【正文】 8 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ................................................................................................. 12 數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路 ................................................................................................. 17 硬件和單片機的連接電路 .............................................................................. 22 第三章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 .............................................................................................. 26 KEILC51 編譯器簡介 ............................................................................................... 26 uVision2 集成開發(fā)環(huán)境 .................................................................................... 26 編輯器和調(diào)試器 .............................................................................................. 27 程序流程圖 ................................................................................................................ 28 主程序流程圖 ................................................................................................... 28 A/D 轉(zhuǎn)換程序 的 流程圖 和 D/A 轉(zhuǎn)換 程序的 流程圖 ................................... 29 系統(tǒng)總圖 .................................................................................................................... 30 第四章 系統(tǒng)性能及誤差分析 ....................................................................................... 31 系統(tǒng)可靠性措施 ......................................................................................................... 31 低功耗措施 ....................................................................................................... 31 抗干擾措施 ....................................................................................................... 31 第五章 結(jié)論 ........................................................................................................................ 32 致 謝 ............................................................................................................................... 33 參考文獻 ............................................................................................................................... 34 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） ii 附錄 1 ..................................................................................................................................... 35 附錄 2（系統(tǒng)硬件總圖） ................................................................................................ 38 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 引言 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究過程的各行業(yè)中，常常要對各種數(shù)據(jù)進行采集，隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為日益重要的技術(shù) ， 廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等行業(yè)。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用的方法有 ， 用微機控制 ， 微機在工業(yè)領(lǐng)域中的一個主要應(yīng)用就是與原有設(shè)備相結(jié)合 ， 構(gòu)成新的數(shù)字化、智能化的測控系統(tǒng) ， 從而提高原有設(shè)備的性能，但微機設(shè)備復(fù)雜、 成本較高，使得微機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)難度、成本都相應(yīng)的提高，從而制約了微機在數(shù)據(jù)采集這方面的應(yīng)用。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大 ， 各種型號、系列的單片機不斷推出 ， 許多新技術(shù)、新工藝被采用 ， 因而具有更高的性能價格比 [1]。 單片機控制的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用非常方便、性能優(yōu)越、運行可靠、廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。 本文利用 AT89S51 單片機設(shè)計了一個多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 著重介紹該系統(tǒng)的特點及實現(xiàn)方法。 本設(shè)計采用單片機作為控制來構(gòu)成多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并完成了軟硬件的設(shè)計。 在過程控制及各種儀器表儀表中， 由微型計算機進行實時控制及實時數(shù)據(jù)處理，單片機所加工的信息總是數(shù)字量。被控制或測量對象的有關(guān)參量往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、濕度、壓力、流量、速度等。 系統(tǒng)通過多路模擬開關(guān)采集多路數(shù)據(jù)，使其通過多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，把采集到的多路模擬信號經(jīng)過放大、采樣保持、A/D(Analog to Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 )轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入單片機進行處理，處理后發(fā)出的數(shù)字信號經(jīng)過 D/A(Digital to Analog Converter，數(shù)模轉(zhuǎn)換器 )[2]轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號。從 而達到采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控，濾波等目的。 本設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了一種高性能、高智能的實用型多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可達到對收集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，濾波等目的。 本設(shè)計的主要任務(wù) 本 設(shè)計用單 片機控制多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 本文 著重介紹該系統(tǒng)的工作原理及硬件與軟件設(shè)計， 本 設(shè)計 的主要組成如下 ： （ 1）多路數(shù)據(jù)輸入單元。 （ 2）采樣保持電路的 A/D 轉(zhuǎn)換單元。 （ 3）硬件和單片機的連接電路。 （ 4）單片機輸出的數(shù)據(jù)鎖存和 D/A 轉(zhuǎn)換單元。 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案及總體設(shè)計，包括主體電路的設(shè)計和單片機控制電路的設(shè)計（要用到單片機的控制整個 系統(tǒng)），因此要完成單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計并完湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 采 樣 保 持 成軟件調(diào)試，以滿足整個系統(tǒng)的要求。 整個系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件設(shè)計主要完成多路數(shù)據(jù)采集整個硬件電路及 I/O 接口的設(shè)計：包括 模擬 多路開關(guān) 電路 、運算放大 電路 、采樣保持 電路 、模數(shù)轉(zhuǎn)換 電路 、 硬件和 單片機 的連接電路、 數(shù)模轉(zhuǎn)換 電路 、轉(zhuǎn)換開關(guān)保護電路等組成；軟件設(shè)計主要完成控制整個系統(tǒng)的應(yīng)用程序與調(diào)試。包括主程序、 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換程序、多路開關(guān)控制以及 I/O 接口控制等程序的設(shè)計。 系統(tǒng)總框圖如圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)總框圖 器數(shù)據(jù) 傳感器 傳感器 多 多路模擬開關(guān)路 轉(zhuǎn) 換 開 關(guān) 前 置 放 大 單 片 機 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 執(zhí) 行 機 構(gòu) 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 傳感器 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件設(shè)計思想 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常運行依賴于整個系統(tǒng)硬件設(shè)備的科學(xué)設(shè)計。根據(jù)課題設(shè)計任務(wù)的要求，結(jié)合軟件的設(shè)計，選擇合適的電路元件，設(shè)計合理的接口電路以便能夠高效率、穩(wěn)定合理、方便的 實現(xiàn) 多路數(shù)據(jù)采集。 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分分為多路數(shù)據(jù)輸入部分，采樣保持部分， A/D 轉(zhuǎn)換部分，硬件和單片機的連接電路部分 ， D/A 轉(zhuǎn)換部分。 （ 1）多 路數(shù)據(jù)輸入部分 在不要求高速采樣的場合，一般采用共享的 A/D 轉(zhuǎn)換通道，分時對各路模擬量進行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，目的是簡化電路，降低成本。用模擬多路開關(guān)來輪流切換模擬量與 A/D 轉(zhuǎn)換器間的通道，使得在一個特定的時間內(nèi)，只允許一路模擬信號輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器，從而實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換的目的。 一般模擬多路開關(guān)有 2N 個模擬輸入端， N 個通道選擇端，由 N 個選通信號控制選擇其中一個開關(guān)閉合，使對應(yīng)的模擬輸入端與多路開關(guān)的輸出端接通，讓該路模擬信號通過。有規(guī)律地周期性改變 N 個選通信號，可以按固定的序列周期性閉合各個開關(guān)，構(gòu)成一個周期性分組的 分時復(fù)用輸出信號，由后面的 A/D 轉(zhuǎn)換器分時復(fù)用對各通道模擬信號進行周期性的轉(zhuǎn)換。 在數(shù)據(jù)采集時，來自傳感器的模擬信號，一般都是比較弱的電平信號，因此需要放大電路把輸入的模擬信號進行適當(dāng)?shù)姆糯?。放大器的作用是將這些微弱的輸入信號進行放大，以便充分利用 A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程分辨率。為了充分利用 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率（ A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字位數(shù)），就要把模擬輸入信號放大到與 A/D 轉(zhuǎn)換器滿量程電壓相應(yīng)得電平值。 （ 2）采樣保持部分 模擬信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間。在這個轉(zhuǎn)換 時間內(nèi)，模擬信號要基本保持不變。否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，特別當(dāng)輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在 A/D 轉(zhuǎn)換開始時將輸入信號的電平保持住，而在 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后又要跟蹤輸入信號的變化。實現(xiàn)這種功能可以用采樣 /保持器來實現(xiàn)，因而，由于采樣 /保持器的加入，大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集頻率。 （ 3） A/D 轉(zhuǎn)換部分 因為單片機只能處理數(shù)字信號，所以需要把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換功能的器件是 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器是采樣通道的核心，因此， A/D 轉(zhuǎn)換器是影響湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速 率和精度的主要因素之一。 （ 4）硬件和單片機的連接部分 該部分用來將傳感器輸出的數(shù)字信號進行整形或電平調(diào)整，然后再傳給單片機。單片機及外設(shè)負責(zé)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作進行管理和控制，并對采集到的數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理。 （ 5） D/A 轉(zhuǎn)換部分 D/A 轉(zhuǎn)換部分也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個重要部分，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作為關(guān)鍵器件，用來把單片機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，并送入執(zhí)行機構(gòu)進行控制或調(diào)節(jié)。 硬件電路設(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，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 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) CD405雙 4 選 1 開關(guān) CD405三3 選 1 開關(guān) CD4053 等。本設(shè)計是實現(xiàn) 32 路數(shù)據(jù)采集，所以選擇 4 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 [3]。 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。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