通用数据采集控制卡1.docx

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通用数据采集控制卡1

本科毕业论文

题目通用数据采集控制卡设计

学院工学院

专业电气化及其自动化

毕业届别

姓名

指导教师

职称

摘要........................................................................3

第一章绪论.................................................................5

1.1数据采集控制的意义...................................................5

1.2数据采集控制的功能...................................................5

1.3数据采集控制的特点...................................................6

第二章数据采集控制卡原理及构成.............................................6

2.1数据采集控制卡原理...................................................6

2.2数据采集控制卡构成...................................................6

第三章系统硬件设计.........................................................8

3.1信号调理电路.........................................................8

3.2模拟信号采集电路.....................................................8

3.2.1A/D转换器的选取...............................................8

3.2.2ADC0809内部功能与引脚介绍.....................................9

3.2.3ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法.........................11

3.2.4LM324运算放大器..............................................13

3.2.5AD590温度传感器..............................................13

3.3振荡源和复位电路....................................................15

3.3.1复位电路.....................................................15

3.3.2振荡源.......................................................15

3.4数字信号的采集......................................................15

3.6.1光电隔离......................................................15

3.6.2集成施密特触发器40106........................................16

3.5电源电路............................................................17

3.6模拟输出电路........................................................18

3.4.174LS373锁存器................................................18

3.4.274LS138译码器................................................20

3.4.3DAC0832.......................................................21

第四章软件流程图..........................................................22

4.1主流程图及程序.....................................................22

4.2ADC0809转换流程图及程序............................................26

4.3DAC0832转换流程图及程序............................................28

元器件清单.................................................................30

结论和讨论.................................................................33

参考文献...................................................................34

致谢.......................................................................35

电路图.....................................................................36

摘要：

随着科学技术的发展，数据采集控制技术已经广泛应用于机械、电子、化工等各个领域，是获取外部世界信息的重要手段。

但是专用的数据采集控制设备价格动辄上万，高速数据采集控制卡的价格也在千元以上。

而且这类设备大多有固定的接口，无法适应千差万别的被测对象的需求。

如果被测设备稍加变化，就需要对硬件或是软件做很大调整，不能实现通用测试。

因此根据需求，此数据采集控制系统核心部分由传感器、放大器、滤波器、整流器、A/D和D/A转换器、单片机构成，能够对多路模拟信号和数字信号进行采集控制。

再加上转接电路适用于各种接口，而且系统的尺寸上可以根据需要进行剪裁，有较强的通用性。

关键词：

单片机温湿度传感器A/D和D/A转换器放大器滤波器

Abstract:

withthedevelopmentofscienceandtechnology,dataacquisitionandcontroltechnologyhasbeenwidelyusedinmechanical,electronic,chemicalindustry,etc,andobtaintheexternalworldisanimportantmeansofinformation.Butthedataacquisitionandcontrolequipment,specialpriceof10thousand,highspeeddataacquisitioncardpricein1000yuanofabove.Andthiskindofequipmenthavefixedinterface,cannotadaptthetestedobjectofdiversedemand.Ifthetestequipment,achangeofhardwareorsoftwaretomakebigadjustment,cannotachieveuniversaltest.Therefore,thedatacollectionaccordingtodemandthecorepartcontrolsystembythesensor,inverter,amplifiers,filter,rectifier,A/Dconverter,andD/Asingle-chipcomputers.the,capableofmulti-channelanaloganddigitalsignalcontrol.Plusconnectingcircuitissuitableforvariousinterfaces,andthesizeofthesystemcanbethebasisoftheneedforclipping,strongcommonality.

Keywords:

SCMhumiditysensorA/DconverteramplifierandD/Afilter.

第一章绪论

1.1数据采集控制的意义

“数据采集”就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。

控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。

用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（DataAcquisitionSystem,DAS）。

随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。

然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。

要将这些进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。

它是计算机信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。

数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的主要途径。

数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。

数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，跟据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。

与此同时，将计算得到的数据进性显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产中的计算机控制系统用来控制某些物理量。

1.2数据采集控制的功能

数据采集控制系统的基本功能主要如下：

1．数据采集

按照预先选定的采样周期,对输入到系统的模拟信号进行采样,有时还要对数字信号,开关信号进行采样.数字信号和开关信号不受采样周期的限制,当这些信号到来时,由相应的程序负责处理.

2．模拟信号处理

模拟信号是指随时间连续变化的信号,这些信号在规定的一段连续时间内,其幅值为连续值,即从一个量变到下一个量时中间没有间断.模拟信号有两种类型:

一种是由各种传感器获得的低电平信号;另一种是由仪器,变送器输出的电流信号.这些模拟信号经过采样和A/D（模/数）转换输入计算机后,常常要进行数据正确性判断,标度变换,线性化等处理.

模拟信号非常便于传送,但它对于干扰信号很敏感,容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变.因此,有时还要对模拟信号做零漂修正,数字滤波等处理.

3.数字信号处理

数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号.在二进制系统中,数字信号是由有限字长的数字组成,其中每位数字不是0就是1这可由脉冲的有无来体现.数字信号的特点是,它只代表某个瞬时的量值,是不连续的信号.

数字信号是由某些类型的传感器或仪器输出,它在线路上的传送形式有两种:

一种是并行方式传送;另一种是串行方式传送.数字信号对传送线路上的不完善性不敏感,这是因为只需检测脉冲的有无来获取信息,至于信号的精确性是无关紧要的.数字信号输入计算机后,常常需要进行码制转换的处理,如BCD码转换成ASCII码,以便显示数字信号。

4.开关信号处理

开关信号主要来自各种开关器件,如按钮开关,行程开关和继电器触点等.开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。

5.二次数据计算

把直接由传感器采集到的数据成为一次数据,把通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据成为二次数据.二次数据计算主要有平均,累计,变化率,差值,最大值和最小值等。

6.屏幕显示

CRT显示装置可把各种数据以方便操作者观察的方式显示出来,屏幕上显示的内容一般称为画面.常见的画面有相关画面,趋势图,模拟图,一览表等。

7.数据存储

数据存储就是按照一定的时间间隔,定期将各种数据以表格或图形的形式打印出来。

1.3数据采集控制的特点：

数据采集系统具有如下这些特点：

1．现代数据采集系统一般都由计算控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件投资。

2．软件在数据采集系统中的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。

3．数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系统，可实现从数据采集处理到控制的全部工作。

4．数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要，对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。

5．随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。

第2章数据采集控制卡的原理及构成

2.1数据采集控制卡原理：

本数据采集控制卡所采用的功能模拟量数据采集、数据放大、滤波、A/D转换、微处理器、D/A转换等部分组成。

在本采集控制卡中，以微处理器为核心，放大器（Amplifier），采样保持电路（S/H）以及模数转换器（ADC）来实现。

ADC的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测量所需要的精度来选择合适的ADC。

本设计为通用数据采集控制卡，所以可采用2路模拟信号与1路数字信号的采集为基础，通过传感器所接收到的信号分别传输到各自的电路中，模拟信号经过发那个大、滤波、A/D转换，数字信号经过光电隔离与整形传送至微处理器，经过处理器的控制处理，然后由专门的通道输出。

2.2数据采集控制卡构成：

由于计算机以电子器件为核心，以电子器件的状态（高电平或低电平）来表示二进制数（１或0），所以计算机加工处理的是数字量。

而温度传感器测量到的是连续模拟信号，为能利用计算机技术处理来自传感器的连续模拟信号，必须首先将连续模拟信号转换成离散的数字信号。

完成这项任务的接口电路称为数据采集控制系统。

数据采集控制系统一般由以下几个部分组成：

（1）传感器

传感器就是将非电量转换为电信号。

（2）放大器

放大器将待采集信号放大或衰减至采样环节的量程范围内，通常在实际系统中，放大器的增益是可调的，设计者可以根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。

（3）滤波器

滤波器（filter）是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。

（4）A/D转换器

A/D转换器将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。

随着电子技术的发展，A/D转换器的精度和速度逐渐得到提高。

以上的四个部分是组成数据采集控制系统的主要部分，其他相关的电路要根据实际情况选择。

数据采集系统的组成框图如图2-1所示。

图2-1数据采集控制系统流程图

第三章系统硬件设计

3.1信号调理电路

信号调理的任务将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。

对于多通道数据采集系统的输入通道，设置多路选择开关，可降低硬件开销。

如图3-1所示。

为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出信号过小时，每个通道应设前置放大环节（本文可不加以考虑）。

图3-1信号调理过程

3.2数据采集电路

把连续变化量变成离散量的过程称为量化，也可理解为信号的采样。

把以一定时间间隔T逐点采集连续的模拟信号，并保持一个时间t，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号瞬时值的一组方波序列信号，即采样信号。

3.2.1A/D转换器的选取

①转换时间的选择

转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。

A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。

通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。

由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。

②ADC位数的选择

A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。

要求精度为0.5%。

对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，其精度为

输入为0～5V时，分辨率为

—A/D转换器的满量程值

—ADC的二进制位数

量化误差为

ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。

用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心，即ADC0809。

3.2.2ADC0809内部功能与引脚介绍

分辨率和精度在上面已作了相应的计算和分析。

ADC0809八位逐次逼近式A／D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。

8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。

其内部结构如图3-2所示。

图3-2ADC0809内部结构

1.ADC0809主要性能

◆逐次比较型

◆CMOS工艺制造

◆单电源供电

◆无需零点和满刻度调整

◆具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容

◆易与各种微控制器接口

◆具有锁存控制的8路模拟开关

◆分辨率：

8位

◆功耗：

15mW

◆最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）

◆转换时间（

）128us

◆转换精度：

◆ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为10～1280kHz。

典型时钟频

为640kHz

2.引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图3-3所示。

各引脚的功能如下：

◆

IN0～IN7：

8个通道的模拟量输入端。

可输入0～5V待转换的模拟电压。

◆D0～D7：

8位转换结果输出端。

三态输出，D7是最高位，D0是最低位。

◆A、B、C：

通道选择端。

当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。

◆

图3-3A/DC0809引脚

ALE：

地址锁存信号输入端。

该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。

◆START：

启动转换信号输入端。

从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。

脉冲宽度应不小于100～200ns。

◆EOC：

转换结束信号输出端。

启动A/D转换时它自动变为低电平。

◆OE：

输出允许端。

◆CLK：

时钟输入端。

ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100μs。

◆REF（-）、REF（+）：

参考电压输入端。

ADC0809的参考电压为＋5V。

◆VCC、GND：

供电电源端。

ADC0809使用＋5V单一电源供电。

当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。

在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。

在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。

OE为低电平时，D0～D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。

3.2.3ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法

由于ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本题中选用中断接口方式。

由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。

通道基本地址为0000H～0007H。

其对应关系如表3-1所示。

地址码

输入通道

C

B

A

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

0

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

表3-10809输入通道地址

控制信号：

将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和启动转换。

由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。

在读取转换结果时，用单片机的读信号

和P2.7引脚经或非门后，产生正脉冲作为OE信号，用一打开三态输出锁存器。

其接口电路如图3-4所示:

图3-4ADC0809与MCS-51的接口电路

START信号和OE信号的逻辑表达式为

图3-5ADC0809时序图

当8051通过对0000H～0007H（基本地址）中的某个口地址进行一次写操作，即可启动相应通道的A／D转换；当转换结束后,ADC0809的EOC端向8051发出中断申请信号；8051通过对0000H～0007H中的某个口地址进行一次读操作，即可得到转换结果。

注：

ADC0809的基准电压可通过基准电压芯片供给，如MAX875,可供给5V基准电压。

3.2.4LM324运算放大器

LM324放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

封装图如图3-6所示：

LM324的特点：

1.短跑保护输出　　

2.2.真差动输入级　

3.可单电源工作：

3V-32V　　

4.低偏置电流：

最大100nA　　

5.每封装含四个运算放大器。

6.具有内部补偿的功能。

　图3-6LM324封装图

7.共模范围扩展到负电源　　

8.行业标准的引脚排列　

9.输入端具有静电保护功能

3.2.5AD590温度传感器

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

它的主要特性如下：

1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

mA/K式中：

—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。

2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。

电