阻與信號源阻抗之和的104倍。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多路開關(guān)的負(fù)載一般是采樣/保持器。因為典型的多路開關(guān)的導(dǎo)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(fù)載的采樣/保持器，其輸入阻抗應(yīng)在108歐姆以上。（2）多路開關(guān)的漏電流在信號源阻抗上產(chǎn)生偏移電壓，而漏電流與工作溫度關(guān)系很大。因此，應(yīng)該根據(jù)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(guān)的另一個指標(biāo)，是多路開關(guān)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(guān)建立時間，并與規(guī)定的建立精度有關(guān)，另一方面為了避免兩個通道同時接通，多路開關(guān)被設(shè)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(guān)的通過率時，要跟據(jù)系統(tǒng)的采樣速率來考慮。根據(jù)上面的分析，本設(shè)計選用的是采用CMOS工藝的8選1開關(guān)CD4051。CD4051的模擬信號范圍為7.5V，導(dǎo)通電阻RON為125歐姆，關(guān)斷漏電流為0.1A，開關(guān)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(jù)線，這是最簡單的鍵盤結(jié)構(gòu)，該電路為查詢方式電路。當(dāng)任何一個按鍵按下時，與之相連的輸入數(shù)據(jù)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。鍵盤連接框圖獨立式非編碼鍵盤的連接圖電子產(chǎn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。引腳1為最高電位

7、，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(fù)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(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)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(fù)9V。555器件的工作原理555各引腳功能腳1：電源負(fù)端（地線）腳2：為低觸發(fā)器，簡稱觸發(fā)端Vi2（），標(biāo)志為腳3：輸出電平（輸出端可以將繼電器線圈等負(fù)載與它相連，他的最大輸出電流

8、可達200MA，因此可以直接驅(qū)動繼電器、玩具電動機等）VO腳4：強制復(fù)位端（如果不需要強制復(fù)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(diào)節(jié)比較器的基準(zhǔn)電壓，簡稱控制端。如果不需要調(diào)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(biāo)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(nèi)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(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3。兩個電壓比較器C1、C2；一個由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低

9、電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后, 基本RS觸發(fā)器的端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。 CMOSET740工作原理電路設(shè)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(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，另一種方式為外部方式。本次設(shè)計采用的是內(nèi)部方式，如圖16所示。最常用的內(nèi)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。

10、AT89S51內(nèi)部有一個用于構(gòu)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(gòu)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(nèi)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(diào)電容。因為晶體振蕩器的頻率高，穩(wěn)定度也高。所以本設(shè)計采用晶體振蕩器而不采用陶瓷體振蕩器。復(fù)位電路說明在設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，必須了解單片機的復(fù)位狀態(tài)。因為單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，會經(jīng)常進入復(fù)位的工作狀態(tài)。應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)與單片機的復(fù)位狀態(tài)是密切

11、相關(guān)。AT89S51復(fù)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(nèi)部則初始化復(fù)位。只要RESET保持高電平，則AT89S51循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)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(fù)位電路圖第二章 程序流程圖2.1主程序流程圖2.2 A/D轉(zhuǎn)換程序的流程圖第三章 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

12、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(jù)時不需要連續(xù)動態(tài)描顯示，固定的數(shù)據(jù)只需執(zhí)行一次顯示操作即可，直到要顯示另外的數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)計印刷電路板時。加寬電源線和地線的寬度。（2）在每