数据采集系统课程设计报告Word下载.docx

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电气系05电子信息（本）专业类1班

学生：

胡争

日期：

自2008年9月16日至2008年9月28日

指导教师：

***

助理指导教师（并指出所负责的部分）：

教研室主任：

附注:

任务书应该附在已完成的课程设计说明书首页。

目录：

一、课题介绍

1、课题简介

2、功能及系统要求

二、设计环境

三、各芯片模块介绍

1、功能分析

2、AD574A模/数转换芯片介绍

3、CD4051多路模拟开关介绍

4、LF398反馈型采样/保持放大器介绍

5、74LS373八D锁存器介绍

四、系统电路图设计

五、程序设计

1、程序流程图设计

2、程序设计

六、课程设计总结

七、致谢

八、主要参考文献

设计一个8路模拟信号数据采集系统。

（1）系统可对8路模拟信号进行巡回检测，每个通道连续采样6次，采样周期为5秒。

（2）利用单片机进行设计，AD574A作AD转换，多路转换开关选用CD4051。

电路设计用Protel99SE来完成，程序编写用Keil来完成。

Protel99SE是Protel公司在80年代末推出的EDA软件。

它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。

自动巡回检测就是以一定的周期自动地进行检查和测量。

AD574的分辨率（0.025%），转换误差（0.05%），转换时间（25us）和输出电压的范围都能很好的满足要求，故选用AD574。

CD4051导通电阻为200欧，由于采样/保持器的输入电阻一般在10兆欧以上，所以输入电压在CD4051上的压降仅为0.002%左右，故多路模拟开关选用CD4051。

LF398采样速度快，保持性能好，非线性度为+（-）0.01%，故采样/保持器选用LF398。

AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速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

其内部结构及引脚结构如下图所示：

[1].Pin1（+V）——+5V电源输入端。

[2].Pin2（12/8非）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。

[3].Pin3（CS非）——片选端。

[4].Pin4（A0）——字节地址短周期控制端。

与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。

须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。

[5].Pin5（R/C非）——读转换数据控制端。

[6].Pin6（CE）——使能端。

[7].Pin7（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。

[8].Pin8（REFOUT）——10V基准电源电压输出端。

[9].Pin9（AGND）——模拟地端。

[10].Pin10（REFIN）——基准电源电压输入端。

[11].Pin（V-）——负电源输入端，输入-15V电源。

[12].Pin1（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。

[13].Pin13（10VIN）——10V量程模拟电压输入端。

[14].Pin14（20VIN）——20V量程模拟电压输入端。

[15].Pin15（DGND）——数字地端。

[16].Pin16—Pin27（DB0—DB11）——12条数据总线。

通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。

[17].Pin28（STS）——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。

CE、CS非、R/C非、12/8非、A0各控制信号的组合作用，列于表如下（×

表示1或0都可以）：

10VIN，20VIN，BIPOFF：

模拟电压信号输入端。

单极性应用时，将BIPOFF接0V，双极性时接10V。

量程可以是10V，也可以是20V。

输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10VIN；

在20V范围内变化时，接至20VIN。

模拟输入信号的几种接法如表3-3所示，相应电路如图3-18所示。

AD574A的输入信号连接方法如下图所示：

12位A/D转换器AD574A与PC总线的接口有多种方式。

既可以与PC总线的16位数据总线直接相连，构成简单的12位数据采集系统；

也可以只占用PC总线的低8位数据总线，将转换后的12位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。

同样，在A/D转换器与PC总线之间的数据传送上也可以使用程序查询、软件定时或中断控制等多种方法。

由于AD574A的转换速度很高，一般多采用查询或定时方式。

在多通道数据采集系统中，另一重要器件是模拟多路开关，或简称为多路开关。

它用来把多个被测点伤变送器的输出量，逐个分时地接到S/H器或A/D转换器的输入端，完成从多到一的功能。

差动多路开关同时切换两个开关，可完成差动信号的转换。

一到多开关主要用于输出通道的转换，在有的文献中也称为“反多路开关”。

有时也把多到一和一到多开关为别叫做“多路调制器”和“多路解调器”。

目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。

如集成电路芯片CD4051（双向、单端、8路）、CD4052（单向、双端、4路）、AD7506（单向、单端、16路）等。

所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；

而单向则只能完成多到一的切换。

双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。

CC4051是单8通道数字控制模拟开关，有三个二进制控制输入端A0、A1、A2和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰－峰值至20V的模拟信号。

例如，若VDD＝＋5V，VSS＝0，VEE＝－13.5V，则0～5V的数字信号可控制－13.5～4.5V的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD－VSS和VDD－VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。

当INH输入端＝“1”时，所有的通道截止。

三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

CD4051提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。

推荐工作条件：

电源电压范围…………3V～15V

输入电压范围…………0V～VDD

工作温度范围

M类…………－55℃～125℃

E类………….－40℃～85℃

极限值：

电源电压…...－0.5V～18V

输入电压……－0.5V~VDD+0.5V

输入电流…………….±

10mA

储存温度…………－65℃～150℃

引出端符号：

A0～A2地址端

I0/O0～I7/O7输入输出端

INH禁止端

O/I公共输出/输入端

VDD正电源

VEE模拟信号地

Vss数字信号地

8路模拟开关的结构原理如下图所示：

它包括电平转换、译码器/驱动器和开关电路三个组成部分。

电平转换单元可实现CMOS到TTL逻辑电平的转换。

因此，其输入电平范围宽，数字量的峰-峰值可达20V。

其译码器/驱动器具有16条引脚的双列直插式封装，引脚功能与使用方法如下：

供电引脚VEE、VDD、VSS：

一般情况下VEE和VSS接地，VDD接5V~20V。

数字控制通道选择输入端C、B、A：

为编码数字控制信号。

当CBA=000~111B时，可产生8选1译码控制信号，使8个通道中的唯一一路开关接通。

禁止控制端INH：

为数字控制信号。

当INH=“1”时，所有的通道开关均被断开，当ING=“0”时，根据CBA的值，允许所选的一路开关接通。

使用该控制端可以方便地实现多路开关的扩展应用。

多到一/一道多输入端引脚IN/OUT0~7、OUT/IN：

当用作多到一开关时，使用IN0~7和OUT功能；

当用作一到多开关时，使用OUT0~7和IN功能，从而完成双向单边任务。

使能禁止端INH，可以很方便地进行通道数的扩展。

逻辑图：

CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。

当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；

当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路。

比如：

当C、B、A=000时，通道S0选通；

当C、B、A=001时，通道S通；

……当C、B、A=111时，通道S7选通。

其真值表如下表所示：

LF398是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样/保持放大器。

具有采样速率高、保持电压下降器和精度高等特点。

LF398由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。

控制电路中A主要起到比较器的作用，其中引脚7为参考电压，当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，输出一个低电平信号驱动开关K闭合，此时输入信号经A1后跟随输出到Az，再由Az的输出端跟随输出，同时向保持电容（接引脚6端）充电，而当控制逻辑电平低于参考端电压时，输出一个高电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。

因此，A1、Az是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输入端进行阻抗变换，以提高采样/保持放大器的性能。

主要性能如下：

（1）反馈型采样/保持放大器

（2）双极型-结型场效应管工艺制造

（3）片内无保持电容

（4）在采样或保持状态具有高电源抑制功能

（5）低输入漂移，保持状态下输入特性不变

（6）可与TTL、PMOS、CMOS兼容

（7）双电源供电，电源范围宽

（8）采样时间（10V级，到0.01%）：

20us

（9）增益误差：

0.01%

（10）下降率：

3Mv/s（typ）

（11）失调电压：

7mV

（12）保持电容：

0.01uF

其引脚图如下：

引脚1：

V+正电源输入引脚

引脚2：

SET0编置调零引脚

引脚3：

IN输入引脚

引脚4：

V-负电源电压输入引脚

引脚5：

OUT输出引脚

引脚6：

CH保持电容引脚

引脚7：

REF参考电压输入引脚

引脚8：

CON控制逻辑

373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下（不同厂家具体值有差别）：

373的输出端O0~O7可直接与总线相连。

当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。

当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。

当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。

D0～D7数据输入端

OE三态允许控制端（低电平有效）

LE锁存允许端

O0~O7输出端

外部管腿图：

真值表：

电源电压…………………………………………7V

输入电压

54/74S373…………………………………………5.5V

54/74LS373…………………………………………7V

输出高阻态时高电平电压…………………………5.5V

工作环境温度

54XXX………………………………………………-55~125℃

74XXX………………………………………………0~70℃

存储温度…………………………………………-65~150℃

每个通道连续采样6次，采样周期为5秒。

模拟输入信号是经过传感器之后的输入值，即已把物理量如压力、温度或速度等转换成了电压量。

A/D转换器用的是AD574A，采样/保持器用的是LF398，多路转换开关用的是CD4051。

图中被测量经多路转换开关CD4051选通后，送到采样/保持器的输入端。

IN0~IN7中的哪一路被选中，是由多路开关的选择控制端A、B、C以及晕讯锁存端INH控制的。

采样/保持器的工作状态由AD574A的STS状态控制。

当A/D转换正在进行（或未进行）时，转换结束标志STS输出为高电平，经反相后，变为低电平，送到采样/保持器的逻辑控制端，使采样/保持器处于保持状态，此时即可开始A/D转换。

转换后的数字量由单片机的数据总线分两次读入CPU。

当AD574A转换结束后，STS由高电平变为低电平，反相后呈高电平，因而使采样/保持器变为采样状态。

这种硬件连线方法不必通过单片机单独送采样/保持控制信号，所以能加快系统响应速度。

程序流程图如下图所示：

程序分析：

该系统采用定时采样方式，每隔5秒中断一次，在中断过程中完成数据的采集。

程序设计分为两部分。

一部分为主程序，主要任务是进行初始化，完成定时器的设置和送中断字等。

另一部分为中断服务程序，对每个通道分别采样6次，并进行数字滤波。

由于系统采样周期定位5S，定时时间长，用一个定时器不够，因此可采用两个定时器串联的方法，即将T0设为定时方式，将T1设为计数方式。

也可以采用软、硬件相结合的方式，即设T0为定时方式1，然后用软件对其计数的方式。

本系统采用前者。

设单片机的时钟频率为6MHz，T0为定时方式1，定时时间隔为100ms，根据公式T=（2的16次方-X）*12/fosc，可计算出TO应装入的时间常数为X=3CB0H，可分别装入16位计数器TH0和TL0。

设T1选定时方式2，计数值为50。

由于8031的各定时器之间不能直接串联，为了能对T0定时中断次数进行计数，这里采用将P1.7引脚通过一个反相器接到T1引脚，当定时时间到，则将P1.7反相，之后加到T1引脚作计数脉冲。

这样需要定时两次才能构成一个完整的计数脉冲。

因此，T1的计数值为25，应将计数初值230（E6H）同时装入TH1和TL1。

这里，定时器0和定时器1均允许中断，这样当计数器T1计满后即可产生中断申请。

定时器的中断服务程序为数据采集程序，其任务是对8个模拟参量进行巡回检测。

方法是先将8个通道各采样一次，然后再巡回才第二次、第三次，直到每个通道均采样6次为止。

为简化线路，采样程序中使用了软件延时方式等待转换的的完成。

主程序如下所示：

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG000BH

AJMPINT0

ORG001BH

AJMPINT1

ORG0100H

MAIN:

MOVTMOD,#61H;

设置定时器工作方式

SETBP1.7

MOVTH1,#0E6H;

置定时器1的初值

MOVTL1,#0E6H

SETBTR1;

启动T1

MOVTH0,#3CH;

置定时器0的初值

MOVTL0,#0B0H

SETBTR0;

启动T0

SETBET0;

允许定时器0定时满时申请中断

SETBET1;

允许定时器1定时满时申请中断

SETBEA;

开中断

LOOP:

AJMPLOOP;

模拟主程序

ORG0140H;

定时器0中断服务程序

INT0:

CPLP1.7

MOVTH0,#3CH;

重装定时器0的初值

MOVTL0,#0B0H

RETI

ORG0150H;

定时器1中断服务程序

INT1:

CLRTR0;

关定时器0

MOVR0,#DATA;

存放数据RAM的首地址送R0

MOVCOUNT,#06H;

设每个通道采样次数

ROUT0:

MOVADDR,#00H;

送个通道初值

MOVBUFF,R0;

数据地址送缓冲单元

ROUT1:

MOVA,ADDR;

取通道号

MOVDPTR,#CHSEL;

设通道号选择地址

MOVX@DPTR,A;

送通道号

INCADDR;

通道号加1

NOP;

延时，使采样/保持器稳定

NOP

ROUT2:

MOVDPTR,#ADSEL;

送A/D转换器地址

启动A/D，按12位转换

ACALLDELY40;

延时40um

MOVXA,@DPRT;

读入高8位

MOVX@R0,A;

存放高8位

INCDPTR;

使A0=1

INCR0;

求低4位存放地址

MOVXA,@DPTR;

读低4位

存放低4位

MOVA,R0;

求存放下一个通道数据地址

ADDA,#0BH

MOVR0,A

MOVA,ADDR

CJNEA,#08H,ROUT1;

判8个通道是否各采样一次

DJNZCOUNT,BRANCH;

判是否采样6次

BRANCH:

MOVR0,BUFF

INCR0

AJMPROUT0

DELAY40:

MOVR0,#10;

延时40us子程序

DJNZR0,$

RET

DATAEQU00H;

外部RAM地址

COUNTEQU20H;

内部RAM地址

ADDREQU21H;

BUFFEQU22H;

CHSELEQU8000H;

通道选择地址

ADSELEQU8400H;

A/D转换器地址

这次课程设计使我更加深刻地理解了单片机的重要性以及其广泛的应用性。

作为一名电子信息工程专业的学生，深入理解和应用单片机是相当有必要的。

单片机在生活中已经无处不在。

通过与同学们的交流和讨论研究，使我再一次在实践中学习了单片机。

经过上个学期的理论学习，使我已经有了一个良好的基础。

再加上今天的实践，使我深刻地意识到了自己动手能力的不足和自己知识的欠缺部分。

这对我日后的学习和提高有莫大的帮助。

通过这次学习，使我对单片机的外围电路的设计有了初步的了解。

使我初步懂得如何设计外围电路。

此外，通过这次学习我更加完全的了解了单片机本身，一个只有40个引脚的小芯片。

只有对它了解细致到每个引脚才能在设计中得心应手。

除了电路设计，程序设计也是相当重要的一部分。

没有程序的单片机就是一堆废弃的元器件，没有任何的实用价值。

要想设计出一个好程序必须熟悉各条指令的使用，必须熟练掌握单片机的内部结构。

只有这样才能在设计中把自己所学的知识应用自如。

此外，程序的调试也是一个细活，必须秉着仔细认真的态度。

这样才能正确地分析每一个错误，从而找出出错的原因，这样才能找到解决问题的办法。

另外，还有一个特别要注意的地方，就是空格键和TAB键的合理使用，它是使一个程序是否便于阅读最重要的操作符。

首先，我要感谢我的老师和同学。

老师给了我们一个明确的指导方向，给了我们详细的解释、阐述。

感谢同学们给予我的莫大帮助，因为有了我们的互相讨论、互相提出意见，才完成了本次设计。

其次，感谢互联网的发明者。

他使得我们能够更方便的查找资料。

感谢BAIDU和GOOGLE帮助我们搜索，他们提供了我所有的芯片资料和使用手册。

最后，感谢我的电脑，是他默默的工作，无声的支持使我顺利地按时完成了本次课程设计。

八、主要参考资料

[1]吴黎明.单片机原理及应用技术[M].北京:

[2]陈粤初等.单片机应用系统设计与实践[M].北京:

[3]张开生,郭国法.MCS-51单片机温度控制系统的设计[J]微计算机信息,2005年07期;

[4]黄祯祥,邓怀雄,郭延文,周书.基于MCS-51单片机的温度控制系统[J]现代电子技术,2005年06期

[5]彭为,黄科,雷道仲.单片机典型系统设计实例精讲,北京