10通道数据采集系统设计单片机应用.docx
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10通道数据采集系统设计单片机应用
10通道数据采集系统设计
10通道数据采集系统设计
一、设计任务
实现10通道模拟信号的采集
二、设计要求
1、采样频率200HZ,位数12位
2、设计实现模拟/数字转换的方法,给出转换速度
三、设计原理
1、AD574A芯片介绍
AD574A是单片高速12位逐次比较型A/D转换器,内置双极性电路构成的混合集成转换显片,具有外接元件少,功耗低,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器,其主要功能特性如下:
分辨率:
12位
非线性误差:
小于±1/2LBS或±1LBS
转换速率:
25us
模拟电压输入范围:
0—10V和0—20V,0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压:
±15V和5V
数据输出格式:
12位/8位
芯片工作模式:
全速工作模式和单一工作模式
主要功能引脚介绍如下:
AC:
模拟地
DC:
数字地
CS:
片选信号,低电平有效
CE:
片使能,高电平有效
R/C:
读/启动信号,高电平读数据,低转换
12/8:
数据格式选择,高电平12位数据同时有效,低电平时第一次输出高8位,第二次输出低四位有效,中四位为零。
A0:
内部寄存器控制输入端,在12/8接地的情况下,高电平时高8位数据有效,低电平时低4位有效,中间4位为零,高4位为高阻态;在R/C为低的情况下,高电平启动12位转换,低电平启动8为转换。
STS:
工作状态输出端,高电平表示正在转换,低电平表示转换完毕
AD574和单片机的接口
在设计硬件电路时要十分注意的一点就是AD574的数据输出线与单片机数据总线的连接方式:
应该将高8位DB4~DB11接到数据总线的D0~D7,低4位DB0~DB3接到数据总线的高4位D4~D7。
如果接错的话就不能读取正确的转换结果,而且还很容易烧坏芯片。
AD574A的工作模式:
如果需AD574A工作于单一模式,只需将CE、12/8端接至+5V电源端,CS和A0接至0V,仅用R/C端来控制A/D转换的启动和数据输出。
当RC=0时,启动A/D转换器,经25us后STS=1,表明A/D转换结束,此时将R/C置1,即可从数据端读取数据。
AD574控制端标志意义:
CE
A0
工作状态
0
X
X
X
X
禁止
x
1
X
X
X
禁止
1
0
0
X
0
启动12位转换
1
0
0
X
1
启动8位转换
1
0
1
接+5V
X
12位并行输出有效
1
0
1
接0V
0
高8位并行输出有效
1
0
1
接0V
1
低4位并行输出有效
AD574的接口电路
下图是8051单片机与AD574A的接口电路,其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路,逻辑控制信号由(CS、R/C和A0)有8051的数据口P0发出,并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上,用于控制AD574A的工作过程。
AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051,由于我们只使用了8位数据口,12位数据分两次读进8051,所以R/C接地。
当8051的p3.0查询到STS端转换结束信号后,先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051,然后再将低4位读进8051。
这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果,使能端CE都必须为1,因此将8051的写控制线WR和读控制线RD通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连。
2、74LS150芯片介绍
74LS150是一个16选1数据选择器(有选通输入端,反码输出)。
数据选择端(ABCD)按二进制译码,以从16个数据(E0---E15)中选取1个所需的数据。
只有在选通端STROBE为低电平时才可选择数据。
输出端W为反码数据。
引脚图:
引出端符号:
A、B、C、D选择输入端
E0---E15数据输入端
STROBE选通输入端(低电平有效)
W反码数据输出端
Y数据输出端
功能图:
H=高电平;L=低电平;X=任意;E0—E15=对应的E端电平
3、74HC573芯片简介
74HC573是八进制3态非反转透明锁存器为高性能硅门CMOS器件。
SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。
器件的输入是和标准CMOS输出兼容的;加上拉电阻,他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
当锁存使能端为高时,这些器件的锁存对于数据是透明的(也就是说输出同步)。
当锁存使能变低时,符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
×输出能直接接到CMOS,NMOS和TTL接口上
×操作电压范围:
2.0V~6.0V
×低输入电流:
1.0uA
×CMOS器件的高噪声抵抗特性
管腿安排:
见右图
功能表:
输入
输出
输出使能
锁存使能
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
不变
H
X
X
Z
X=不用关心
Z=高阻抗
最大值范围:
符号
参数
值
单位
VCC
DC供电电压(参考GND)
-0.5~+7.0
V
VIN
DC输入电压(参考GND)
-1.5~VCC+1.5
V
VOUT
DC输出电压(参考GND)
-0.5~VCC+0.5
V
IIN
每一个PIN的DC输入电流
20
mA
IOUT
每一个PIN的DC输出电流
mA
35
ICC
DC供电电流,VCC和GND之间
75
mA
PD
在自然环境下,PDIP和SOIC封装下的功耗750,500
mW
Tstg
存储温度
-65~+150
℃
TL
引线温度,10(PDIP,SOIC)
260
℃
*最大值范围是指超过这个值,将损害器件。
操作最好在下面的推荐操作条件下:
额定功率的下降——PDIP:
-10mW/℃,65℃~125℃
SOIC:
-7mW/℃,65℃~125℃
四、设计过程
1、本系统需要的控制比较简单,选用80c51单片机芯片进行控制。
2、由于输入是10通道模拟输入,12位精度数字输出。
所以选用的AD转换芯片必须至少有10个模拟输入通道,而且数字输出为12位。
考虑到芯片的价格与芯片结构复杂程度要便于设计的因素,本设计选用一通道模拟输入、12精度数字输出的AD574模数转换芯片,与16选1数据选择器74LS150搭配使用。
使用74LS150的16个输入通道中的10个通道即可,然后把选择的通道中的模拟输入量送到AD574。
3、由于12位数字输出需要分两次送到单片机,因此需要在AD574与单片机之间加数据锁存器,本设计选用74HC573锁存器。
4、74LS150的通道选择由单片机的P1口的P1.0-P1.3控制,0000对应0通道,0001对应1通道,……,1001对应9通道。
共使用10个通道。
具体原理见设计原理的74LS150芯片介绍部分。
5、软件流程图
主程序:
AD转换子程序:
6、软件程序
#include
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineADCOMXBYTE[0xff7c]//控制寄存器地址
#defineADLOXBYTE[0xff7f]//数据字节低4位地址
#defineADHIXBYTE[0xff7d]//数据字节高8位地址
sbitr=P3^7;//p3.7口
sbitx=P3^6;//p3.6口
sbitadbusy=P3^0;//p3.0口
uintad574(void)//AD转换子程序
{
r=0;
x=0;
ADCOM=0;//启动转换
while(adbusy==0);
return((uint)(ADHI<<4)+(ADLO&0x0f));//返回转换数据
}
main()//主程序
{
uintidataresult[10];//定义数据存储数组
ucharad_now=0;//通道号
while
(1)
{
P1=ad_now;//通过p1选择通道
_nop_();
result[ad_now]=ad574();//取转换数据
ad_now++;//通道号加一
if(ad_now==11)ad_now=0;//返回0通道
}
//数据通过10通道选择器进入AD574(AD574是一个12位数模转换期间,内置采样保持电路,无需附加外围电路),通过单片机控制数据选择器的控制端口,选择进行AD转换的通道,进行循环采集转换,并存入数组result[10]
7、电路连接图
五、系统误差分析与补充说明
1、AD574采样频率大于200HZ,且满足12位精度转换,达到本实验要求。
由于先高8位送入锁存器锁存,再传送低4位,因此会对转换速度有一定的影响。
2、AD574转换速率为25us,一个采样周期延迟25us。
故每个采样数据转化后比原信号延迟25us。
3、本设计AD574采用10VIN口,模拟信号输入电压幅值小于10V,1LBS<2.44mv。
故转化误差小于2.44mv。
4、由于单片机80C51的存储单元非常少,采集转化后的数据量很大,因此用80C51来存储采集转化后的数据没有实用性。
本设计程序中仅保存了当前采集的一个数据。
因此在数据存储这部分设计中,只是给出了一种方法。
若要把本系统应用于实际时,可以给单片机添加扩展存储单元,把采集的数据存放在该扩展存储器中。
但现在一般更多的应用是把本系统与PC机相连接使用,应用PC机的存储与显示系统,此时本问题就不用单独考虑了。
六、参考文献
1、刘乐善等《微型计算机接口技术及应用》华中科技大学出版社;
2、李广弟等《单片机基础》北京航空航天大学出版社;
3、80C51单片机技术资料、
AD574模数转换芯片技术资料、
74LS150十六选一数据选择器技术资料、
74HC573锁存器技术资料。
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- 10 通道 数据 采集 系统 设计 单片机 应用