【正文】 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。因此，要求輸入同一瞬時(shí)的模擬量在整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持不變，但在轉(zhuǎn)換之后，又要求 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出端能跟蹤輸入模擬量的變化。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。表 2 所示為 RG選擇不同的阻值，對(duì)應(yīng)的增益值。 7121310811645111423A D 5 21+ 15 V1 5 VRG1 0KRs 1 00 K輸入輸出 圖 AD521 的外部接線圖 因?yàn)檫x擇 RS=100 千歐姆177。選擇 RS=100 千歐姆177。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)。 AD521 放大器的典型外部接線圖如圖 所示。 （ 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(guò)載能力。 作為一個(gè)精密的儀用放大器， AD521 僅有兩只增益調(diào)整電阻 RG和 RS，通過(guò)調(diào)整 RG和 RS的阻值，可使放大器在 ～ 1000 增益值范圍內(nèi)取得任意值，電阻 RG和 RS之比率的調(diào)整不會(huì)影響 AD521 的高 CMR（達(dá) 120dB），或高輸入阻抗（ 3 109歐姆）。因此由差分輸入電壓所產(chǎn)生的不平衡電流流過(guò)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： IX1 △=△VO/RS BG4 BG3 BG1 BG2 2I 2I 鏡 象 電 流 源 U+ U 敏感端 輸出端 IVI/RG I+VI/RG RG VI/RG=△I RS IX2 I I 基準(zhǔn)端 VI 畢業(yè)論文 14 GSIO RRVVG ?? (22) 可見(jiàn)，只要適當(dāng)改變 RS / RG之比值即可改變放大器增益。 AD521 放大器的簡(jiǎn)化原理如圖 所示。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]。s畢業(yè)論文 13 定時(shí)中斷，在中斷處理程序中采集數(shù)據(jù)，當(dāng)然在實(shí)際中中斷時(shí)間應(yīng)該大于 這個(gè)數(shù)值。s 切換一次通道，采集一個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)踐中用定時(shí)器控制采樣時(shí)序。 （ 2）準(zhǔn)確定時(shí) 實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，并且每次采樣的間隔也有嚴(yán)格的要求。消除抖動(dòng)的常用方法有兩種：一種是用硬件方法來(lái)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(lái)解決。若此時(shí)采集多路開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)，就可能引入很大的誤差。其真值表如表 1所示。 （ 2） CD4051 原理 在用作 8 選 1 模擬多路開(kāi)關(guān)時(shí)， CD4051 有 8 個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，在 3個(gè)選擇輸入端 A、 B、C 的控制下，從 8 個(gè)模擬開(kāi)關(guān)中選擇 1 個(gè)模擬開(kāi)關(guān)使之導(dǎo)通，將相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)通過(guò)導(dǎo)通的模擬開(kāi)關(guān)送到公共輸出端。 OUT：輸出 /輸入公共端。 S0～ S7： 8 個(gè)通道的輸入輸出通道。 INH=1 時(shí)，所有通道均被斷開(kāi)；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）。當(dāng) CBA=000B～ 111B 時(shí)，可選擇通道 S0～ S7。 VDD與 VEE之差最大為 16V。 VSS接地。開(kāi)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(kāi)關(guān)控制的需要。 ，導(dǎo)通電阻 RON為 125 歐姆， 關(guān)斷漏電流為 ，開(kāi)關(guān)時(shí)間為 120ns。 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(kāi)關(guān) CD4051。它一方面取決于多路開(kāi)關(guān)建立時(shí)間，并與規(guī)定的建立精度有關(guān)，另一方面為了避免兩個(gè)通道同時(shí)接通，多路開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為“先斷后通”，這增加了斷開(kāi)到接通的延時(shí)，影響了通過(guò)率的提高。因此，應(yīng)該根據(jù)最高工作溫度時(shí)的漏電流來(lái)計(jì)算偏移誤差。因?yàn)榈湫偷亩嗦烽_(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻為 200 歐姆～ 200 千歐姆，所以，如果信號(hào)源阻抗在幾百歐姆以下，則作為負(fù)載的采樣 /保持器，其 輸入阻抗應(yīng)在108歐姆以上 [2]。當(dāng)要求精度為 %時(shí)，負(fù)載阻抗就應(yīng)至少是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻與信號(hào)源阻抗之和的 104倍。 傳輸誤差是衡量多路開(kāi)關(guān)的一個(gè)指標(biāo)，多路開(kāi)關(guān)的傳輸誤差包括兩個(gè)方面。多路開(kāi)關(guān)的精度以傳輸誤差的大小來(lái)間接表示。所以根據(jù)器件的價(jià)格和系統(tǒng)的容忍度，選擇 RON的值。 RON使信號(hào)電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流畢業(yè)論文 11 過(guò)開(kāi)關(guān)的電流成正比。本設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn) 8路數(shù)據(jù)采集，所以只選擇 1 片 8 選 1的模擬開(kāi)關(guān)。切換過(guò)程可在 CPU 或數(shù)字電路的控制下完成。 圖 a 晶振電路圖 圖 b 復(fù)位電路圖 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。只要 RESET 保持高電平，則 AT89S51 循環(huán)復(fù)位。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，還可以在程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，按鍵復(fù)位可以擺脫困境。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部的電路實(shí)現(xiàn)的，如圖 b所示。因?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常進(jìn)入復(fù)位的工作 狀態(tài)。所以本設(shè)計(jì)采用晶體振蕩器而不采用陶瓷體振蕩器，如圖 a 所示。兩個(gè)電容的作用是晶體振蕩器的微調(diào)電容。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。 最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外部接晶體（在頻率穩(wěn)定性要求不高而希望盡可能廉價(jià)時(shí)，選擇陶瓷振蕩器）和電容組成斬并聯(lián)諧振回路，不論是 HMOS 還是 CHMOS 型的單片機(jī)其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。 3. 單片機(jī)外接時(shí)鐘電路 AT89S51 的時(shí)鐘可以上兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，另一種方式為外部方式。 P3 口的每一位能驅(qū)動(dòng)（灌入或輸出電流） 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。在訪問(wèn)片外 RAM 時(shí)，它輸出高 8位地址。 P2 口（ ～ ， 21～ 28 腳）： P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I／ O端口。P1 口的每一位能驅(qū)動(dòng)（灌入或輸出電流） 4個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。在此期間， P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。作輸入口使用時(shí)要先寫入 1，這就是準(zhǔn)雙向的含義。 P0 口 (～ ， 39～ 32 腳 )： P0 口是一個(gè)漏極開(kāi)路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口，作為漏極開(kāi)路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS型 TTL 負(fù)載。 畢業(yè)論文 9 RST/VPP(9 腳 )：復(fù)位端，高電平有效。此引腳也同樣可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS型 TTL 負(fù)載。此輸出為訪問(wèn)外部程序存貯器的讀選通信號(hào)。 VPP是對(duì) 8751 片內(nèi) EPROM 固化編程時(shí)，作為施加高編程電壓（一般 12~21V）的輸入端。 EA/VPP(31 腳 )：當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)的是內(nèi)部程序存貯器 (對(duì) AT89S58751 來(lái)說(shuō) )，但當(dāng) PC(程序計(jì)數(shù)器 )值超過(guò)某值（如 8751 內(nèi)部含有 4KB EPROM，值為 0FFFH）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖下降沿用于鎖存 16 位地址的低 8 位。 它控制著計(jì)算機(jī)的節(jié)奏。 XTAL1 在采用外部時(shí)鐘時(shí)，必須接地。 XTAL2 在 AT89S51 在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。 時(shí)鐘引腳 (1 19 腳 )外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。 XTAL1(19 腳 )：接外部晶體的一個(gè)引腳。 各引腳功能簡(jiǎn)要說(shuō)明如下： VCC(40 腳 )：接 +5V 電源。 （ 15）掉電標(biāo)示和快速編程特性。 （ 13）中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)。 畢業(yè)論文 8 （ 11）全雙工串型 UART 通道。 （ 9） 2個(gè) 18 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 （ 7） 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM。 （ 5）全靜態(tài)工作模式： 0Hz33Hz。 （ 3） 1000 次擦寫周期。主要特性： （ 1）與 MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。 2. AT89S51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89S51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能的 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 89S51 指令系統(tǒng)及引腳。由 于 MCS51 系列單片機(jī)具有體積小、功能全、面向控制、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便的特點(diǎn)，因此是工業(yè)實(shí)時(shí)控制、智能控制、測(cè)控領(lǐng)域的首選，具有較高的性價(jià)比。屬于這一系列的單片機(jī)芯片有很多種，如 8031， 8751， 80C31BH， 80C51BH 等等。 MCS51 是 Intel 公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列名稱。 畢業(yè)論文 7 硬件電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及前置放大電路的設(shè)計(jì)，采樣保持電路的設(shè)計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)， PC 通信，電源的設(shè)計(jì)。接通電源后 555 輸出高低變化的電平控制場(chǎng)效應(yīng)管不停的導(dǎo)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。 電源部分 通過(guò)采用 2*6V 的變壓器對(duì) 220V 的輸入交流電進(jìn)行降壓，經(jīng)二極管全波整流，通過(guò)三端穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓，輸出 5V 直流電壓。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。顯示采用 fyd12864，采用串口的方式顯示。本系統(tǒng)主要解決的是怎樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及怎樣進(jìn)行多路的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。在近端與遠(yuǎn)端通信過(guò)程中，采用串行 RS232 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸 [1]。因此， A/D 轉(zhuǎn)換器是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。 畢業(yè)論文 6 A/D 轉(zhuǎn)換部分 因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換功能的器件是 A/D 轉(zhuǎn)換器。實(shí)現(xiàn)這種功能可以用采樣 /保持器來(lái)實(shí)現(xiàn)。否則轉(zhuǎn)換精度沒(méi)有保證，特別當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。 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。放大器的作用是將這些微弱的輸入信號(hào)進(jìn)行放大，以便充分利用 A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程分辨率。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(kāi)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。用模擬多路開(kāi)關(guān)來(lái)輪流切換模擬量與 A/D 轉(zhuǎn)換器間的通道，使得在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)，只允許一路模擬信號(hào)輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換的目的。 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PC 和單片機(jī)的通信部分，鍵盤和顯示部分，系統(tǒng)電源等。 圖 系統(tǒng)總框圖 傳感器 傳感器 傳感器 多路模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 前 置 放 大 單 片 機(jī) 鍵盤 液晶顯示 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 傳感器 串口通信 系統(tǒng)電源 畢業(yè)論文 4 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文 5 硬件設(shè)計(jì)思想 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常運(yùn)行依賴于整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)備的科學(xué)設(shè)計(jì)。硬件設(shè) 計(jì)主要完成多路數(shù)據(jù)采集整個(gè)硬件電路及 I/O 接口的設(shè)計(jì)：包括模擬多路開(kāi)關(guān)電路、運(yùn)算放大電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 PC 和單片機(jī)通信、鍵盤和液晶顯示、電源等組成。 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案及總體設(shè)計(jì)，包括主體電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)（要用到單片機(jī)的控制整個(gè)系統(tǒng)），因此要完成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求。 5. 177。 3. PC 和單片機(jī)的通信。 畢業(yè)論文 3 采 樣 保 持 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 本設(shè)計(jì)用單片機(jī)控制多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文著重介紹該系統(tǒng)的工作原理及硬件設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的主要組成如下： 1. 多路數(shù)據(jù)輸入單元。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)一種多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究，該多路數(shù)據(jù)