數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

南京理工大學(xué)科目現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)與誤差分析學(xué)院姓名 學(xué)號(hào)2011一種基于AT89S52的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)摘要本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以單片機(jī)AT89S52為控制核心的四通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬通道信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與處理。并將采集的數(shù)據(jù)送經(jīng)F/V變換電路，使得低頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)電壓，從而驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)。關(guān)鍵詞:單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一.主要功能指標(biāo)和系統(tǒng)方案選擇1．信號(hào)產(chǎn)生器指標(biāo)分析由于測(cè)試用信號(hào)發(fā)生器相對(duì)獨(dú)立，可以先進(jìn)行設(shè)計(jì)，這部分必須完成兩個(gè)模塊的工作：一是低頻正弦波的產(chǎn)生；二是F/V變換電路。在這里低頻正弦波的產(chǎn)生可以依賴于現(xiàn)有的芯片完成。ICL8038是一款常見的單片集成函數(shù)發(fā)生器，其工作頻率范圍在幾赫茲至幾千赫茲之間，可同時(shí)輸出方波、正弦波、三角波3種波形，配以簡(jiǎn)單的外圍電路，能實(shí)現(xiàn)輸出頻率的線性調(diào)節(jié)，因此，對(duì)于該題目，單片集成發(fā)生器是一種叫理想的選擇。對(duì)于F/V變換器來(lái)說(shuō)，高性能、低成本的LM331是理想的選擇。加上輸出電壓的線性調(diào)整電路，就可得到較好的實(shí)現(xiàn)方案。2.四通道數(shù)據(jù)采集的指標(biāo)分析常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出采用上位機(jī)和下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)模式。下位常采用單片機(jī)完成前端的多路數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)則通常用PC機(jī)或工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理機(jī)結(jié)果顯示。有線常用RS-232或RS-485正弦協(xié)議等，其上可以運(yùn)行地址或數(shù)據(jù)等不同的信號(hào)類型，之間采用分時(shí)或編碼的方式加以區(qū)分。用于采用主從雙MCU系統(tǒng)，所以這部分問(wèn)題的核心在于選擇什么芯片。題目要求采樣四通道，精度為4位。因此可以采用8位的ADC芯片，在于MCU揭開問(wèn)題上，常有并行接口和串行接口兩中方式。這里選用RS-485，因?yàn)樗捎貌罘謧鬏?，兩根傳輸線，有效距離很廣，同時(shí)能方便擴(kuò)展多個(gè)從機(jī)設(shè)備。3.總體設(shè)計(jì)方案圖1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖，它由變送器、A/D轉(zhuǎn)換和LM331轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制構(gòu)成。各部分模塊的作用如下:(1)被測(cè)物理量:需要采集的非電量信號(hào);(2)傳感器變送器:為了把這些非電量轉(zhuǎn)換為電量,需加傳感器變送器,使傳感器變送器輸出的信號(hào)為電壓信號(hào).這里為扭轉(zhuǎn)傳感器，其基本要求如下：量程：－120度~120度;傳感器靈敏度：80mv/度;傳感器分辨率：0.01度;傳感器信號(hào)輸出頻率：<100Hz;(3)儀表放大器:對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大,以便與A/D轉(zhuǎn)換器連接,保證電壓的轉(zhuǎn)換精度;(4)被測(cè)電量:本設(shè)計(jì)采用0V～5V之間的直流電壓作為一路輸入信號(hào);(5)A/D轉(zhuǎn)換器:將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;(6)單片機(jī):是整個(gè)系統(tǒng)的控制器件。本設(shè)計(jì)采用AT89S52為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心;(7)LM331:將小于100Hz的頻率線性變換為-10～10V的電壓，作為電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電壓。圖1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖二.數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)1.正弦波振蕩電路設(shè)計(jì)選用單片集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038構(gòu)成正弦波振蕩器，如圖2所示。圖2正弦波發(fā)生器電路原理圖其中D1的作用是產(chǎn)生一個(gè)較穩(wěn)定的電壓，使得T1集電極獲得一個(gè)較穩(wěn)定的電流約為V1/R2，調(diào)節(jié)RP1可線性地得到Vc.將RP2調(diào)至中間位置，可使得8038的輸出頻率與控制電壓Vc成線性關(guān)系。因此，輸出正弦波的頻率f與其調(diào)節(jié)電位器RP1阻值間關(guān)系為：將參數(shù)代入后，可得調(diào)節(jié)電位器RP1，即改變，可以獲得滿足題意的正弦波輸出。2.F/V變換電路設(shè)計(jì)LM331是專用的F/V轉(zhuǎn)換集成電路,內(nèi)含能隙基準(zhǔn)電源,具有很高的轉(zhuǎn)換精度及溫度穩(wěn)定性。而且頻率適應(yīng)范圍寬、線性好、外圍電路簡(jiǎn)單。LM331內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及相關(guān)外圍元件如圖2所示，其變換的關(guān)系式為：取=100、=4.7、=0.01,則有設(shè)計(jì)要求將小于100Hz的頻率線性變換為-10～10V的電壓，代入?yún)?shù)數(shù)據(jù)可知變換式為這里若取=2475，再用一個(gè)加法電路將輸出的電壓抬高95V/99≈0.96V即滿足電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電壓－10V~10V的要求,也可以選擇其他的值，使電壓達(dá)到最好的值。圖3LM331內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.從機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)從機(jī)系統(tǒng)電路原理如圖4所示。該電路主要由一片51單片機(jī)AT89S52、ADC芯片ADC0809和RS-458電平轉(zhuǎn)換芯片MAX485構(gòu)成。這里由于51系列單片機(jī)P0口作為了普通I/O口用時(shí)集電極開路，所以外接了上拉電阻。主控制器可采用單片機(jī)小系統(tǒng)，只要在其串口接一片MAX485即可，其DE端接在P1,2或其他任何空閑的單片機(jī)口線上。圖4從機(jī)系統(tǒng)的電路原理本設(shè)計(jì)采用ADC0809作為系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0809是TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器,包括一個(gè)8位的逼近型的ADC部分,并提供一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯,為模擬通道的設(shè)計(jì)提供了很大方便.用它可直接將8個(gè)單端模擬信號(hào)輸入,分時(shí)進(jìn)行APD轉(zhuǎn)換,在多點(diǎn)巡回監(jiān)測(cè)、過(guò)程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛,所以本設(shè)計(jì)中選用該芯片作為APD轉(zhuǎn)換電路的核心。三．主要器件說(shuō)明1.LM331芯片說(shuō)明該芯片各引腳功能說(shuō)明如下:腳1為脈沖電流輸出端,內(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源,脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路相同;腳2為輸出端脈沖電流幅度調(diào)節(jié),RS越小,輸出電流越大;腳3為脈沖電壓輸出端,OC門結(jié)構(gòu),輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài),不用時(shí)可懸空或接地;腳4為地;腳5為單穩(wěn)態(tài)外接定時(shí)時(shí)間常數(shù)RC;腳6為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)脈沖輸入端,低于腳7電壓觸發(fā)有效,要求輸入負(fù)脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度Tw;腳7為比較器基準(zhǔn)電壓,用于設(shè)置輸入脈沖的有效觸發(fā)電平高低;腳8為電源Vcc,正常工作電壓范圍為4～40V。工作時(shí)由輸入脈沖Vi觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路,輸出正脈沖的寬度Tw按式Tw=1.1RtCt計(jì)算,其工作原理及波形與555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)時(shí)相同。脈沖經(jīng)內(nèi)部電路恒流變換后從腳1輸出,由外接RC電路濾波變成直流電壓。由于輸出脈沖的高電平寬度是固定的,可見輸出的直流電壓大小與單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)(即輸入觸發(fā)脈沖的頻率)成正比。LM331輸入脈沖的有效頻率范圍1Hz～100kHz,但在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須保證其單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖的寬度Tw≤0.8Tmin(其中Tmin為輸入脈沖周期的最小值),以避免在最高頻率輸入時(shí)出現(xiàn)輸出飽和現(xiàn)象而產(chǎn)生附加的非線性誤差。2At89s52At89s52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程FlashAT89S52。P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。

P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。

在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。

3.ADC0809ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片(1)主要特性1）8路輸入通道，8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）4）單個(gè)＋5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度7）低功耗，約15mW。（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13．22所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近（3）外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖13．23所示。下面說(shuō)明各引腳功能。IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START：A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一＋5V。參考文獻(xiàn):[1]李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.115-128.[2]張毅剛,彭喜源,譚曉昀,曲春波.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈