【正文】 格式的規(guī)定完成 （ 2）要求文字流暢、無錯別字、符合設(shè)計規(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（論文）指導(dǎo)人評語 指導(dǎo)人： （簽名） 年 月 日 指導(dǎo)人評定成績： 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語 評閱人： （簽名） 年 月 日 評閱人評定成績： 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄 日期： 學(xué)生： 學(xué)號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計（論文） 答辯委員會下列材料： 1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁 2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁 3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文） 答辯委員會 評語： 答辯委員會主任： （簽名） 委員： （簽名） （簽名） （簽名） （簽名） 答辯成績： 總評成績： 摘 要 本設(shè)計主要完成了基于 AT89S51 單片機控制 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的硬件電路設(shè)計以及相應(yīng)的軟件設(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。采樣保持電路的設(shè)計中重點介紹了采樣保持電路的原理和主要參數(shù)以及采樣保持器的選擇和連接電路。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計中重點介紹了 D/A 通道的選擇， D/A 轉(zhuǎn)換器的選擇以及 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 的介紹、連接電路和 DAC0832 的輸出方式。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括編譯器的選擇，各部分的流程圖以及程序 的設(shè)計。 本設(shè)計基本上實現(xiàn)了對多路數(shù)據(jù)采集的設(shè)計，但是由于 時間緊湊以及自己的知識水平有限等原因， 沒有 對所設(shè)計的整個系統(tǒng)進行調(diào)試及仿真，因而也就沒能做出實物出來 ；同時 可能有很多問題還沒有發(fā)現(xiàn)，希望老師和同學(xué)給予指出 。 the same time There may be many problems have not been found, giving hope that teachers and students. Keywords: data acquisition。 CD4051。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。 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。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。從 而達到采集數(shù)據(jù)，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。 （ 3）硬件和單片機的連接電路。 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。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。 系統(tǒng)總框圖如圖 1 所示。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。 （ 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。 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。 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?shù)姆糯蟆榱顺浞掷?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。在這個轉(zhuǎn)換 時間內(nèi)，模擬信號要基本保持不變。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。 （ 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。 （ 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。 （ 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)。 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。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。 模擬多路開關(guān)中，不可避免導(dǎo)通電阻 RON的存在。 設(shè)計中 希望 RON越小越好，但是 RON越小的器件價格越高。 多路開關(guān)的主要參數(shù)是精度和速度。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。 （ 1）多路開關(guān)導(dǎo)通電阻加上信號源阻抗與負載阻抗構(gòu)成了分壓器。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多路開關(guān)的負載一般是采樣 /保持器。 （ 2）多路開關(guān)的漏電流在信號源阻抗上產(chǎn)生偏移電壓，而漏電流與工作溫度關(guān)系很大。 通過率是衡量多路開關(guān)的另一個指標，是多路開關(guān)從一個通道切換并使下一個通道建立到規(guī)定精度所能達到的最高切換率。在確定多路開關(guān)的通過率時，要跟據(jù)系統(tǒng)的采樣速率來考慮。 CD4051的模擬信號范圍為 177。 2. 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) CD4051 CD4051 由電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼驅(qū)動電路和 CMOS 模擬開關(guān)電路三部分組成。 （ 1） CD4051 的引腳功能及使用方法 VEE、 VDD、 VSS：電源線。單極性信號輸入時， VEE和 VDD分別接地和正電壓，雙極性輸入時， VEE和 VDD分別接負電壓和正電壓。 C、 B、 A：通道地址。 INH：禁止控制端。使用該控制端還可以方便地實現(xiàn)多通道的擴展。當用作多到一開關(guān)使用時為輸入線，當用作一到多開關(guān)使用時為輸出線。利用 S0～ S7和 OUT 引線可以完成輸 入 /輸 出 。 CD4051 有 1 個公共輸出端，當該輸入端為高電平時，不 論數(shù)據(jù)輸入端和 輸出 端如何變化，在內(nèi)部的 8 個模擬開關(guān)均為關(guān)斷狀態(tài)。 表 1 CD4051 真值表 INH C B A 所選通道 0 0 0 0 S0 0 0 0 1 S1 … … … … … 0 1 1 1 S7 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 1 S0～ S7均未選中 3．控制程序 （ 1） 消除抖動引起的誤差 和機械開關(guān)類似，多路開關(guān)在通道切換時也存在抖動過程，會出現(xiàn)瞬變現(xiàn)象。影響測量結(jié)果 的準確性。在有微控制系統(tǒng)中，軟件方法較硬件方法更顯優(yōu)勢。這就要求控制器具有嚴格的定時機制。本設(shè)計是對 32路模擬信號進行采集，每路采集 頻 率為 ，那么系統(tǒng)總的采樣 頻 率為 32=40 KHz，也就是 400181。在本設(shè)計的系統(tǒng)中，只需要設(shè)計定時器，實 現(xiàn) 400181。 在設(shè)計系統(tǒng)時，設(shè)計定時器400181。 前置放大電路 傳感器檢測出的信號一般是微弱的，不能直接用于顯示、記錄、控制或進行 A/D 轉(zhuǎn)換。 由于前置放大器要求輸入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以 本設(shè)計 選用高阻抗、低漂移的運算放大器 AD521作為前置放大器。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 2 AD521 簡化 原理圖 工作原理：差分輸入電壓 VI加在外接電阻 RG兩端，在 RG上產(chǎn)生的不平衡電流 ΔI=VI /RG；流過晶體管 BG1和 BG2，由于晶體管 BG3和 BG4為鏡象電流源所偏置，迫使流過BG3和 BG4集電極的電流相等。 其放大倍數(shù)可在 1~1000的范圍內(nèi)調(diào)整。此外， AD521 與大多數(shù)由單個運放組成的儀用放大器的不同點是： 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 基準端 VI 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 （ 1） 不需要采用精密匹配的外接電阻 。 （ 3） 對各個增益段均進行了內(nèi)部補償，并具有優(yōu)良的動態(tài)特性，其增益帶寬達40MHz。引腳 OFFSET(4， 6)用于調(diào)整放大器零點，調(diào)整線路是芯片 4， 6 接到 10 千 歐姆 電位器的兩個固定端，電位器滑動端接負電源 U(腳 5)。引腳 RS(10，13)用于外接電阻 RS，電阻 RS用于對放大倍數(shù)進行微調(diào)。15%時，可以得到比較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。15%時，可以得到比較穩(wěn)定的放大倍數(shù)，本設(shè)計選擇 RS為 100 千 歐姆 ，根據(jù)公式（ 21）可知，只要 RG選擇不同的阻值，就可以得到不同的放大倍 數(shù)，即就是增益值。 表 2 增益表 增益值 RG 1 兆歐姆 1 100 千歐姆 10 10 千歐姆 100 1 千歐姆 1000 100 歐姆 采樣 /保持電路 由于模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量有一個過程，這個動態(tài)模擬信號在轉(zhuǎn)換過程中是不確定的，從而引起轉(zhuǎn)換器輸出的不確定性誤差，直接影響轉(zhuǎn)換精度。如果通過多路開關(guān)將各通道的信號按時序分別直接送入 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換（共享一個 A/D），所得到的值 就不是同一瞬時值，無法進行比較、判斷與計算。能完成上述任務(wù)的器件叫采樣 /保持電路，簡稱采 /保器（ S/H）。最基本的采 樣 /保持 電路由模擬開關(guān)、保持電容和緩沖放大器組成，如圖 4 所示圖中 S 為模擬開關(guān)， UC模擬開關(guān) S 的控制信號， CH為保持電容。當控制信號 UC為保持電平時，開關(guān) S 斷開，此時輸出電壓 Uo 保持模擬開關(guān) S 斷開時的瞬時值。 采 樣 /保持 電路有兩種工作狀態(tài)，即 “采樣 ”和 “保持