【正文】 構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個(gè)新的系統(tǒng)。 盡管現(xiàn)在以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術(shù)的發(fā)展方向得到 2 了迅速的發(fā)展，而且組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)并輔以應(yīng)用軟件，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會(huì)對(duì)基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機(jī)具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，而單片機(jī)又具 有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采集，因此能夠開(kāi)發(fā)出能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述 數(shù)據(jù)采集，又稱(chēng)數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個(gè)領(lǐng)域。 數(shù)據(jù)采集是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過(guò)程?，F(xiàn)代測(cè)量中，遠(yuǎn)距離多路測(cè)量已成為日益重要的測(cè)量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于糧庫(kù)、油田、礦井以及飯店等需要同時(shí)監(jiān)控多路溫度、濕度、瓦斯含量等場(chǎng)合 。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。使用單片機(jī)進(jìn)行控制可提高系統(tǒng)智能化、可靠性、實(shí)用性。 70 年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是微處理器及高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變革。原來(lái)由小規(guī)模集成的數(shù)字邏輯電路及硬件程序控制器組成的采集系統(tǒng)被微處理器控制的采集系統(tǒng)所代替。由微處理器去完成程序 控制，數(shù)據(jù)處理及大部分邏輯操作，使系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大地提高，系統(tǒng)硬件成本和系統(tǒng)的重建費(fèi)用大大地降低。 在該系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，而 A/D 是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，他需要考慮的指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、轉(zhuǎn)換誤差等等。而單片機(jī)是該系統(tǒng)的基本的微處理系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)讀取、處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗械娜蝿?wù)。在該系統(tǒng)中采用的是 8051 系列的單片機(jī)。而數(shù)據(jù)的顯示則采用的是 LED 數(shù)碼管。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號(hào)調(diào)理電路，多路切換電路，采樣保持電路， A/D, 3 單片機(jī)等組成。 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。要求：具有現(xiàn)場(chǎng)采集和顯示功能。采集方式可控制?，F(xiàn)場(chǎng)模擬產(chǎn)生一正弦波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率到電壓的變換，從而供給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示，采集可控制，通道可選擇，能夠同時(shí)顯示地址和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。要求熟悉單片機(jī)電路和編程、 A/D轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)顯示等知識(shí)。 設(shè)計(jì)方案的確定 方案一 ： 該方案系統(tǒng)原理框圖如圖 21所示 ,它能基本完成所要求實(shí)現(xiàn)的功能。 ATMEL單片機(jī)的 ATMEGA16 芯片，該芯片自帶有一個(gè) 10 位的逐次逼近型 ADC。但是存在不足之處是：外接器件太多 ，接線不方便，編程不方便 ,RS232 接口編程不方便。 圖 21 方案一 方案二： 系統(tǒng)原理框圖如圖 22 所示 ,它能完成所要求實(shí)現(xiàn)的全部功能。 ADC0809 逐漸逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器：它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉(zhuǎn)換器，能對(duì) 8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和 A/D 轉(zhuǎn)換的功能。此方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉元件少、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 其中： 4 AT89C52 ( 主控芯片 ) : CPU 作為該系統(tǒng)的核心控制芯片 , 起采集、控制顯示的作用。 顯示模塊： 采用單個(gè)和四位一體共陰 LED 數(shù)碼管各一個(gè) ，分別用來(lái)顯示通道號(hào)和采集到的數(shù)值。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：采用 ADC0809 進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以供給單片機(jī)采集數(shù)據(jù)。 F/V 轉(zhuǎn)換模塊：頻率到電壓的轉(zhuǎn)換，采用 精密的頻率電壓（ F/V）轉(zhuǎn)換器 LM331。 信號(hào)發(fā)生模塊： 高精度正弦 ,方形 ,三角 , 鋸齒波和脈沖 的 波形發(fā)生器ICL8038。 圖 22 方案二 鑒于上面兩種方案，在價(jià)格、轉(zhuǎn)換速度、實(shí)用等多種標(biāo)準(zhǔn)考量下，本設(shè)計(jì)選用方案二。 3 系統(tǒng)原理和硬件電路設(shè)計(jì) 正弦信號(hào)發(fā)生模塊設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì)要求制作一個(gè)正弦波發(fā)生器，控制振蕩頻率在 200Hz 到 2021Hz 范圍變化，并達(dá)到盡可能好的 R/F 線性度，從而保證經(jīng) F/V 變換后，使 R/V 之間具有良好的線性度關(guān)系。 正弦信號(hào)發(fā)生模塊主要采用集成函數(shù)發(fā)生器 ICL8038， ICL8038 函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢(shì)壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，具有電源電壓范正弦波發(fā)生器 ICL8038 MCU 89C52 信號(hào)放大及整形 其他 6 路電阻分壓信號(hào) F/V 轉(zhuǎn)換 LM331 數(shù)碼管顯示 按鍵控制 電源 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC0809 信號(hào)放大及調(diào)理 5 圍寬、穩(wěn)定度好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。 ICL8038 及外圍電路如圖 31所示，由 8腳輸入外部控制電壓，調(diào)節(jié)電位器P1 即可使 2 腳輸出的正弦波信號(hào)頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)外部壓控振蕩 。 10， 11 腳之間接 0． 01 μ F 的振蕩電容， 4， 5 腳接電阻和電位器，調(diào)節(jié)正弦波失真。 圖 31 ICL8038及外圍電路 精密波形發(fā)生器 ICL8038 圖 32為 ICL8038 的管腳圖，下面介紹各引腳功能。 腳 12（ Sine Wave Adjust）：正弦波失真度調(diào)節(jié) Du；腳 2（ Sine Wave Out）：正弦波輸出；腳 3（ Triangle Out）：三角波輸出；腳 5（ ty Cycle Frequency）：方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對(duì)稱(chēng)調(diào)節(jié)；腳 6（ V＋ ）：正電源177。 10V～177。 18V；腳 7（ FM Bias）：內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸；腳 8(FM Sweep)：外部掃描頻率電壓輸入；腳 9（ Square Wave Out）：方波輸出，為開(kāi)路結(jié)構(gòu)；腳10（ Timing Capacitor）：外接振蕩電容；腳 11（ VorGND）：負(fù)電原或地；腳 114（ NC）：空腳。 6 圖 32 ICL8038管腳圖 信號(hào)放大整形器件 LM358 圖 33為采用 LM358 設(shè)計(jì)的信號(hào)放大整形及調(diào)理電路。圖 31中由 ICL8038產(chǎn)生的正弦波信號(hào)先經(jīng)過(guò) 1 μ F 電容高通濾波 ，再經(jīng) LM358 反向放大 2倍，然后經(jīng)比較器，輸出對(duì)應(yīng)頻率的方波信號(hào)，作為 LM331 的輸入。 圖 33 放大整形電路 頻率電壓變換模塊設(shè)計(jì) 頻率電壓變換模塊的設(shè)計(jì)采用集成芯片 LM331， LM331 采用新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 5． O V 電源電壓下都有極高的精度。LM331 的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá) 100 dB；線性度好，最大非線性失真小于 O． 01％，工作頻率低到 0． 1 Hz 時(shí)尚有較好的線性度；轉(zhuǎn)換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá) 12 7 位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成 V／ F或 F／ V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。 本系統(tǒng)中的所設(shè)計(jì)的頻率電壓變換電路如圖 34 所示。電路中的電位器 P1調(diào)節(jié)零點(diǎn)，使頻率為 200Hz 時(shí)輸出為 1V。電位器 P1調(diào)節(jié)滿度，使頻率為 2021Hz時(shí)輸出為 5V,重復(fù)調(diào)節(jié)數(shù)次即可調(diào)整好。 圖 34 LM331外圍電路 F/V 轉(zhuǎn)換器 LM331 圖 35為 LM331 的內(nèi)部邏輯圖，下面介紹各引腳功能。 圖 35 LM331的內(nèi)部邏輯圖 8 LM331 可用作精密的頻率電壓（ F/V）轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器以及其他相關(guān) 的器件。 LM331 為雙列直插式 8 腳芯片， LM331內(nèi)部有（ 1）輸入比較電路、（ 2）定時(shí)比較電路、（ 3） RS 觸發(fā)電路、（ 4）復(fù)零晶體管、（ 5）輸出驅(qū)動(dòng)管、（ 6）能隙基準(zhǔn)電路、（ 7）精密電流源電路、（ 8）電流開(kāi)關(guān)、（ 9）輸出保護(hù)點(diǎn)路等部分。輸出管采用集電極開(kāi)路形式，因此可以通過(guò)選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應(yīng) TTL、 DTL 和CMOS 等不同的邏輯電路。此外， LM331 可采用單 /雙電源供電，電壓范圍為 4～40V，輸出也高達(dá) 40V。引腳 1 為電流源輸出端，在引腳 3 輸出邏輯低電平時(shí)，電流源輸 出對(duì)電容 CL充電。引腳 2為增益調(diào)整，改變 RS 的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。引腳 3 為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由 Rt 和 Ct 決定。引腳 4 為電源地。引腳 5 為定時(shí)比較器正相輸入端。引腳 6為輸入比較器反相輸入端。引腳 7為輸入比較器正相輸入端。引腳 8 為電源正端。 信號(hào)調(diào)理器件 LM324 200 Hz～ 2 kHz 的方波信號(hào)經(jīng)過(guò) LM331 頻率電壓變換芯片后，產(chǎn)生的信號(hào) Vo為 O． 22～ 2． 22 V，為符合 200 Hz～ 2 kHz 對(duì)應(yīng)于 1～ 5 V，故需對(duì) Vo 進(jìn)行調(diào)理，方案中的運(yùn)算電路如圖 36 所示。 圖 36 放大整形電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) ST 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng) ST 上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間， ST 應(yīng)保持低電平。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng) 9 EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 OE 為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0，