太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：系部：機(jī)械工程系專業(yè)：機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師：二零一五年六月誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。本人簽名：年月日……畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)系部：機(jī)械工程系專業(yè)：機(jī)械電子工程學(xué)號(hào)：學(xué)生：指導(dǎo)教師（含職稱）：1．課題意義及目標(biāo)學(xué)習(xí)并掌握單片機(jī)及相關(guān)知識(shí)；系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)多路（3-8路）模擬數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)各路參數(shù)性質(zhì)；在查閱資料的基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)；完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)元器件的選型，在掌握電子線路圖繪制工具軟件的基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)組成框圖的繪制、完成相關(guān)電路圖及系統(tǒng)原理圖的繪制；完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括軟件流程圖的繪制及程序的編制及調(diào)試。2．主要任務(wù)(1)、認(rèn)真閱讀任務(wù)書(shū)，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，在了解課題研究目的意義及現(xiàn)狀等基礎(chǔ)上，構(gòu)建設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行充分論證，并撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；(2)、進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，熟悉開(kāi)發(fā)環(huán)境；(3)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；(4)、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；3．主要參考資料[1]李曉林.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013[2]徐沐龍.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013[3]沙晶晶，董洪軍，李蒙.多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012，114．進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱起止日期1閱讀任務(wù)書(shū)，通過(guò)查閱資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告并進(jìn)行開(kāi)題答辯；3月32系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，硬件選型及原理圖繪制；3月243繪制軟件流程圖，中期答辯；4月144程序編制及調(diào)試；5月55撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯6月2審核人：年月日PAGEPAGEIII基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)主要完成了基于AT89S51單片機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件計(jì)以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。

硬件部分介紹了多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，前置放大電路的設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，顯示和控制電路的設(shè)計(jì)；還介紹了單片機(jī)的選擇，以及單片機(jī)AT89S51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。軟件部分設(shè)計(jì)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(jì)。本設(shè)計(jì)中還分析了系統(tǒng)的誤差。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集，AT89S51單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換Multi-channeldataacquisitionsystembasedonsinglechipdesignAbstract：ThedesigniscompletedthehardwaredesignisbasedonAT89S51MCUmulti-channeldataacquisitionsystemandthecorrespondingsoftwaredesign.Hardwaresectiondescribesmulti-switchdesign,preamplifiercircuitdesign,theA\Dconversioncircuitdesign,thedesignofthedisplayandcontrolcircuits.ItalsodescribestheMCUselection,aswellassingle-chipAT89S51theclockcircuitandresetcircuit.Thedesignofthesoftwarepartincludethechoiceofcompilerdesignofeachpartofaflowchartandprogram.Thedesignalsoanalyzetheperformanceanderrorsystem.Keyword：Dataacquisition，AT89S51，A/DconversionTOC\o"1-1"\h\z\u1前言 11.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的意義 11.2

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 22系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 32.1硬件設(shè)計(jì)思想 32.1.1多路開(kāi)關(guān)的選擇 32.1.2

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇 32.1.3

單片機(jī)的選擇 42.1.4顯示部分 42.1.5鍵盤(pán) 52.2多路開(kāi)關(guān)及前置放大電路 52.2.1多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)CD4051 62.2.2前置放大電路 72.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路 92.3.1A\D通道的選擇 92.3.2逐次逼近型12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1674 102.3.3AD1674引腳說(shuō)明 102.3.4AD1674與單片機(jī)的接法 112.4元件與單片機(jī)AT89S51的連接電路 122.4.1AT89S51單片機(jī)簡(jiǎn)介 122.4.2引腳說(shuō)明 132.4.3單片機(jī)外接時(shí)鐘電路 142.4.4復(fù)位電路說(shuō)明 142.5顯示與控制部分電路 152.5.1數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA介紹 152.5.2鍵盤(pán) 163系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 183.1

KEILC51

編譯器簡(jiǎn)介 183.2系統(tǒng)流程圖 183.3A/D轉(zhuǎn)換流程 203.4數(shù)碼顯示管程序 214系統(tǒng)誤差分析 234.1CD4051誤差分析 234.2AD620誤差分析 234.3系統(tǒng)的誤差 235

結(jié)論 24參考文獻(xiàn) 25致謝 26附錄1 27附錄2 28太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE341前言1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的意義

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),顧名思義,是產(chǎn)品或過(guò)程中用于收集信息文檔或分析一些現(xiàn)象。在最早的時(shí)候,一個(gè)技術(shù)員的日志在一張紙上執(zhí)行數(shù)據(jù)采集。隨著技術(shù)的發(fā)展,這種類型的過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化,更準(zhǔn)確,并且更加可靠。設(shè)備范圍從簡(jiǎn)單的錄音機(jī)到復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品作為系統(tǒng)中的一個(gè)焦點(diǎn),一起把各種各樣的東西,如傳感器之類的元器件，溫度、流量、級(jí)別或者壓力之類的數(shù)據(jù)聯(lián)系到一起。在過(guò)去的30到40年間數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)取得了巨大飛躍。例如,40年前,在一個(gè)典型的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室,跟蹤溫度的方法就是坩堝，一個(gè)查找表,墊紙和一支鉛筆。現(xiàn)在我們更可能在電腦上使用一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備來(lái)觀察的過(guò)程和分析數(shù)據(jù),有眾多選擇可用于收集數(shù)據(jù)。在實(shí)際中，工程師通常必須監(jiān)控幾個(gè)信號(hào)在較長(zhǎng)一段時(shí)間,然后畫(huà)圖和分析結(jié)果數(shù)據(jù),需要監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)在各種情況下,包括產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段,環(huán)境室監(jiān)控、組件檢查、臺(tái)式測(cè)試和處理故障。比如在巖土工程中,我們有時(shí)遇到一些困難,如監(jiān)測(cè)儀器分布在一個(gè)大的，危險(xiǎn)的區(qū)域中，人工測(cè)量記錄數(shù)據(jù)十分困難。在這種情況下,開(kāi)發(fā)方可能采用遠(yuǎn)程控制,將大量的測(cè)量數(shù)據(jù)將傳送到一個(gè)觀察房間,完成數(shù)據(jù)的收集,存儲(chǔ)和處理。1.2

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國(guó)中小容量機(jī)組(200MW及以下)在火電廠中占相當(dāng)大的比例，這些機(jī)組的監(jiān)控模式為模擬控制系統(tǒng)加以常規(guī)儀表為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種監(jiān)控模式存在著檢修維護(hù)工作量大、沒(méi)有可靠的歷史記錄等缺點(diǎn)。而且常規(guī)模擬儀表也進(jìn)入老化淘汰期，設(shè)備可靠性明顯降低，某些儀表的備品備件也得不到保障，因此中小型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)改造工作已勢(shì)在必行。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，借鑒國(guó)內(nèi)類似系統(tǒng)的研制經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的FDC-Ⅱ型分布式發(fā)電廠運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既可用于中小機(jī)組技術(shù)改造，又可應(yīng)用于變電站、供電局等電力生產(chǎn)、管理部門(mén)。該系統(tǒng)已在山東省某150MW火力發(fā)電廠投入實(shí)際運(yùn)行。

無(wú)論是何種的研究方向，其最終目的都是為人們提供更加方便快捷更加舒適的出行體驗(yàn)。通過(guò)這些我們不難看出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將逐漸由自動(dòng)化向智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)完智能化是其必然的發(fā)展方向1.3本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本次設(shè)計(jì)完成了基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文主要介紹了系統(tǒng)的工作原理及硬件與軟件設(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。

（2）采樣保持電路的A/D轉(zhuǎn)換單元。

（3）硬件和單片機(jī)的連接電路。

（4）單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)顯示。

整個(gè)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件包括：模擬多路開(kāi)關(guān)電路、運(yùn)算放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)的連接電路、顯示和控制電路；軟件設(shè)計(jì)主要完成控制整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序與調(diào)試。包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、多路開(kāi)關(guān)控制以及I/O接口控制等程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總框圖如圖1.1所示。傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器多路開(kāi)關(guān)路開(kāi)關(guān)放大電路A\D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)鍵盤(pán)顯示器圖1.1系統(tǒng)總框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1硬件設(shè)計(jì)思想2.1.1多路開(kāi)關(guān)的選擇

多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在模擬輸入通道中的作用是實(shí)現(xiàn)多選一操作，即利用多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將多路輸入中的一路接至后續(xù)電路。切換過(guò)程可在CPU或數(shù)字電路的控制下完成。常用的模擬開(kāi)關(guān)大都采用CMOS工藝，如8選1開(kāi)關(guān)CD4051、雙4選1開(kāi)關(guān)CD4052、三3選1開(kāi)關(guān)CD4053等。本設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集，所以選擇8選1的模擬開(kāi)關(guān)。

模擬多路開(kāi)關(guān)中，由于導(dǎo)通電阻RON的存在使信號(hào)電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流成正比

我希望在設(shè)計(jì)中RON對(duì)系統(tǒng)的影響盡可能小,但RON越小的組件,價(jià)格就越高。所以根據(jù)具體情況來(lái)選擇元器件。多路開(kāi)關(guān)的主要參數(shù)是精度和速度兩個(gè)方面。精度以傳輸誤差的大小來(lái)表示。速度以信號(hào)通過(guò)率來(lái)表示。

傳輸誤差是由導(dǎo)通電阻RON來(lái)決定的，所以在實(shí)踐中一般是設(shè)法減小RON來(lái)降低其影響。通過(guò)率是衡量多路開(kāi)關(guān)的另一個(gè)指標(biāo)，是多路開(kāi)關(guān)從一個(gè)通道切換并使下一個(gè)通道建立到規(guī)定精度所能達(dá)到的最高切換率。在確定多路開(kāi)關(guān)的通過(guò)率時(shí)，要跟據(jù)系統(tǒng)的采樣速率來(lái)考慮。

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。2.1.2

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇

A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來(lái)說(shuō)，可以分為8位、10位、12位和16位等。位數(shù)越高其分辨率就越高，價(jià)格也就越貴。★逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器：它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾微秒到幾百微秒之間。

★雙積分A/D轉(zhuǎn)換器：它是一種間接式的A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，精度比較高，缺點(diǎn)是數(shù)度很慢，適用于對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)度要求不高的系統(tǒng)

★并行式A/D轉(zhuǎn)換器：它又被稱為flash（快速）型，它的轉(zhuǎn)換數(shù)度很高，但它采用了很多個(gè)比較器，所以電路規(guī)模很大，價(jià)格也很貴，只適用于視頻A/D轉(zhuǎn)換器等數(shù)度特別高的領(lǐng)域。

根據(jù)本次設(shè)計(jì)的具體要求，選用逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器——AD1674。2.1.3

單片機(jī)的選擇單片機(jī)是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計(jì)算機(jī)中的一個(gè)重要的分支?！镄阅苡上到y(tǒng)的處理要求來(lái)決定選擇何種單片機(jī)★運(yùn)行速度

單片機(jī)的運(yùn)行速度首先看時(shí)鐘頻率，指令集，幾個(gè)時(shí)鐘為一個(gè)機(jī)器周期★工作電壓

單片機(jī)的工作電壓最低可以達(dá)到1.8V，最高為6V，常見(jiàn)的是3V和5V

★其他方面

在單片機(jī)的性能上還有很多要考慮的因素，比如存儲(chǔ)器，I＼O接口圍、工作溫度等等。根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，以及自己對(duì)51系列單片機(jī)的了解，本次設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)。2.1.4

顯示部分常見(jiàn)的顯示器分為L(zhǎng)ED與LCD兩種，LED與LCD相比，LED在亮度、功耗、和克服極端環(huán)境方面都更具優(yōu)勢(shì)。LED有更廣闊的應(yīng)用環(huán)境。LED數(shù)碼顯示管是一種由若干LED發(fā)光二極管組合起來(lái)，用來(lái)顯示字符的器件。本次設(shè)計(jì)需要用到一根四位的LED數(shù)碼顯示管，其中3個(gè)用于表示字符，1個(gè)用來(lái)表示路數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可選用數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA。2.1.5鍵盤(pán)鍵盤(pán)是一種常見(jiàn)的輸入設(shè)備，用戶可以向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)或命令。根據(jù)案件的識(shí)別方法分類，有編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種。通過(guò)硬件進(jìn)行識(shí)別稱為編碼鍵盤(pán)；通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行識(shí)別的就是非編碼鍵盤(pán)。非編碼鍵盤(pán)一共有兩類接口方法：一類是獨(dú)立式；另一類是矩陣式。

在單片機(jī)中，如果所需的按鍵較少，可采用獨(dú)立式鍵盤(pán)。圖2.1獨(dú)立按鍵接口在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如果需要的按鍵數(shù)量較多時(shí)候，就把鍵排成矩陣的形式，通過(guò)編輯軟件來(lái)識(shí)別每個(gè)按鍵的功能，這樣可以節(jié)省硬件資源。本次設(shè)計(jì)所需要的按鍵數(shù)量較少，所以采用獨(dú)立式鍵盤(pán)就可以滿足要求。2.2多路開(kāi)關(guān)及前置放大電路本次設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)方面有：多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)，前置放大電路的設(shè)計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，顯示與控制部分電路的設(shè)計(jì)。2.2.1多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)CD4051（1）CD4051由電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼驅(qū)動(dòng)電路和CMOS模擬開(kāi)關(guān)電路三部分組成。表2.1

CD4051的引腳功能引腳號(hào)符號(hào)功能124512131415IN/OUT輸入/輸出端91011ABC地址端3OUT/IN公共輸出/輸入端6INH禁止端7VEE模擬信號(hào)接地端8Vss數(shù)字信號(hào)接地端16VDD電源+（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。CD4051有1個(gè)公共輸出端，當(dāng)該輸入端為高電平時(shí)，不論數(shù)據(jù)輸入端和輸出端如何變化，在內(nèi)部的8個(gè)模擬開(kāi)關(guān)均為關(guān)斷狀態(tài)。表2.2CD4051真值表INHCBA所選通道0000S00001S1……………0111S71＼＼＼S0~s7均不導(dǎo)通

圖2.24051引腳圖2.2.2前置放大電路傳感器檢測(cè)出的信號(hào)一般是比較微弱的，不能直接用于顯示、控制或進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此，需要將信號(hào)進(jìn)行放大處理[4]。所以本設(shè)計(jì)選用高阻抗、低漂移的AD620作為前置放大器。AD620放大器的原理如圖2—3所示圖2.3AD620原理圖

工作原理：由Q1和Q2構(gòu)成的前置放大器級(jí)提供附加的增益前端。通過(guò)Q1-A1-R1環(huán)路和Q2-A2-R2環(huán)路反饋使通過(guò)輸入器件Q1和Q2的集電極電流保持恒定，由此使輸入電壓加在外部增益設(shè)置電阻器RG的兩端。這就產(chǎn)生一個(gè)從輸入到A1/A2輸出的差分增益G，其中G=(R1＋R2)/RG＋1

RG的值還決定前置放大器級(jí)的跨導(dǎo)。為了提供增益而減小RG時(shí)，前置放大器級(jí)的跨導(dǎo)逐漸增加到相應(yīng)輸入三極管的跨導(dǎo)。還有以下優(yōu)點(diǎn)。第一，隨著設(shè)置增益增加，開(kāi)環(huán)增益也隨著增加，從而降低了增益相對(duì)誤差。第二，（由C1，C2和前置放大器跨導(dǎo)決定的）增益帶寬乘積隨著設(shè)置的增益一起增加，因而優(yōu)化了放大器的頻率響應(yīng)。圖2.4AD620典型的電路接法表2.3AD620參數(shù)參數(shù)絕對(duì)最大額定值電源電壓±18

V內(nèi)部功耗650

mW

共模輸入電壓±VS

差分輸入電壓25V

輸出短路持續(xù)時(shí)間未定工作溫度范圍?40°C到+85°C2.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件之一，選擇A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)采集的對(duì)象性質(zhì)來(lái)選擇所需要的類型。2.3.1A/D通道的選擇在數(shù)據(jù)采集中，要采集多個(gè)模擬信號(hào)，因此，應(yīng)該根據(jù)所要采集的對(duì)象具體情況來(lái)確定選擇何種A/D通道。目前，常見(jiàn)的系統(tǒng)A/D通道方案有以下幾種。

（1）不帶采樣/保持器的A/D通道

對(duì)于比較平穩(wěn)或者頻率比較低的信號(hào)，可以不用采樣/保持器，直接用A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)接收信號(hào)。

（2）帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道

當(dāng)模擬輸入信號(hào)電壓最大變化率較大時(shí)，A/D通道需要使用采樣/保持器。帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道分為：多路模擬通道共享采樣/保持器的通道、多通道共享A/D。根據(jù)本次設(shè)計(jì)所需要采集信號(hào)的數(shù)量、特性、精度的各種情況以及工作環(huán)境要求等實(shí)際情況，使本系統(tǒng)既在性能上達(dá)到或超過(guò)預(yù)期的指標(biāo)，又可以造價(jià)低廉，性價(jià)比較高。所以選擇（1）不帶采樣/保持器的A/D通道。2.3.2逐次逼近型12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1674模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路選取逐次逼近型12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1674，并用一片8位D鎖存器74LS373構(gòu)成系統(tǒng)控制寄存器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。地址譯碼器由一片74LS138（3-8

譯碼器）以及門(mén)電路組成。AD1674的基本特點(diǎn)和參數(shù)如下：

●帶有內(nèi)部采樣保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；

●轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs；

●滿量程校準(zhǔn)誤差為0.125%；

●四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V，±10V，0V～10V和0V～20V；

●數(shù)據(jù)可并行輸出，采用8/12位可選微處理器總線接口；

●采用雙電源供電：模擬部分為±12V/±15V，數(shù)字部分為+5V；

●功耗低，僅為385mW。

2.3.3AD1674引腳說(shuō)明

AD1674的引腳按功能可分為邏輯控制端口、并行數(shù)據(jù)輸出端口、模擬信號(hào)輸入端口和電源端口四種類型。

表2.4AD1674引腳分類及說(shuō)明引腳功能符號(hào)說(shuō)明邏輯控制端口12/8數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端CS片選信號(hào)輸入端R/C讀/轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸入端。A0位尋址/短周期轉(zhuǎn)換選擇輸入端STS轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端并行數(shù)據(jù)輸出端口

DB11～DB8在12位輸出格式下，輸出數(shù)據(jù)的高4位；在8位輸出格式下，A0為低時(shí)也可輸出數(shù)據(jù)的高4位模擬信號(hào)輸入端口10VIN10V范圍輸入端，包括0V～10V單極輸入或±5V雙極輸入20VIN20V范圍輸入端，包括0V～20V單極輸入或±10V雙極輸入供電電源端口REFIN基準(zhǔn)電壓輸入端REFOUT+10V基準(zhǔn)電壓輸出端BIPOFF雙極電壓偏移量調(diào)整端VCC+12V/+15V模擬供電輸入VEE-12V/-15V模擬供電輸入表2.5AD1674控制信號(hào)CECSR／C12／8A0執(zhí)行操作0****無(wú)操作*1***無(wú)操作100*0啟動(dòng)12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換100*1啟動(dòng)8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換1011*允許12位并行輸出10110允許高8位并行輸出10101允許低4位并行輸出2.3.4AD1674與單片機(jī)的接法AD1674的內(nèi)部具有三態(tài)輸出緩沖器，因此可以與單片機(jī)直接接口AD1674與單片機(jī)的接口電路如圖11所示。該電路可以完成對(duì)-5V～+5v或者-10V～+10V模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。調(diào)節(jié)端BIP

OFF接至參考電壓輸出端REF

OUT以取得10V的偏移電壓。均為100歐姆電位器，用來(lái)調(diào)整零位和滿量程。AD1674的狀態(tài)信號(hào)STS與AT89S51的P1.0端相連，采用查詢判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。AT89S51的控制線RD和WR通過(guò)與非門(mén)接AD1674的CE端。AT89S51的P0.0通過(guò)鎖存器74LS373和非門(mén)接AD1674的A0。AT89S51的P0.1通過(guò)鎖存器74LS373接AD1674的R/C端來(lái)控制AD1674的轉(zhuǎn)換狀態(tài)和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。AD1674片選端CS端由譯碼器74LS138的譯碼信號(hào)來(lái)控制。AD1674的12/8接數(shù)字地。圖2.5為AD1674與單片機(jī)連接電路。

圖2.5AD1674與單片機(jī)連接電路2.4元件與單片機(jī)AT89S51的連接電路2.4.1AT89S51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。主要特性：（1）與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。

（2）4K字節(jié)在系統(tǒng)（ISP）Flash閃速存儲(chǔ)器（3）1000次擦寫(xiě)周期。

（4）4.0-5.5V的工作電壓范圍。

（5）全靜態(tài)工作模式：0Hz-33Hz。

（6）三級(jí)程序加密鎖。

（7）128*8字節(jié)內(nèi)部RAM。

（8）32個(gè)可編程I/O口線。

（9）2個(gè)18位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

（10）6個(gè)中斷源。

（11）全雙工串型UART通道。

（12）中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)。

（13）看門(mén)狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針。（14）掉電標(biāo)示和快速編程特性。

2.4.2引腳說(shuō)明VCC：電源電壓輸入端。GND：電源地。P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（T0定時(shí)器的外部計(jì)數(shù)輸入）P3.5T1（T1定時(shí)器的外部計(jì)數(shù)輸入）I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過(guò)某種運(yùn)算或變換后再寫(xiě)回到端口鎖存器。只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。89C51的P0、P1、P2、P3口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口。除了P1口外P0、P2、P3口都還有其他的功能。RST：復(fù)位輸入端，高電平有效。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：地址鎖存允許/編程脈沖信號(hào)端。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。EA/VPP：外部程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許。當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。2.4.3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。本次設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)部方式，如圖16所示。

常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外部接晶體（在對(duì)頻率穩(wěn)定性需求不是很高而希望盡可能廉價(jià)時(shí)，可以使用陶瓷振蕩器）和電容并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的諧振回路。

AT89S51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。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。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器組成。兩個(gè)電容的作用是晶體振蕩器的微調(diào)電容。圖2.6時(shí)鐘電路2.4.4復(fù)位電路說(shuō)明

在設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須了解單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)。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)。AT89S51復(fù)位輸入引腳RESET為AT89S51提供了初始化的手段，單片機(jī)的初始化，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。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。圖2.7復(fù)位電路2.5顯示與控制部分電路2.5.1數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA介紹七段數(shù)碼管分為共陽(yáng)極與共陰極兩種，共陽(yáng)極的七段數(shù)碼管的陽(yáng)極為八個(gè)發(fā)光二極管的共有正極，其他接點(diǎn)為獨(dú)立發(fā)光二極管的負(fù)極，使用時(shí)只需要把正極接電，不同的負(fù)極接地就能控制七段數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字。共陰極的七段數(shù)碼管與共陽(yáng)極的只是接駁方法相反而已。數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA是一種4位7段的LED數(shù)碼顯示管，它是四個(gè)共陽(yáng)二極管顯示器。在其的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，除各個(gè)公共端外，把其余的同名端并聯(lián)起來(lái)的，所以數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA，是每個(gè)腳的同名端并聯(lián)，所以還是有8個(gè)引腳。再加上4個(gè)公共端，就是12個(gè)引腳，其中1234為陽(yáng)公共端，ABCDEFGDP為陰極。這種數(shù)碼管顯示，是要用到動(dòng)態(tài)掃描的。

圖2.8數(shù)碼管與單片機(jī)的連接2.5.2鍵盤(pán)1.鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)對(duì)鍵盤(pán)的要求不高，鍵位較少，所以采用非編碼式獨(dú)立鍵盤(pán)設(shè)計(jì)。獨(dú)立式鍵盤(pán)的特點(diǎn)是各按鍵在電路設(shè)計(jì)上各自獨(dú)立，每個(gè)按鍵控制一條信號(hào)線，只需要對(duì)次信號(hào)線進(jìn)行判別就能完成對(duì)該按鍵的判別。每只按鍵接單片機(jī)的一條I/O線，通過(guò)對(duì)線的查詢，即可識(shí)別各按鍵的狀態(tài)。如圖2.9所示。3只按鍵分別在單片機(jī)的P1.5~P1.7I/O線上。無(wú)按鍵按下時(shí)，P1.5~P1.7線上均輸入高電平。當(dāng)某按鍵按下時(shí)，與其相連的I/O線將得到低電平輸入。

圖2.9鍵盤(pán)2．鍵盤(pán)消抖。通常的按鍵所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)一下子斷開(kāi)。因而在閉合及斷開(kāi)的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象而作的措施就是按鍵消抖。方法：按鍵的消抖，可用硬件或軟件兩種方法。在鍵數(shù)較少時(shí)可用硬件方法消除鍵抖動(dòng)，其中一種硬件消抖的方法利用電容的放電延時(shí)，采用并聯(lián)電容法，也可以實(shí)現(xiàn)硬件消抖。如下圖2.10所示。圖2.10按鍵消抖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1

KEILC51

編譯器簡(jiǎn)介

KEILC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為AT89S51微控制器的軟件開(kāi)發(fā)提供了C語(yǔ)言環(huán)境，同時(shí)保留了匯編代碼高效，快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision2的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，這個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器。

C51V7版本是目前最高效、靈活的AT89S51開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它可以支持所有AT89S51的衍生產(chǎn)品，也可以支持所有兼容的仿真器，同時(shí)支持其它第三方開(kāi)發(fā)工具。3.2系統(tǒng)流程圖

開(kāi)始開(kāi)始……單片機(jī)工作采集第一路A、D轉(zhuǎn)換讀入單片機(jī)采集下一路單片機(jī)工作采集第一路A、D轉(zhuǎn)換讀入單片機(jī)采集下一路判斷按鍵命令顯示N是否有按鍵按下Y圖3.1系統(tǒng)總流程圖

3.3A/D轉(zhuǎn)換流程開(kāi)始開(kāi)始初始化CE=1啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換等待A/D轉(zhuǎn)換等待A/D轉(zhuǎn)換STS是否為1STS是否為1NN輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)備下一次A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備下一次A/D轉(zhuǎn)換圖3.2A/D轉(zhuǎn)換流程圖3.4數(shù)碼顯示管程序顯示數(shù)字從0~99自動(dòng)跳轉(zhuǎn)#include"reg51.h"

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

ucharcodesmg[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};

uchardatayy[2]={0,0};

uinta;sbitP30=P3^0;

sbitP31=P3^1;voiddelayms(uintm)

{

uchari,j;

for(i=m;i>0;i--)

for(j=110;j>0;j--);

}voidcalc()

{

P30=1;

P2=smg[yy[6]];

delayms(10);

P3=0;

P31=1;

P2=smg[yy[7]];

delayms(10);

P3=0;

}

voidJS()

{

a++;

if(a==10)a=0;

yy[7]=a%10;

//個(gè)位

yy[6]=a/10;

//十位

}voidmain()

{

uinti;

while(1)

{

for(i=250;i>0;i--)

{

calc();

}

JS();

}

}4系統(tǒng)誤差分析4.1CD4051誤差分析CD4051導(dǎo)通電阻小，CD4051在常溫下的導(dǎo)通電阻為幾百歐姆.供電電壓范圍較寬，速度相對(duì)較快，控制簡(jiǎn)單，適合作為量程轉(zhuǎn)換模塊中選擇放大反饋回路的開(kāi)關(guān)。但是，也有其不利的地方。其導(dǎo)通電阻不恒定，隨電源電壓的增大而減小；控制信號(hào)電平也隨電源電壓增大而增大，在使用時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮，添加必要的外圍電路，保證其工作正常。在電源電壓的選擇上要結(jié)合實(shí)際需要，適當(dāng)增大。4.2AD620誤差分析AD620的增益是通過(guò)改變編程電阻RG來(lái)實(shí)現(xiàn)的,為了使AD620設(shè)計(jì)提供精確增益,應(yīng)使用0.1～1%誤差的電阻,同時(shí)為了保持增益的高穩(wěn)定性,避免高的增益漂移,應(yīng)選擇低溫度系數(shù)的電阻。4.3系統(tǒng)的誤差單片機(jī)系統(tǒng)的誤差主要由系統(tǒng)的電路布置、調(diào)整不當(dāng)及測(cè)量過(guò)程中因溫度、氣壓等環(huán)境條件的變化而引起。因此對(duì)這些條件進(jìn)行分析，減小其對(duì)系統(tǒng)的影響，從而提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。由于在電路中選用了很多電阻，由于溫度對(duì)電阻的影響，可能會(huì)使系統(tǒng)的誤差變大，所以應(yīng)該選用受溫度影響比較小的電阻。其次，在數(shù)據(jù)采集，方面，由于傳感器的性能原因，也會(huì)使系統(tǒng)誤差進(jìn)一步放大，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際使用情況來(lái)選擇適用的傳感器。5

結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要完成了基于AT89S51單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適用性廣的特點(diǎn)，只要安裝所需要采集數(shù)據(jù)相應(yīng)的傳感器，就可以完成對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。由于自己在軟件編程方面的知識(shí)水平有限等原因，無(wú)法完成對(duì)所設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，因而也就沒(méi)能做出實(shí)物出來(lái)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)階段所學(xué)知識(shí)的一個(gè)總結(jié)，畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，所以以后應(yīng)該努力充實(shí)自己，使自己更進(jìn)一步。

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致謝經(jīng)過(guò)半年的忙碌工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。在這里首先要感謝我的導(dǎo)師張煥梅老師。張老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，但是張煥梅老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。除了敬佩張老師的專業(yè)水平外，她的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。其次要感謝我的同學(xué)對(duì)我無(wú)私的幫助，特別是在軟件的使用方面，正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì)，最后我要感謝我的母校，是母校給我們提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過(guò)課的每一位老師，是你們教會(huì)我專業(yè)知識(shí)。在此，我再說(shuō)一次謝謝！謝謝大家?。?！。

附錄1……附錄2程序1.A/D轉(zhuǎn)換子程序include<reg51.h>#include<absacc.h>#defin