多路数据采集器设计报告.docx
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多路数据采集器设计报告
多路数据采集器设计
1.设计要求
所设计的数据采集器，共有16路信号输入，每路信号都是直流0~20mV信号，每秒钟采集一遍，将其数据传给上位PC计算机。
本采集器地址为50H。
要求多路模拟开关用4067,A/D转换用ADC0809，运算放大器用OP07,单片机用89C51,通信用RS232接口，通信芯片用MAX232。
与PC机的RS232串口进行通信。
设计采集器的电原理图，用C51语言编制采集器的工作程序。
2.方案设计
按要求，设计数据采集器方案如下所示：
数据采集器采用AT89C51单片机作为微控制器，模拟开关4067的地址A、B、C、D分别与P1.0~P1.3连接，通过控制P1口输出来选择输入信号，将直流信号依次输入ADC0809的模拟信号输入端，ADC0809共有8路输入通道，在使用模拟开关时，仅将模拟开关的输出端连接到ADC0809的1路输入通道即可，本方案中使用0通道。
ADC0809的转换结果通过P0口传给单片机，单片机将采集结果通过串行通信RS232接口上传给上位PC机，实现数据的采集。
RS232
数据采集器方案示意图
3.电路原理图
a）AT89C51单片机电路
本实验中选取8位单片机AT89C51作为微控制器，需要片外11.0592MHz的振荡器，4K字节EPROM,128字节RAM，与51单片机有很好的兼容性。
在本此实验中程序及数据不多，故无需另加外部程序存储器。
单片
机部分的电路如下所示:
C2
AT89C51单片机电路
b）
数据输入部分
数据输入部分由模拟开关4067实现多路信号的切换。
CD4067是单16路（单刀16位）模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。
其中脚10、11、14和13是地址码A（LSB）、B、C、D（MSB）的输入端；脚2~9和16~23是开关的输入/输出端（开关位）；脚1是开关的输出/输入公共端（开关刀）；脚15为控制端，低电平有效（选通），高电平禁止（开关开路）。
输入脚A、B、C、D分别与单片机P1.0~P1.3相连，改变P1输出即可切换输入通道，控制脚与P2.4相连。
输出脚1后接电压放大电路。
c）电压调理放大电路
由于输入信号均为0~20mV的微弱电压信号，而模数转换器ADC0809的输入量要求为0~5V直流电压，所以必须后接电压放大电路。
放大器选用OP07，将0~20mV电压放大到0~5V，其放大倍数为250倍，一般情况下，放大器的放大倍数最好小于200倍，安全起见，选用两个OP07进行两级放大，前级放大25倍，后级放大10倍，放大电路如上图所示。
d）模数转换部分
U2
ADC0809数模转换电路
模数转换元件选用ADC0809，其主要特性有：
8路8位A/D转换器，即分辨率8位；
具有转换起停控制端；
转换时间为100s；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0~+5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40~85；低功耗，约15mW。
选择参考电压为+5V，当输入电压为+5V时，转换数据为#FFH,当输入电压为0V时，转换数据为#00H。
ADC0809片内没有时钟，用于51单片机系统时，时钟信号可由51单片机ALE端口经过一个2分频电路获得。
一般情况下，ALE信号频率是51单片机时钟频率的1/6。
若采用11.0592MHz的晶振，贝UALE的输出频率为1.8432MHz,经2分频后为921.6KHZ,这个频率符合ADC0809对时钟频率的要求。
U4:
A
2分频电路
由于多路输入信号切换由模拟开关4067实现，所以ADC0809的8路输入开关实际只使用1路，为方便起见，使用0通道输入，所以电路中将A、B、C脚接地处理，并且将IN1~IN7同样做接地处理。
IN0与电压放大输出相连。
转换结果的读取有3种方法：
延时法：
不利用EOC信号，启动A/D转换，等待130us后读取转换结果。
查询法：
将EOC信号接到IO口,检测EOC,若EOC=0,贝UA/D转换没有结束，继续检测；当EOC=1时，A/D转换已经结束,可读取A/D转换结果。
中断法：
将EOC信号接到INT0口利用中断程序获取结果。
实际应用中，通常采用跳变触发方式。
EOC经过一个反向器接到单片机INT0上。
启动A/D转换后，单片机可以做其它工作,A/D转换结束时,EOC端产生一个由低到高的正跳变,经反向器传输到INT0，若此时单片机的CPU处于开中断状态，并且允许INT0中断，又没有高一级的或同一级的其他中断正在服务，则CPU立即执行中断服务程序,在中断服务程序中读取A/D转换结果。
本次试验中，采取中断法实现转换结果的读取
e）串行通信部分
串行数据通信
单片机串口通信采用RS232C标准，由于RS232C标准采用正负电压表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同，必须使用电平转换器件进行装换，本方案采用Maxim公司
的MAX232芯片实现接口的电平转换。
MAX232的11、12脚分别与单片机P3.0、P3.1脚相连，13、14脚与电脑串口相连接。
串行口工作于工作方式1下，使用定时器1作为波特率发生器，定时器1工作于定时器方式2下，由于系统使用11.0592MHz晶振，所以取初值为FDH，得，系统工作的波特率为9600bpso
4.软件设计
程序流程如下图所示，详细程序见附录一。
定时器模式设置，TMOD=0x20通信方式设置，SC0N=0x50
程序流程图
5.仿真实验
6.
采用Proteus7.1可以很方便地进行单片机单路的仿真，本方案中需要用到串口通讯仿真，由两个MAX232器件连接模拟单片机和PC机的通信，如下图所示，左边虚线框中Max232与单片
各通道相应测试输入电压值如下表所示:
输入通道
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
测试电压（mV）
0
1
2
3
7
8
9
10
12
13
14
15
17
18
19
20
测试输入电压值
串口通信调试时实现方式有两种：
1）通过虚拟串口软件VSPDXP5.0设置两个相关联的串口如COM3和COM4，在Proteus中增加一个虚拟串口控件COMPIM，通过串口调试软件如串口调试小助手进行串口调试，其过程如下：
虚拟串口软件及设置
在虚拟串口软件中添加一对关联的串口，本次添加的为COM1和COM2，并将红色方框处勾上。
在Proteus中添加一个COMPIM控件，并按上图设置其属性后，运行仿真电路.。
打开串口调试小助手，按下图设置后就可以进行串口通信的调试了。
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OKF5abDlOltJLDa
OnChange
串口调试小助手及其设置
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Address
Metre
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运行效果图
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2）通过Proteus中的虚拟终端仿真串口通信过程，如下图所示,
运行后，在PTXD窗口中点鼠标右键，在弹出菜单中选上“EchoTypedCharacters和“Hex
在PRXD窗口中同样选中“HexDisplayMode”，后在PTXD窗口中按Shift+p（即
P,其对应ASCII码为50H），结果如下：
虚拟终端结果
运行效果图
7.实验结果分析
输入通道
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
测试电压
V1（mV）
0
1
2
3
7
8
9
10
12
13
14
15
17
18
19
20
仿真结果
（HEX）
00
0C
18
25
56
62
6E
7B
93
A0
AC
B8
D1
DD
EA
F6
仿真电压
V2（mV）
0
0.94
1.88
2.89
6.72
7.66
8.59
9.61
11.48
12.50
13.44
14.38
16.33
17.27
18.28
19.22
模拟开关
输出端电
压V3（mV）
0
0.97
1.93
2.90
6.76
7.73
8.70
9.66
11.6
12.6
13.5
14.5
16.4
17.4
18.4
19.3
上表中：
测试电压V1为由电压探头提供的测试电压值；
仿真结果为ADC0809输出的结果；
仿真电压V2为由仿真结果计算所得的电压值，
公式为：
V2=（20-°）mV仿真结果；
256
模拟开关输出端电压V3为直流毫安表测量得到电压值（接调理放大电路时）；
由结果看，随着输入电压的升高，仿真电压值V2与测试电压V1的误差逐渐变大，尤其当输入为满量程的20mV时，误差达到0.781mV；V3电压同样与V1误差越来越大，满量程时误差值最大为0.7mV；V3与V2电压则始终相差不超过0.1mV,较为精确。
由V2和V3的关系可以看出ADC0809的转换精度基本能够满足要求，测量电压V2与测试电压V1之间的误差并非由ADC0809造成。
进一步分析电路，当将模拟开关输出端与后面的放大电路断开时，毫安表输出值V3'完全与
测试电压V1相同；当与放大电路再次连接时，再次出现上表中的较大误差值。
误差是由于电压放大电路等效电阻分压造成电压值的损失。
解决方案有2种：
由上面测量结果通过插值多项式拟合出误差与测量结果的关系式，在单片机的测量程
序中修正测量结果。
通过硬件电路进行电压补偿。
比较两种方案，可以看出第一种方案比较方便，下面计算插值公式：
测试
电压（mV）
0
1
2
3
7
8
9
10
12
13
14
15
17
18
19
20
ADC0809
输出
0
12
24
37
86
98
110
123
147
160
172
184
209
221
234
246
理论
输岀值
0
12.8
25.6
38.4
89.6
102.4
115.2
128
153.6
166.4
179.2
192
217.6
230.4
243.2
256
误差值
0
0.8
1.6
1.4
3.6
4.4
5.2
5
6.6
6.4
7.2
8
8.6
9.4
9.2
10
根据理论输出值和误差值计算插值公式,
插值公式为丫=0.3048「0.0X，由于单片机不适合做浮点运算，所以将插值公式改为
丫=40X/1000,经过插值修正后，实际输出应为X+Y，即ADC0809转换值加上实时误差值经过修正后，结果如下：
测试
电压（mV）
0
1
2
3
7
8
9
10
12
13
14
15
17
18
19
20
ADC0809
输出
0
12
24
37
86
98
110
123
147
160
172
184
209
221
234
246
修正值
0
12
25
38
89
101
114
127
152
166
178
191
217
229
243
255
仿真电压
V2（mV）
0
0.94
1.88
2.89
6.72
7.66
8.59
9.61
11.48
12.50
13.44
14.38
16.33
17.27
18.28
19.22
修正电压
V2'（mV）
0
0.93
1.95
2.96
6.95
7.89
8.91
9.92
11.86
12.97
13.91
14.92
16.95
17.89
18.98
19.92
可以看出，修正后精度大幅提高
附录一：
main.c文件
#include
#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint
sbitm_enable=
=P2A4;
sbitadc_a=
=卩2八5;
sbitadc_s=
P2A6;
sbitadc_oe=
P2A7;
//低电平有效
//ALE：
上升沿锁存通道地址，地址已固定为0通道
//START:
上升沿清除ADC寄存器，下降沿启动ADC//OE：
高电平有效
uchardataadc_result[16]=0;
ucharadc_in=0;
voiddelay（unsignedintt）{//延时tx0.1ms
do{
TH0=0xFF;
TL0=0xA3;
TR0=1;
while（!
TF0）;
TF0=0;
TR0=0;
}while（--t）;
}
voidsend_char（ucharch）{
SBUF=ch;
while（TI==0）;
TI=0;
}
voidINT0_SVC（void）interrupt0using0{EA=0;
adc_oe=1;adc_result[adc_in]=P0;
adc_oe=0;
EA=1;
}
voidsirial_SVC（void）interrupt4using2{uchari;
EA=0;
if（RI==1）{
RI=0;
i=SBUF;if（SBUF==0x50）{
TI=0;for（i=0;i<16;i++）{send_char（adc_result[i]）;
}
}
TI=0;
}
EA=1;
}
voidadc_start（uchari）{
uchart;m_enable=1;adc_a=0;adc_s=0;adc_oe=0;P1=（i&0x0F）;m_enable=0;for（t=200;t>0;t--）;adc_a=1;
adc_s=1;
adc_a=0;
adc_s=0;
delay（50）;
}
//初始化使模拟开关不工作
//初始化0809ALE=0
//初始化0809START=0
//初始化0809OE=0//输出模拟开关通道信号//打开模拟开关//使电压信号稳定
//ALE上升沿，锁存地址，通道0
//START脚上升沿，0809清除寄存器//下降沿
//START下降沿启动ADC
//T_EOC信号延时8+2us及适电压有效
voidmain（）
{
P1=adc_in;m_enable=1;adc_a=0;adc_s=0;adc_oe=0;
//初始化通道为0（0-15）
//初始化使模拟开关不工作
//初始化0809ALE=0
//初始化0809不工作START=0
//初始化0809输出关闭
EA=0;
IT0=1;
//设置0809中断INT0
//负边沿触发中断
EX0=1;
TMOD=0x21;
SCON=0x50;
PCON=0x00;
TH1=0xfd;
RI=0;TI=0;
ET1=0;
TR1=1;
PS=1;
ES=1;
EA=1;
//允许外部中断
//设置串口通信//定时器模式设置//通信方式0，1位起始位，//设置SMOD=0
8位数据，1位停止位
//清收发标志
//C/T禁止T1中断
//启动T1计时器//串行口中断为较高中断优先级//允许串行口中断
adc_in=0;
while
（1）{
adc_start（adc_in）;
delay（400）;
//对结果进行修正
adc_result[adc_in]=adc_result[adc_in]+40*adc_result[adc_in]/1000;adc_in=（adc_in+1）%16;
}
}
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