【正文】 2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2021 年 2 月 20 日開始至 2021 年 6月 5 日止 3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料： （ 1） 單片機(jī)原理與實(shí)用技術(shù) （ 2） Bernard Rose. Analog to Digital and Digital to Analog Conversion （ 3） 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容： （ 1）介紹多路數(shù)據(jù)采集的發(fā)展歷史、現(xiàn)況及將來的發(fā)展趨勢 （ 2） 簡介單片機(jī)的原理、作用 （ 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： 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： 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： 總評(píng)成績： 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 設(shè)計(jì)中還分析了系統(tǒng)的性能及誤差。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]。 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)到對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，濾波等目的。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)。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)用對各通道模擬信號(hào)進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換。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。切換過程可在 CPU 或數(shù)字電路的控制下完成。多路開關(guān)的精度以傳輸誤差的大小來間接表示。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。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。 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）。其真值表如表 1 所示。實(shí)踐中用定時(shí)器控制采樣時(shí)序。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]。 （ 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 。 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。 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。 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。 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。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。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)型場效應(yīng)管集成的放大器組成 [5]。 （ 4） 輸入信號(hào)電平可達(dá)到電源電壓 177。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。%)而速度要求較高時(shí)，可選 CH=100PF，這樣的捕捉時(shí)間 tAC? 6us。 （ 1） 不帶采 樣 /保持器的 A/D 通道 對于直流或低頻信號(hào)，通?？梢圆挥貌蓸?/保持器，直接用 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣 。 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。地址譯碼器由一片 74LS138（ 38 譯碼器）以及門電路組成。 （ 1）結(jié)構(gòu)與 引腳 AD574 的 引腳圖 如圖 9 所示。 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)。 A0：字選擇線。 STS=1 時(shí)，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行； STS=0 時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 VL：數(shù)字邏輯電路工作電源： +～ +。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。 AT89S51 的控制線RD 和 WR 通過與非門接 AD574 的 CE 端。讀高 8 位結(jié)果時(shí)，要求 A0=0， R/C=1；讀低 4 位結(jié)果時(shí)，要求 A0=1， R/C=1。此外，根據(jù)需要可能還要有零點(diǎn)和滿度調(diào)節(jié)部件。另一種方式是使用采樣保持器保持輸出量，各通道共享一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器，通過多路開關(guān)進(jìn)行切換。絕對精度可用 LSB 的個(gè)數(shù)或它與滿刻度值之比的百分?jǐn)?shù)（ %）來表示。 3. 選用 D/A 芯片 集成電路 D/A 轉(zhuǎn)換器是將精密電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、甚至包括基準(zhǔn)電源和運(yùn)算放大器集成 在 同一芯片上，而且和 8 位或 16 位微處理器兼容，可直接接口，或只需少量外圍電路即可構(gòu)成完整的 D/A 轉(zhuǎn)換器。按模擬開關(guān)工藝分類有雙極型、 JFET型和 MOS 型，它們的速度和精度不同；按結(jié)構(gòu)有帶或不帶數(shù)據(jù)鎖存器之分；按輸出形式有電壓型和電流型之分；等等。 電流穩(wěn)定時(shí)間： 1μs。另外，還可以在多個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 利用第二級(jí)鎖存信號(hào)實(shí)現(xiàn)多路 D/A 的同時(shí)輸出。以上三個(gè)控制信號(hào)構(gòu)成第一級(jí)輸入鎖存。 2WR ： DAC寄存器選通信號(hào)，低電平有效。無論哪種工作方式，只要數(shù)據(jù)進(jìn)入 DAC 寄存器便啟動(dòng) D/A 轉(zhuǎn)換。 單電源供電： + 5V~ + 15V。 DAC0832 是常用的 8位 COMS 電流輸出型乘法 D/A 轉(zhuǎn)換器，由于采用 COMS 電流開關(guān)和控制電路，所以功耗低，輸出漏電流小。 D/A 有多種分類方法，各有不同特點(diǎn)。 （ 3） 相對精度 相對精度是指在零碼誤差和滿刻度誤差校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字代碼所對應(yīng)的實(shí)際模擬輸出值與理論值之間的最大偏差。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約了芯片。 1. D/A 通道的結(jié)構(gòu) 單片機(jī)周期地輸出控制數(shù)據(jù)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在下次數(shù)據(jù)輸出以前，必須將前一次輸出的數(shù)據(jù)保持。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 +5V1R E F IN10ls b D B 016D B 117A N G N D9D B 218D B 319D B 420B P L R o f12D B 521D B 622D B 7231 0V s p n13D B 824D B 9252 0V s p n14D B 1 026m s b 1127R E F o u t8S T A T U S28CE6CS3+ V s7A 0 /S C4R /C5V s111 2/ 82A D 5 74 AA1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y777 4L S 1 38D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE117 4L S 3 73+ 15 V1 5 VVccViP 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07+ 5VRDWRP 10123A7 4L S 0 012A7 4L S 0 434B7 4L S 0 4 圖 11 AD574 與單片機(jī)的接口 數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路 D/A 轉(zhuǎn)換部分也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)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(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，并送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)解。 AT89S51 的 74LS373 接 AD574 的 R/C 端來控制 AD574的轉(zhuǎn)換狀態(tài)和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 （ 4） AD574 與單片機(jī)的接口電路 AD574 的內(nèi)部具有三態(tài)輸出緩沖器，因此可以與單片機(jī)直接接口 [7]。 VEE：模擬電路負(fù)工作電源： ～ 。 20VIN： 20V量程 輸入端。 A0引腳有兩個(gè)作用，一是選擇字節(jié)長度，二是與 8 位微機(jī)接口時(shí)用作選擇讀出字節(jié)。