【導讀】本設計主要完成了基于AT89S51單片機控制的數據采集系統(tǒng)的硬件電路的設計。本系統(tǒng)的硬件設計主要包括：多路轉換開關及前置放大電路的設計，采樣保持電路的設計，模數轉換電路的設計，PC機通信的技術，鍵盤和顯示的設計，系統(tǒng)電源的設計。采樣保持電路的設計中重點介紹了采樣保持電路的原理和主要參數以及采樣保持器的選擇和連接電路。單片機與pc機通信主要是利用MAX232單芯片RC-232標準的接口通信電路。鍵盤和顯示的設計采用八個獨立鍵盤并通過串行通信的方式傳輸到12864中并顯示。電源部分的設計通過采用2*6V的變壓器對220V的輸入交流電進行降壓，經二極管全波整流，通過三端穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓，輸出5V直流電壓，利用555時基電路輸出15V的雙電源電壓。本畢業(yè)設計對一種多路數據采集系統(tǒng)進行了初步的研究，該多路數據采集系統(tǒng)能對多路模擬信號進行采集和處理。

　　

【正文】 出177。15V。、。 開關穩(wěn)壓電源 電路流程框圖本電路采用2*6V的變壓器對220V的輸入交流電進行降壓，由兩個二極管組成全波整流電路，其中CC1C14大電容在電路中起濾波作用，C1C13小電容在電路中起消除干擾，消除電感效應，在經過三端穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓作用，把電壓穩(wěn)定在5V作為電路的輸入電源。利用555時基電路與電阻R2R2R24及電容C組成典型的無穩(wěn)態(tài)振蕩器。R22及R24的上半部分組成充電電阻對電容C進行充電，使555的閥值端6號腳電平不斷升高，當上升到2/3VDD時，555復位，3腳輸出低電平，此時放電管導通，7腳經內部放電管接地為低電平；C15儲存的電荷會通過R22及R24的下半部分向7腳放電使2腳電平不斷下降，當降至1/3VDD時，555又置位，3腳輸出高電平，電源又經R22和R24的上半部分向C15充電……周而復始，電路產生振蕩。3腳就輸出不同的高低電平。接通電源后555的3號腳輸出高低變化的電平控制場效應管VF不停的導通和截止，脈沖寬度變寬，輸出電壓升高；脈沖寬度變窄，輸出電壓降低，從而形成穩(wěn)定的振蕩。此震蕩經脈沖變壓器的放大，再經過電容的整流濾波作用，可得到輸出177。15V的雙電源，輸出電流根據脈沖變壓器的功率一般可達幾十毫安。（1） 7805三端穩(wěn)壓器工作原理 7805三端穩(wěn)壓器電子產品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負電壓輸出的79系列。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO92封裝。引腳1為最高電位，3腳為最低電位，2腳居中。，不論正壓還是負壓，2腳均為輸出端。對于78正壓系列，輸入是最高電位，自然是1腳，地端為最低電位，即3腳用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78后面的數字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7805表示輸出電壓為正5V，7909表示輸出電壓為負9V。（2）555器件的工作原理 555時基電路內部框圖555各引腳功能腳1：電源負端（地線）腳2：為低觸發(fā)器，簡稱觸發(fā)端Vi2（），標志為腳3：輸出電平（輸出端可以將繼電器線圈等負載與它相連，他的最大輸出電流可達200MA，因此可以直接驅動繼電器、玩具電動機等）VO腳4：強制復位端（如果不需要強制復位，可與電源正極相連或懸空）腳5：控制電壓端（該腳可以用來調節(jié)比較器的基準電壓，簡稱控制端。如果不需要調節(jié)，）腳6：閥值電壓（為高觸發(fā)器，也稱閥值端Vi1（TH）），標志為TH腳7：放電端Dis腳8：電源（VDD），～18V它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3。兩個電壓比較器CC2；一個由與非門GG2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。是復位端，低電平有效。復位后, 基本RS觸發(fā)器的端為1（高電平），經反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。（3）CMOSET740工作原理（c）內部結構示意圖（d）電氣圖形符號N溝道FET它以一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，利用擴散工藝在P型襯底上面的左右兩側制成兩個高摻雜的N區(qū)，并用金屬鋁在兩個N區(qū)引出電極，分別作為源極（Source）s和漏極（Drain）d；然后在P型硅片表面覆蓋一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在漏源極之間的絕緣層上再噴一層金屬鋁作為柵極（Gate）g；另外在襯底引出襯底引線（Substrate）B（它通常在管內與源極s相連接）?？梢娺@種管子的源極、漏極是絕緣的，故稱絕緣柵場效應管。襯底B的箭頭方向是PN結正偏時的正向電流方向。導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。 導通：通過特殊工藝加工時在G集成＋電荷，當G加上正電壓UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，在D,S加形成感生N溝道，如圖所示，漏極和源極導電。電力MOSFET特點—— 用柵極電壓來控制漏極電流 驅動電路簡單，需要的驅動功率小 開關速度快，工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。 +5V直流電源電路如圖 ，該電路為輸出5V電源的電路，采用2*6V的變壓器對220V的輸入交流電進行降壓，由兩個二極管組成全波整流電路，其中CC1C14大電容在電路中起濾波作用，C1C13小電容在電路中起消除干擾，消除電感效應，IC采用集成穩(wěn)壓器7805，把電壓穩(wěn)定在5V。其中三端穩(wěn)壓器7805的作用是消除電網電壓輸入對輸出的影響，使輸出電壓更加穩(wěn)定。當輸出電較大時，7805應配上散熱板。 555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路圖，由555時基電路與電阻R2R2R22及電容C16組成典型的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路。2腳和6腳連在一起，通過在1/3VDD和2/3VDD之間的不停轉換形成各種振蕩。R22及R24的上半部分組成充電電阻對電容C15進行充電（其充電回路為：電源VCC電阻R22R24的上半部分電容C15地線；R24的下半部分和R21組成放電電阻，對電容的放電回路為:電容C15R21電阻R24的下半部分555時基電路7腳內部放電開關到地線；）使555的閥值端6號腳電平不斷升高，當上升到2/3VDD時，555復位，3腳輸出低電平，此時放電管導通，7腳經內部放電管接地為低電平；C15儲存的電荷會通過R22及R24的下半部分向7腳放電使2腳電平不斷下降，當降至2/3VDD時，555又置位，3腳輸出高電平，電源又經R22和R24的上半部分向C15充電……周而復始，電路產生振蕩。3腳就輸出不同的高低電平。當對R24進行調整時，可以使脈沖占空比得到改變。由于調整R24時氣質不會發(fā)生變化的，故不會導致振蕩頻率發(fā)生變化。R22,R24起到分壓的作用，C15起到消除干擾的作用。腳2與腳6直接相連,，脈沖寬度變寬，輸出電壓升高；脈沖寬度變窄，輸出電壓降低，從而形成穩(wěn)定的震蕩。放電端7號腳它的電平高低變化規(guī)律是和輸出端3號腳是同步的，但是7號腳的高電平為”虛高”,實質為懸空，不能向外饋送電流，故確切的說應是高阻狀態(tài)。3號腳的最大輸出電流可達200MA，3號腳高電平為“實高”需要說明的是，該555多諧振蕩器電路，理論上是調節(jié)占空比，頻率的，但實際操作起來，對脈沖占空比的調節(jié)不太明顯，幾乎沒變化。若要在實際操作中想要實現對脈沖占空比的調節(jié)，可以在電路上接兩個二極管。圖 系統(tǒng)電源總圖 系統(tǒng)總圖單片機有4個并行I/O口。本設計采用P0口作為AD574輸入口，P00，P01，P02復用通過Ls373鎖存器分別控制AD574的A/C，A0/C0和片選CS。STS用來指示AD574是否轉換完成通過P27口控制，89S51的RD和WR通過與非門接AD574的CE端，用來使能AD574的數據輸出。P03，P04，P05用來做模擬開關CD4051的控制端。P1口接八個獨立鍵盤用來控制輸出哪路信號的選擇。P2口的P20作為12864液晶的串口輸入，P21控制液晶的片選CS，P21做串行同步時鐘。單片機控制的多路數據采集系統(tǒng)硬件電路圖如附錄一所示。3 程序流程圖開始AT89S51初始化采集一路信號A/D轉換寫入S51采集下一路液晶顯示TI串行口初始化置初值1開中斷取發(fā)送數據Sbuf啟動串行口等待中斷鍵盤掃描是否有按鍵按下計算鍵值按鍵釋放建立有效標志位YNYN是否采集完8路YNTI清0選擇一路顯示是否有按鍵按下YN A/D轉換程序的流程圖開始初始化CE=1，CS=0啟動A/D轉換，R/C=0R/C=1，74LS373處于鎖存狀態(tài) LE=0，數據8位傳入S51LE=1返回STS=1？YN 鍵盤和顯示程序的流程圖開始置P1口為輸入有鍵按下調用去抖動延時子程序有鍵按下鍵值存入按鍵松開P20數據送入液晶顯示調用延時子程序NYNYY4 系統(tǒng)性能及誤差分析1．盡可能選用低功耗的CMOS芯片。，液晶顯示器本身就是低功耗器件，并且其在顯示數據時不需要連續(xù)動態(tài)掃描顯示，固定的數據只需執(zhí)行一次顯示操作即可，直到要顯示另外的數據才要再次執(zhí)行顯示操作否則CPU可以不用理睬它，利用此時進行別的工作或者進入待機狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)的功耗。，選用低功耗待機方式，使系統(tǒng)在空閑時處于待機低功耗狀態(tài)，這樣也可降系統(tǒng)的功耗。1. 硬件抗干擾措施（1）設計印刷電路板時。加寬電源線和地線的寬度。（2）在每個集成芯片的電源附近都增加了濾波電容。2. 軟件容錯性和采取的抗干擾措施（1）軟件容錯性是軟件性能的一項重要指標。主要是防止由于操作者的誤操作或其它原因使系統(tǒng)發(fā)生異常退出或死機情況，避免給操作者造成不便，甚至丟失數據，且直到條件滿足時才執(zhí)行操作。（2）軟件抗干擾措施主要就是采用在測量數據時，進行多次測量求取平均值來作為測量結果的數字濾波方法來低隨機噪聲。5 結 論本設計主要完成了基于AT89S51單片機控制的數據采集系統(tǒng)的硬件電路設計以及相應的軟件設計。本系統(tǒng)的硬件設計主要包括：多路轉換開關及前置放大電路的設計，采樣保持電路的設計，模數轉換電路的設計，PC機通信的技術，鍵盤和顯示的設計，系統(tǒng)電源的設計。多路轉換開關及前置放大電路的設計中重點介紹了多路開關的選擇、AD521放大倍數的計算以及多路開關CD4051和放大器AD521硬件連接電路。采樣保持電路的設計中重點介紹了采樣保持電路的原理和主要參數以及采樣保持器的選擇和連接電路。模數轉換電路的設計中重點介紹了系統(tǒng)A/D通道的選擇和A/D轉換器的各項誤差分析以及A/D轉換器AD574的介紹、輸入方式和連接電路。單片機與pc機通信主要是利用MAX232單芯片實現S51單片機與PC機的RC232標準的接口通信電路。鍵盤和顯示的設計采用八個獨立鍵盤并通過串行通信的方式傳輸到12864中并顯示。電源部分的設計通過采用2*6V的變壓器對220V的輸入交流電進行降壓，經二極管全波整流，通過三端穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓，輸出5V直流電壓。利用555時基電路與電阻及電容組成典型的無穩(wěn)態(tài)振蕩器得到輸出15V的雙電源電壓。 硬件設計中還介紹了單片機的選擇，單片機AT89S51的時鐘電路和復位電路。本系統(tǒng)的軟件設計主要包括各部分的流程圖的設計。本設計中還分析了系統(tǒng)的性能及誤差。當然，因為時間緊湊以及自己的知識水平有限等原因，本次設計也留下了一點遺憾。比如不能對所設計的整個系統(tǒng)進行調試及仿真，因而也就沒能做出實物出來。畢業(yè)設計是對大學階段所學知識的一個總結。由于本身知識水平以及時間有限，可能有很多問題還沒有發(fā)現，希望老師和同學給予指出。謝 辭大學四年的學習生活一晃而過，畢業(yè)論文設計是檢驗我們平時工作學習成績的一個很好的機會。通過這幾個月的精心準備和查閱文獻資料熟悉本次設計課題的相關內容，論文終于告一段落。通過此次設計，我從中受益匪淺。我不僅學到了更多新的專業(yè)知識拓寬了知識面，鞏固了我所學的知識，而且也鍛煉了我的實踐動手能力，培養(yǎng)了我獨立思考問題并及時解決問題的好習慣。更重要的是培養(yǎng)了我勇于鉆研和創(chuàng)新的精神。在論文的設計過程中，我查閱大量的相關資料并作了詳細的記錄、分析和吸收，做到認真、細致地去理解領會別人的思維方法，學習別人好的成果和方法?？蒲泄ぷ魇瞧D苦的，面對各種各樣的困難和挑戰(zhàn)，需要他們冷靜的頭腦和敏銳的視角。我從中品嘗到了過程的艱辛和成功后的喜悅，這些都有利于我今后的成長。最后我要衷心地感謝許鴻奎老師。感謝他悉心的指導和莫大的幫助，讓我能夠順利的完成此次設計。同時也非常感謝信息與電氣工程學院的各位領導和各位老師四年來給予我的教誨和指導,感謝圖書館老師在我查找資料時給予的理解支持和幫助。感謝在大學學習期間與我一起度過的所有老師和同學們，這段難忘的時光是我一生的財富！參考文獻[1] 李伯成．基于MCS51單片機的嵌入式系統(tǒng)設計[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2004.[2] [M]．蘇州：蘇州大學出版社，2004.[3] [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005.[4] [M]．西安：西安電子科技大學出版社，2001.[5] [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005.[6] 李昌禧 .智能儀表原理與設計[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2005.[7] [M]．北京：中國電力出版社,2008. [8] [M]．北京：北京航空航天大學出版, 2008.[9] [M]．西安：西安電子科技大學出, 2010.[10]Malvino . Digital Computer Electronics. McGrawHill Publishing Co. ,1997.[11] NEURON CHIP Distributed Communication and Control Processors. Motolora Inc. ,1994.附 錄一、系統(tǒng)總圖二、系統(tǒng)PCB圖 48