基于單片機(jī)的多路信號(hào)采集

信號(hào)采集輸入電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電信1302班劉志威摘要本設(shè)計(jì)主要完成了基于AT89S51單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及前置放大電路的設(shè)計(jì)，采樣保持電路的設(shè)計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，PC機(jī)通信的技術(shù)，鍵盤(pán)和顯示的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及前置放大電路的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)介紹了多路開(kāi)關(guān)的選擇、AD521放大倍數(shù)的計(jì)算以及多路開(kāi)關(guān)CD4051和放大器AD521硬件連接電路。采樣保持電路的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)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(jì)中重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)A/D通道的選擇和A/D轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)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(jī)與pc機(jī)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(pán)和顯示的設(shè)計(jì)采用八個(gè)獨(dú)立鍵盤(pán)并通過(guò)串行通信的方式傳輸?shù)?2864中并顯示。電源局部的設(shè)計(jì)通過(guò)采用6V*2的變壓器對(duì)220V的輸入交流電進(jìn)行降壓，經(jīng)二極管全波整流，通過(guò)三端穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓，輸出5V直流電壓。利用555時(shí)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(jī)；CD4051；MAX232第一章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及前置放大電路的設(shè)計(jì)，采樣保持電路的設(shè)計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，PC通信，電源的設(shè)計(jì)。1.多路開(kāi)關(guān)的選擇多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在模擬輸入通道中的作用是實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)選擇一操作，即利用多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將多路輸入中的一路接至后續(xù)電路。切換過(guò)程可在CPU或數(shù)字電路的控制下完成。常用的模擬開(kāi)關(guān)大都采用CMOS工藝，如8選1開(kāi)關(guān)CD4051、雙4選1開(kāi)關(guān)CD4052、三3選1開(kāi)關(guān)CD4053等。本設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集，所以只選擇1片8選1的模擬開(kāi)關(guān)。模擬多路開(kāi)關(guān)中，不可防止導(dǎo)通電阻RON的存在。RON使信號(hào)電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流成正比。設(shè)計(jì)中希望RON越小越好，但是RON越小的器件價(jià)格越高。所以根據(jù)器件的價(jià)格和系統(tǒng)的容忍度，選擇RON的值。多路開(kāi)關(guān)的主要參數(shù)是精度和速度。多路開(kāi)關(guān)的精度以傳輸誤差的大小來(lái)間接表示。多路開(kāi)關(guān)的速度以信號(hào)通過(guò)多路開(kāi)關(guān)的通過(guò)率來(lái)間接表示。傳輸誤差是衡量多路開(kāi)關(guān)的一個(gè)指標(biāo)，多路開(kāi)關(guān)的傳輸誤差包括兩個(gè)方面?！?〕多路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻加上信號(hào)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(shí)，負(fù)載阻抗就應(yīng)至少是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻與信號(hào)源阻抗之和的104倍。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多路開(kāi)關(guān)的負(fù)載一般是采樣/保持器。因?yàn)榈湫偷亩嗦烽_(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻為200歐姆～200千歐姆，所以，如果信號(hào)源阻抗在幾百歐姆以下，那么作為負(fù)載的采樣/保持器，其輸入阻抗應(yīng)在108歐姆以上?！?〕多路開(kāi)關(guān)的漏電流在信號(hào)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)最高工作溫度時(shí)的漏電流來(lái)計(jì)算偏移誤差。通過(guò)率是衡量多路開(kāi)關(guān)的另一個(gè)指標(biāo)，是多路開(kāi)關(guān)從一個(gè)通道切換并使下一個(gè)通道建立到規(guī)定精度所能到達(dá)的最高切換率。它一方面取決于多路開(kāi)關(guān)建立時(shí)間，并與規(guī)定的建立精度有關(guān)，另一方面為了防止兩個(gè)通道同時(shí)接通，多路開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為“先斷后通〞，這增加了斷開(kāi)到接通的延時(shí)，影響了通過(guò)率的提高。在確定多路開(kāi)關(guān)的通過(guò)率時(shí)，要跟據(jù)系統(tǒng)的采樣速率來(lái)考慮。根據(jù)上面的分析，本設(shè)計(jì)選用的是采用CMOS工藝的8選1開(kāi)關(guān)CD4051。CD4051的模擬信號(hào)范圍為±7.5V，導(dǎo)通電阻RON為125歐姆，關(guān)斷漏電流為0.1μA，開(kāi)關(guān)時(shí)間為120ns。鍵盤(pán)可以分為獨(dú)立式連接式和行列式兩類，每一類按其譯碼方法又都可以分為編碼及非編碼兩種類型。本次課題采用獨(dú)立式非編碼鍵盤(pán)。獨(dú)立式按鍵是指各按鍵相互獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，這是最簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，該電路為查詢方式電路。當(dāng)任何一個(gè)按鍵按下時(shí)，與之相連的輸入數(shù)據(jù)線即被清0〔低電平〕，而平時(shí)該線為1〔高電平〕。要判斷是否有按鍵按下，用單片機(jī)的位處理指令十分方便。。單單片機(jī)獨(dú)立鍵盤(pán)液晶顯示鍵盤(pán)連接框圖獨(dú)立式非編碼鍵盤(pán)的連接圖電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)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，3腳為最低電位，2腳居中。從圖2.1中可以看出，不管正壓還是負(fù)壓，2腳均為輸出端。對(duì)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(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格廉價(jià)。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)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時(shí)基電路內(nèi)部框圖555時(shí)基電路內(nèi)部框圖555各引腳功能腳1：電源負(fù)端〔地線〕腳2：為低觸發(fā)器，簡(jiǎn)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，他的最大輸出電流可達(dá)200MA，因此可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器、玩具電動(dòng)機(jī)等〕VO腳4：強(qiáng)制復(fù)位端〔如果不需要強(qiáng)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(lái)調(diào)節(jié)比擬器的基準(zhǔn)電壓，簡(jiǎn)稱控制端。如果不需要調(diào)節(jié)，可懸空或通過(guò)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T(mén)H腳7：放電端Dis腳8：電源〔VDD〕，555時(shí)基電路允許電源電壓為4.5V～18V它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比擬器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電管T及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC/3和2VCC/3。兩個(gè)電壓比擬器C1、C2；一個(gè)由與非門(mén)G1、G2組成的根本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(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后,根本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〔〔a〕內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖〔b〕電氣圖形符號(hào)電路設(shè)計(jì)+5V直流電源電路555無(wú)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(jī)外接時(shí)鐘電路AT89S51的時(shí)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(jì)采用的是內(nèi)部方式，如圖16所示。最常用的內(nèi)部時(shí)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(jià)時(shí)，選擇陶瓷振蕩器〕和電容組成斬并聯(lián)諧振回路，不管是HMOS還是CHMOS型的單片機(jī)其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。AT89S51內(nèi)部有一個(gè)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(gè)放大器與作為反應(yīng)元件的片外晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)27pF的電容和一個(gè)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(gè)高增益反相放大器形成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。兩個(gè)電容的作用是晶體振蕩器的微調(diào)電容。因?yàn)榫w振蕩器的頻率高，穩(wěn)定度也高。所以本設(shè)計(jì)采用晶體振蕩器而不采用陶瓷體振蕩器。復(fù)位電路說(shuō)明在設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須了解單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常進(jìn)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(jī)的復(fù)位狀態(tài)是密切相關(guān)。AT89S51復(fù)位輸入引腳RESET為AT89S51提供了初始化的手段，單片機(jī)的初始化，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。。在AT89S51的時(shí)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(jī)內(nèi)部那么初始化復(fù)位。只要RESET保持高電平，那么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(kāi)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主程序流程圖開(kāi)始開(kāi)始AT89S51初始化采集一路信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換讀入S51串口輸出采集下一路是否采集完8路信號(hào)？結(jié)束YN2.2A/D轉(zhuǎn)換程序的流程圖開(kāi)始開(kāi)始初始化CE=1，CS=0啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，R/C=0R/C=1，74LS373處于鎖存狀態(tài)LE=0，數(shù)據(jù)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(jù)時(shí)不需要連續(xù)動(dòng)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)行顯示操作否那么CPU可以不用理睬它，利用此時(shí)進(jìn)行別的工作或者進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)的功耗。〔3〕鍵盤(pán)采用中斷掃描工作方式，即只在鍵盤(pán)有鍵按下時(shí)，才執(zhí)行鍵盤(pán)掃描并執(zhí)行該鍵功能程序如無(wú)鍵按下，CPU就不用理睬鍵盤(pán)，因此提高了CPU工作效率，同時(shí)也提高了系統(tǒng)對(duì)鍵盤(pán)的速度?！?〕在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，選用低功耗待機(jī)方式，使系統(tǒng)在空閑時(shí)處于待機(jī)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(jì)印刷電路板時(shí)。加寬電源線和