【正文】 （ 3）多路數(shù)據(jù)采集的總體設(shè)計(jì)框圖 （ 4）多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理說明 （ 5）多路數(shù)據(jù)原理圖設(shè)計(jì)及說明 5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求： （ 1）論文文本格式嚴(yán)格按照學(xué)校對(duì)本科畢業(yè)生 論文格式的規(guī)定完成 （ 2）要求文字流暢、無錯(cuò)別字、符合設(shè)計(jì)規(guī)范 (3)論文以學(xué)校規(guī)定的“打印版”和 “ 電子版 ”提交給指導(dǎo)老師 6 發(fā)題時(shí)間： 2021 年 2 月 20 日 指導(dǎo)教師： （簽名） 學(xué) 生： （簽名） 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語 指導(dǎo)人： （簽名） 年 月 日 指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語 評(píng)閱人： （簽名） 年 月 日 評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄 日期： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 答辯委員會(huì)下列材料： 1 設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 頁 2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁 3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語 共 頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 答辯委員會(huì) 評(píng)語： 答辯委員會(huì)主任： （簽名） 委員： （簽名） （簽名） （簽名） （簽名） 答辯成績(jī)： 總評(píng)成績(jī)： 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)。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。 本 設(shè)計(jì)中還分析了系統(tǒng)的性能及誤差。 AT89S51 microcontroller。隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大 ， 各種型號(hào)、系列的單片機(jī)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(jià)格比 [1]。 在過程控制及各種儀器表儀表中， 由微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)所加工的信息總是數(shù)字量。 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種高性能、高智能的實(shí)用型多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可達(dá)到對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，濾波等目的。 （ 4）單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)鎖存和 D/A 轉(zhuǎn)換單元。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(jì)。 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(jī)的連接電路部分 ， D/A 轉(zhuǎn)換部分。有規(guī)律地周期性改變 N 個(gè)選通信號(hào)，可以按固定的序列周期性閉合各個(gè)開關(guān)，構(gòu)成一個(gè)周期性分組的 分時(shí)復(fù)用輸出信號(hào)，由后面的 A/D 轉(zhuǎn)換器分時(shí)復(fù)用對(duì)各通道模擬信號(hào)進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換。 （ 2）采樣保持部分 模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)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(shí)間。實(shí)現(xiàn)這種功能可以用采樣 /保持器來實(shí)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。單片機(jī)及外設(shè)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作進(jìn)行管理和控制，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理。切換過程可在 CPU 或數(shù)字電路的控制下完成。 RON使信號(hào)電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過開關(guān)的電流成正比 [3]。多路開關(guān)的精度以傳輸誤差的大小來間接表示。當(dāng)要求精度為%時(shí)，負(fù)載阻抗就應(yīng)至少是開關(guān)導(dǎo)通電阻與信號(hào)源阻抗之和的 104 倍。因此，應(yīng)該根據(jù)最高工作溫度時(shí)的漏電流來計(jì)算偏移誤差。 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 開關(guān) CD4051。開關(guān)部分的供電電壓為 VEE（低端）和 VDD（高端），因此需要的控制電壓為 VEE～ VDD，電平轉(zhuǎn)換電路將輸入的邏輯控制電壓（ A、 B、 C、 INH 端）從 VSS～ VDD轉(zhuǎn)換到 VEE～ VDD以滿足開關(guān)控制的需要。 VDD與 VEE之差最大為 16V。 INH=1 時(shí)，所有通道均被斷開；當(dāng) INH=0 時(shí)，則根據(jù) CBA 的值選擇一個(gè)確定的通道與輸出接通（即可選擇一個(gè)由 CBA 確定的輸入通道與輸出通道）。 OUT：輸出 /輸入公共端。其真值表如表 1 所示。消除抖動(dòng)的常用方法有兩種：一種是 用 硬件 方法 來實(shí)現(xiàn)，即用 RC 濾波器除抖動(dòng)；另一種是用軟件延時(shí)的方法來解決。實(shí)踐中用定時(shí)器控制采樣時(shí)序。s 定時(shí)中斷，在中斷處理程序中采集數(shù)據(jù)。因此，在進(jìn)行非電量 到 電量轉(zhuǎn)換之后，需要 將 信號(hào)放大 [4]。因此由差分輸入電壓所產(chǎn)生的不平衡電流流過另一個(gè)外接電阻 RS，由于反饋放大器的作用，該放大器的輸出電壓 Vo 和電阻 RS兩端的電壓保持相等，因此可得： GSIO RRVV ? (21) 即放大器的放大倍數(shù)的計(jì)算公式為 22 所示： GSIO RRVVG ?? (22) 可見，只要適當(dāng)改變 RS / RG之比值即可改變放大器增益。 （ 2） 輸入端可承受的差動(dòng)輸入電壓可達(dá) 30V，有較強(qiáng)的過載能力 。引腳 RG(2， 14）用于外接電阻 RG，電阻 RG用于調(diào)整放大倍數(shù)。 7121310811645111423A D 5 21+ 15 V1 5 VRG1 0KRs 1 00 K輸入輸出 圖 3 AD521 的外部接線圖 因?yàn)檫x擇 RS=100 千 歐姆 177。尤其是在同步測(cè)量系統(tǒng)中，幾個(gè)通道的模擬量均需取同一瞬時(shí)值。 當(dāng)輸入信號(hào)為緩慢變化的信號(hào)，在 A/D 轉(zhuǎn)換期間的變化量小于 A/D 轉(zhuǎn)換器的誤差，且不是多通道同步采樣時(shí)，則可以不用采樣 /保持電路。為使保持階段 CH上的電荷不被負(fù)載放掉，在保持電容 CH與負(fù)載之間需加一個(gè)高輸入阻抗緩沖放大器 A。 圖 4 采樣 /保持器原理圖 1. 采樣 /保持電路的主要參數(shù) （ 1）孔徑時(shí)間 tAp 在采 樣 /保持 電路中，由于模擬開關(guān) S 有一定的動(dòng)作滯后，保持命令發(fā)出后到模擬開關(guān)完全斷開所需的時(shí)間稱為孔徑時(shí)間 tAp。 （ 3）保持電壓衰減率 在保持狀態(tài)下，由于保持電容的漏電流會(huì)使保持電壓發(fā)生變化，式 23 中 ID為保持階段保持電容 CH 的泄漏電流，它包括緩沖放大器的輸入電流、模擬開關(guān)斷開時(shí)的漏電流、電容內(nèi)部的漏電流等。 HDtu CIdd ?0 (23) 2. 采樣 /保持器的選擇 與連接電路 采樣 /保持器的選擇，是以速度和精度作為最主要的因素。單片集成 /保持器大都需要外接保持電容。25℃ ， 所 以 增 益 誤 差 為1510625 % 偏移溫漂 誤 差 偏移溫漂約為 30μV/℃ ，溫度變化177。取 dU/dt（ 25℃ ） =10μV/μs，則+50℃ 時(shí)該值將增為 10 倍。它由一個(gè)高性 能的運(yùn)算放大器、低漏電阻的模擬開關(guān)和一個(gè)由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管集成的放大器組成 [5]。該時(shí)間與所選擇的保持電容有關(guān)，電容值越大，捕捉時(shí)間越長(zhǎng)，它影響采樣頻率。 （ 4） 輸入信號(hào)電平可達(dá)到電源電壓 177。在高壓 COMS 的邏輯電平為 0V 和 +9V 時(shí)， IN 接入 +5V后，則 0V輸入使芯片處于跟蹤模式， +9V輸入時(shí)芯片工作在保持模式下。因此，在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中加入采樣 /保持器是很有必要的。 ? ? ? ? K H ztttf APC O N VAC 12 1 966m a x ?????????? ??? (25) AD582 是反饋型采樣 /保持器，保持電容接在運(yùn)算放大器 A2 的輸入端 (腳 8)與反相輸入端 (腳 6)之間。%)而速度要求較高時(shí)，可選 CH=100PF，這樣的捕捉時(shí)間 tAC? 6us。 34Us5+Us10CH6O U T P U T8I N9L11L+12+ IN1A D 5 8 20 .0 5 u FCH1 5 V0 .0 5 u F+ 1 5 VRL2K1 0 KUoUi 圖 6 AD582 的連接圖 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)采集對(duì)象的性質(zhì)來選擇其類型。 （ 1） 不帶采 樣 /保持器的 A/D 通道 對(duì)于直流或低頻信號(hào)，通?？梢圆挥貌蓸?/保持器，直接用 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣 。模擬開關(guān)在單片機(jī)控制下 ， 分時(shí)選通各個(gè)通道信號(hào)， 然后把信號(hào) 送采樣 /保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后 送 單片機(jī)處理 。 所以本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用 多路模擬通道共享采樣 /保持器 的方案。 表 4 A/D 轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)誤差 誤差源 性 能 誤 差 量化誤差 177。地址譯碼器由一片 74LS138（ 38 譯碼器）以及門電路組成。(1/2)LSB，一次轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25μs，電源供電為 177。 （ 1）結(jié)構(gòu)與 引腳 AD574 的 引腳圖 如圖 9 所示。由于芯片內(nèi)部的比較輸入回路，接有可改變量程的電阻和雙極型輸入偏置電阻，因此， AD574 的輸入模擬電壓量程范圍有 0V~+10V， 0V~+20V， 5V~+5V， 10V~+10V四種。 CS 與 CE 必須同時(shí)有效， AD574 才能工作，否則 AD574處于禁止?fàn)顟B(tài)。當(dāng) 12/8 =1 時(shí)， 12 位數(shù)據(jù)一次讀出，主要用于 16 位微機(jī)系統(tǒng)； 12/8 =0 時(shí)，可與 8 位單片機(jī)接口。 A0：字選擇線。讀操作中， A0=0 時(shí)，高位數(shù)有效；而 A0=1 時(shí)，則低 4 位數(shù)據(jù)有效。 STS=1 時(shí)，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行； STS=0 時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。將 REF OUT 端通過 100 歐姆的精密電位器接至 REF IN 端即可進(jìn)行滿刻度校準(zhǔn)。 VL：數(shù)字邏輯電路工作電源： +～ +。 單極性模擬輸入有兩種量程： 0～ 10V量程從 AD574 的 10VIN引腳 13 輸入； 0～ 20V湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 量程從 AD574 的 20VIN引腳 14 輸入。雙極性偏移調(diào)節(jié)端 BPLRof 通過電位器 W2接至參考電壓輸出端 REF OUT 以取得 10V 的偏移電壓，參考電壓輸入端 REF IN 通過電位器 W1接至參考電壓輸出端 REF OUT。該電路采用雙極性輸入方式，可對(duì) 5V～ +5v 或 10V～ +10V模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 AT89S