多路数据采集系统设计报告.docx
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多路数据采集系统设计报告
<单片机原理课程设计报告>
8通道精密模拟量数据采集器
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一、8通道精密模拟量数据采集器简介
8通道精密模拟量数据采集器采集8路模拟量输入信号。
任一时刻，多路模拟开关选择其中一路输入信号，该信号通过信号调理电路调理后，送入AD转换器转换成数字量，该数字量由MCU发送到人机接口模块后再打包传送到上位计算机中显示。
二、设计要求
要求：
设计一能采集8个通道的模拟量的精密数据采集系统。
主要技术指标：
（1）模拟量通道数：
8；
（2）AD转换分辨率：
14位（数据实质是12位，加符号位和过量程指示位，总共14位）；
（3）模拟量输入范围：
0-4.8V；
（3）数据通信与显示方式：
采集到的数据通过串口发送到上位计算机，由计算机显示数据；
（4）上位计算机与数据采集系统（下位机）通信方式：
串口通信，主从通信方式，上位机为主机，下位机为从机。
由上位机发起通信，下位机响应，将采集到的8路数据一并发送到计算机中。
三、设计方案
设计方案如图1所示。
图1设计方案
系统允许有8路模拟信号输入。
在单片机的控制下，任意一时刻，多路模拟开关选通其中一路模拟信号送入双积分AD转换器ICL7109。
ICL7109将模拟量转换成数字量，单片机读取数字量。
通过控制模拟开关，8路模拟信号依次接入AD转换器转换成数字量。
当8路模拟信号全部转换完毕，数据存放在单片机的RAM中，单片机将转换的数字量通过串口发送到计算中。
四、电路原理
4.1、AT89S52单片机电路
功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU
停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图2AT89C51单片机电路
4.2、ICL7109工作原理
ICL7109内部有一个14位（12位数据和一位极性、一位溢出）的锁存器和一个14位的三态输出寄存器，同时可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无需外部加额外的锁存器。
ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是挂钩接口。
在直接接口方式中，当ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束指令到单片机，单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。
在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。
ICL7109为40线双列直插式封装，各引脚功能参考相关文献。
ICL7109与89C51的接口
本系统采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接输出方式。
振荡器选择端（即OS端，24脚）接地，则7109的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部时钟等于58分频后的振荡器频率，外接晶体为6MHz，则时钟频率=6MHz/58=103kHz。
积分时间=2048×时间周期=20ms，与50Hz电源周期相同。
积分时间为电源周期的整数倍，可抑制50Hz的串模干扰。
在模拟输入信号较小时，如0～0.5伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍，以减小噪声，CAZ的值越大，噪声越小，如果CINT选为0.15μF，则CAZ=2CINT=0.33μF。
由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为0～5V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容CINT选大一些，使CINT=2CAZ，选CINT=0.33μF，CAZ=0.15μF，通常CINT和CAZ可在0.1μF至1μF间选择。
积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值（当电流为20μA、输入电压=4.096V时，RINT=200kΩ），此时基准电压V+RI和V-RI之间为2V，由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。
本电路中，CE/LOAD引脚接地，使芯片一直处于有效状态。
RUN/HOLD（运行/保持）引脚接+5V，使A/D转换连续进行。
A/D转换正在进行时，STATUS引脚输出高电平，STATUS引脚降为低电平时，由P2.6输出低电平信号到ICL7109的HBEN，读高4位数据、极性和溢出位；由P2.7输出低电平信号到LBEN，读低8位数据。
本系统中尽管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D转换连续进行，然而如果89C51不查询P1.0引脚，那么就不会给出HBEN、LBEN信号，A/D转换的结果不会出现在数据总线D0～D7上。
不需要采集数据时，不会影响89C51的工作，因此这种方法可简化设计，节省硬件和软件。
A﹒积分电阻RINT的选择
缓冲放大器和积分器能够提供20UA的推动电流，积分电阻要选得足够大，以保证在输入电压范围的线性。
积分电阻RINT=满度电压/20UA
当输入满度电压=4﹒096V时，RINT=200KΩ，此时基准电压REFIN-和REFIN+之间为+2V，由电阻R2和电位器R1分压取得。
如满度电压为方便用户4﹒096MV，则RINT=20KΩ，基准电压=0.2V。
RINT接入缓冲放大器输出端BUF（30脚）。
B．积分电容CINT的选择
积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。
此电压应使
积分器不饱和（大约低于电源0.3V）。
对ICL7109的±5V电源。
模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为±3.5V至±4V。
对不同的时钟频率，电容值也要改变，以保证积分器输出电压的摆幅。
CINT=2048*时钟周期*20UA/积分器输出摆幅
为了使积分器不饱和，积分器输出的摆幅最大为±4V，所以积分器的最小电容为1UF。
积分器电容越大，积分器输出摆幅越小，所以，CINT也不应选的过大，如果电路设计时选用不同的时钟频率，则积分电容应根据上面的公式计算，以便选择合适的CINT的值。
积分电容CINT接入积分电容连接端INT（32脚）。
C．自动调零电容CAZ的选择
积分电容CINT选定以后，自动调零电容CAZ的选择是非常容易的。
在模拟输入信号较小时，如0—409.6MV，这时抑制噪声是主要的。
而这时积分电阻又较小，所以，自动调零电容CAZ可选为比积分电容CAZ大一倍，以减少噪声。
CAZ的值越小，噪声越小。
对于大部分实际应用系统,由传感器来的微小信号都要经过放大器放大成较大的信号,如0—+4﹒096mV。
这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容Cint选大一些以减少复零误差，使Cint=2Caz。
D﹒基准电容Cref的选择
一般情况下Cref取值1uf较好。
但如果存在一个大的共模电压（即基准电压低端不是模拟公共点），对于模拟输入为0—+409﹒6MV的情况下，要求电容值较大，以防止滚动误差，在这种情况下，如选Cref=10uf可以使滚动误差在0﹒5以内。
4.3、MAX308作用
MAX308是带串行接口的14位模数转换集成电路（ADC），它包含有跟踪/保持电路的一个底飘溢、底噪声、掩埋式齐纳电压基准电源。
它的转换速度快、功率消耗底、采样速率高达308ks/s点，满量程输入电压范围为±5V，功耗为210mW。
可与大多数流行的数字信号处理器的串行接口直接接口，该输入可以接收TTL或CMOS的信号电平，时钟频率为0.1-5.5MHz。
图48路模拟信号输入端
4.4、负电源生成电路
利用ICL7660将+5V电源变换成-5V电源的电路如下图所示。
C1、C2 采用漏电小、介质损耗低的10uF旦电容，以提高电源转换效率。
当UDD﹤+6.5V时，5脚可直接作为输出（将5脚沿虚线接输出端Uo）;当UDD﹥6.5V时，为避免损坏芯片，输出电路需串入二极管D。
该电路的输出电流不宜超过10mA
图5负电源生成电路
图6电源接线端
4.5原理图
如图7为总电路原理图
图7总电路图
由于我们已经单片机最小系统设备，因此我们制作时省去了单片机部分。
图8为8通道精密模拟量数据采集模块原理图
图8为8通道精密模拟量数据采集模块原理图
图9为8通道精密模拟量数据采集模块pcb图
图9为8通道精密模拟量数据采集模块pcb图
五、软件设计
流程图
主机程序流程图
子程序流程图
程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitLBEN=P2^0;
sbitHBEN=P2^1;
sbitLOAD=P2^2;
sbitRUN_HOLD=P2^3;
sbitSTATUS=P3^2;
ucharnum_channel=0;
uchardata_temp[16],data_send[16];
uchardata_voltige[8];
uchardata_receive,counter=0;
ucharchan_table[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8};
voiduart_init（void）
{
//uchari;
TMOD=0x20;
SCON=0x50;
TH1=0xFD;
TL1=0xFD;
IT0=1;
IE=0x91;
TR1=1;
RUN_HOLD=1;
//for（i=0;i<16;i++）
//data_send[i]=0;
}
voidmain（）
{
uart_init（）;
while
（1）
{
P1=num_channel&0x07;
//STATUS=1;
}
}
voiduart_send（void）
{
for（counter=0;counter<16;counter++）
{
SBUF=data_send[counter];
while（TI==0）;
TI=0;
}
}
voiduart_receive（void）interrupt4
{
if（RI==1）
{
RI=0;
data_receive=SBUF;
if（data_receive==0xaa）
uart_send（）;
}
}
voidxint0（）interrupt0
{
uchari=0;
EX0=0;
RUN_HOLD=0;
LOAD=0;
HBEN=0;//读高字节数据
data_temp[2*num_channel]=P0&0x3f;//暂存数据
HBEN=1;
LOAD=1;
LOAD=0;
LBEN=0;//读低字节数据
data_temp[2*num_channel+1]=P0;
//HBEN=1;
LBEN=1;
LOAD=1;
num_channel++;
if（num_channel==8）//8路已经转换完成
{
num_channel=0;
for（i=0;i<16;i++）
data_send[i]=data_temp[i];
for（i=0;i<8;i++）
data_voltige[i]=（（data_send[2*i]&0x04）*256+data_send[2*i]）*0.005;
}
EX0=1;
RUN_HOLD=1;
}
六、电路的装配与调试过程
6．1电路焊接
焊接时要主要布线和焊点的合理分布，采用手工布线，尽量做到美观。
实际焊接过程中，要保证焊笔不要碰到已经焊好的线，否则焊好的线很容易脱落。
每焊接完一部分电路，就立即进行调试，测试无误后方可进心下一阶段的焊接。
插拔集成芯片时用力要均匀，避免芯片管脚在插拔中变弯、折断
6．2调试过程
实际调试中出现了不少问题，如通讯不正常，采集不稳定等等。
仔细检测后发现主要是电路的一些接线有错以及虚焊。
下面是我们的通电源逐级调试，逐级排除故障错误的调试调试过程：
七、收获、体会和建议
收获与体会：
1、加强了团队合作精神，磨练了我们的意志力。
我们各人之间好好的配合，分工合作，设计过程没有一团乱麻。
更为可贵的是，我们彼此鼓励，同舟共济地处理每个问题。
这种团队精神将是我们美好的回忆。
我们花了很多心血来做这个课程设计，由于这两个星期又要考试所以很紧的时间，后面出错的时候经常检查电路到凌晨2点多，但凡事不是一帆风顺的，我们遇到了许多困难。
有些困难甚至看进来难于解决，确实也是打击了我们的信心。
但我们毫不气馁，认真地检查电路，检查焊接的好坏，用坚强的意志解决问题，最终取得了最后的胜利。
2、加强我们对电子器件的了解。
一直以来，我们都对电子器件都很感兴趣，对电子应用感到好奇。
这次我们亲自制作一个电子器件，虽然原理并不太复杂，但我们在这一个过程，了解电子应用的奇妙之处。
3、做到理论联系实际。
刚刚学过了单片机这门课程，还没完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次课程设计恰恰提供了一个好机会，让我们从实践中加深了对所学知识的理解。
参考文献
1、单片机原理技术.
2、模拟电子技术第五版康华光主编高等教育出版社2006
3、数字电路实验与课程设计施云编著哈尔滨工程大学2001
4、电子线路实验-数字电路实验沈小丰主编清华大学出版社2007
附录元件清单
元件清单
名称/规格
数量
单片机AT89S52
1
ICL7109
1
MAX232
1
MAX308
1
ICL7660
1
TL431
1
10UF
5
0.1UF
3
1UF
6
0.022UF
1
0.33UF
1
0.15UF
1
3.3NF
1
22PF
2
1M
1
10K
2
2.2K
1
2K
1
20K可调电阻
1
200K
1
升级会员 