能力拓展训练单片机控制的数据采集系统设计.doc

武汉理工大学能力拓展训练能力拓展训练任务书学生姓名： 专业班级： 电气工程及其自动化 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 单片机控制的数据采集系统设计 初始条件：设计单片机控制的数据采集系统。8路模拟量输入，8路开关量输出，模拟输入信号为电压信号，输入范围0-58mV，开关量输出可驱动固态继电器。要求完成的主要任务: 1. 单片机电路设计及扩展。2. 放大电路设计。3. 多路开关及扩展A/D接口电路设计。4. 多路数据采集软件及数字滤波程序设计。5. 拓展训练说明书不少于6000字，参考文献不少于5篇，附录必须画出总电路图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。拓展训练说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。 目录摘要I1.电路设计原理12.硬件设计22.1硬件设计思想22.2硬件电路设计32.2.1多路转换开关32.2.2前置放大电路62.2.3采样/保持电路82.2.4模/数转换电路122.2.5 中断系统42.3硬件和单片机的选择182.3.1 单片机的选择182.3.2 2.3.2 AT89C51芯片203.软件设计223.1主程序流程图223.2 A/D转换程序的流程图和D/A转换程序的流程图233.3 系统总图244.小结与体会254.1系统分析254.1.1低功耗措施254.1.2抗干扰措施254.2心得体会265.参考文献27摘要本次拓展训练要求是设计一个单片机控制的数据采集系统。主要步骤有设计单片机电路及扩展，设放大电路设计，设计多路开关及扩展A/D接口电路，设计多路数据采集软件及数字滤波程序。通过运用所学的单片机知识，分析要求，选择器件，经过计算，设计出符合要求的电路，然后运用模拟仿真，验证无误。关键词：单片机，数据采集，放大电路，A/D接口电路单片机控制的数据采集系统设计1. 电路设计原理数据采样是智能仪表、自动控制系统中不可缺少的部分，如果单片机本身带A/D、D/A功能，则不必进行系统扩展。如果芯片本身不带这种功能，则必须扩展A/D、D/A接口，还必须扩展存储系统程序的EPROM，以构成一个完整的数据采集系统。芯片的选取应根据应用需要或实验条件进行，当精度要求不高时，通常用8位A /D/A电路，如选ADC0809 , DAC0832及EPROM 2764等进行系统扩展。数据采集形同一般有数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换工作。数据存储与管理要用数据存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反应被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者吧数据恢复成原来物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印，显示，绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。整个系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计主要完成多路数据采集整个硬件电路及I/O接口的设计：包括模拟多路开关电路、运算放大电路、采样保持电路、模数转换电路、硬件和单片机的连接电路、数模转换电路、转换开关保护电路等组成；软件设计主要完成控制整个系统的应用程序与调试。包括主程序、A/D和D/A转换程序、多路开关控制以及I/O接口控制等程序的设计。2.硬件设计2.1硬件设计思想多路数据采集系统的正常运行依赖于整个系统硬件设备的科学设计。根据课题设计任务的要求，结合软件的设计，选择合适的电路元件，设计合理的接口电路以便能够高效率、稳定合理、方便的实现多路数据采集。多路数据采集系统的硬件部分分为多路数据输入部分，采样保持部分，A/D转换部分，硬件和单片机的连接电路部分。（1）多路数据输入部分在不要求高速采样的场合，一般采用共享的A/D转换通道，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。用模拟多路开关来轮流切换模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。一般模拟多路开关有2N个模拟输入端，N个通道选择端，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模拟信号通过。有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性的转换。在数据采集时，来自传感器的模拟信号，一般都是比较弱的电平信号，因此需要放大电路把输入的模拟信号进行适当的放大。放大器的作用是将这些微弱的输入信号进行放大，以便充分利用A/D转换器的满量程分辨率。为了充分利用A/D转换器的分辨率（A/D转换器输出的数字位数），就要把模拟输入信号放大到与A/D转换器满量程电压相应得电平值。（2）采样保持部分模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束后又要跟踪输入信号的变化。实现这种功能可以用采样/保持器来实现，因而，由于采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采集频率。（3）A/D转换部分因为单片机只能处理数字信号，所以需要把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心，因此，A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。（4）硬件和单片机的连接部分该部分用来将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传给单片机。单片机及外设负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据作相应的处理。2.2 硬件电路设计2.2.1 多路转换开关1. 多路开关的选择多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路转换开关将多路输入中的一路接至后续电路。切换过程可在CPU或数字电路的控制下完成。常用的模拟开关大都采用CMOS工艺，如8选1开关CD4051、双4选1开关CD4052、三3选1开关CD4053等。本设计是实现32路数据采集，所以选择4片8选1的模拟开关。模拟多路开关中，不可避免导通电阻RON的存在。RON使信号电压产生跌落，跌落量与流过开关的电流成正比3。设计中希望RON越小越好，但是RON越小的器件价格越高。所以根据器件的价格和系统的容忍度，选择RON的值。多路开关的主要参数是精度和速度。多路开关的精度以传输误差的大小来间接表示。多路开关的速度以信号通过多路开关的通过率来间接表示。传输误差是衡量多路开关的一个指标，多路开关的传输误差包括两个方面。（1）多路开关导通电阻加上信号源阻抗与负载阻抗构成了分压器。当要求精度为0.01%时，负载阻抗就应至少是开关导通电阻与信号源阻抗之和的104倍。在数据采集系统中，多路开关的负载一般是采样/保持器。因为典型的多路开关的导通电阻为200欧姆200千欧姆，所以，如果信号源阻抗在几百欧姆以下，则作为负载的采样/保持器，其输入阻抗应在108欧姆以上。（2）多路开关的漏电流在信号源阻抗上产生偏移电压，而漏电流与工作温度关系很大。因此，应该根据最高工作温度时的漏电流来计算偏移误差。通过率是衡量多路开关的另一个指标，是多路开关从一个通道切换并使下一个通道建立到规定精度所能达到的最高切换率。它一方面取决于多路开关建立时间，并与规定的建立精度有关，另一方面为了避免两个通道同时接通，多路开关被设计为“先断后通”，这增加了断开到接通的延时，影响了通过率的提高。在确定多路开关的通过率时，要跟据系统的采样速率来考虑。根据上面的分析，本设计选用的是采用CMOS工艺的8选1开关CD4051。CD4051的模拟信号范围为7.5V，导通电阻RON为125欧姆，关断漏电流为0.1A，开关时间为120ns。2. 多路转换开关CD4051CD4051由电平转换电路、译码驱动电路和CMOS模拟开关电路三部分组成。开关部分的供电电压为VEE（低端）和VDD（高端），因此需要的控制电压为 VEEVDD，电平转换电路将输入的逻辑控制电压（A、B、C、INH端）从VSSVDD转换到VEEVDD以满足开关控制的需要。（1）CD4051的引脚功能及使用方法VEE、VDD、VSS：电源线。VSS接地。单极性信号输入时，VEE和VDD分别接地和正电压，双极性输入时，VEE和VDD分别接负电压和正电压。VDD与VEE之差最大为16V。C、B、A：通道地址。当CBA=000B111B时，可选择通道S0S7。 INH：禁止控制端。INH=1时，所有通道均被断开；当INH=0时，则根据CBA 的值选择一个确定的通道与输出接通（即可选择一个由CBA确定的输入通道与输出通道）。使用该控制端还可以方便地实现多通道的扩展。S0S7：8个通道的输入输出通道。当用作多到一开关使用时为输入线，当用作一到多开关使用时为输出线。OUT：输出/输入公共端。利用S0S7和OUT引线可以完成输入/输出。（2）CD4051原理在用作8选1模拟多路开关时，CD4051有8个数据输入端，在3个选择输入端A、B、C的控制下，从8个模拟开关中选择1个模拟开关使之导通，将相应的输入数据通过导通的模拟开关送到公共输出端。CD4051有1个公共输出端，当该输入端为高电平时，不论数据输入端和输出端如何变化，在内部的8个模拟开关均为关断状态。其真值表如表1所示。表1 CD4051真值表INH CBA所选通道0000S00001S1 0111S71S0S7均未选中3控制程序（1）消除抖动引起的误差和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖动过程，会出现瞬变现象。若此时采集多路开关输出信号，就可能引入很大的误差。影响测量结果的准确性。消除抖动的常用方法有两种：一种是用硬件方法来实现，即用RC滤波器除抖动；另一种是用软件延时的方法来解决。在有微控制系统中，软件方法较硬件方法更显优势。（2）准确定时实际应用中，需要对多路信号进行连续采样，并且每次采样的间隔也有严格的要求。这就要求控制器具有严格的定时机制。实践中用定时器控制采样时序。本设计是对32路模拟信号进行采集，每路采集频率为1.25KHz，那么系统总的采样频率为1.2532=40 KHz，也就是400s切换一次通道，采集一个数据。在本设计的系统中，只需要设计定时器，实现400s定时中断，在中断处理程序中采集数据。在设计系统时，设计定时器400s定时中断，具体程序如附录1所示。2.2.2 前置放大电路传感器检测出的信号一般是微弱的，不能直接用于显示、记录、控制或进行A/D转换。因此，在进行非电量到电量转换之后，需要将信号放大4。由于前置放大器要求输入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以本设计选用高阻抗、低漂移的运算放大器AD521作为前置放大器。AD521放大器的简化原理如图1所示。IX1=VO/RSBG4BG3BG1 BG22I2I镜 象 电 流 源U+U-敏感端输出端I-VI/RGI+VI/RGRGVI/RG=IRSIX2II基准端VI图1 AD521简化原理图工作原理：差分输入电压VI加在外接电阻RG两端，在RG上产生的不平衡电流I=VI /RG；流过晶体管BG1和BG2，由于晶体管BG3和BG4为镜象电流源所偏置，迫使流过BG3和BG4集电极的电流相等。因此由差分输入电压所产生的不平衡电流流过另一个外接电阻RS，由于反馈放大器的作用，该放大器的输出电压Vo和电阻RS两端的电压保持相等，因此可得： (2-1)即放大器的放大倍数的计算公式为2-2所示： (2-2)可见，只要适当改变RS / RG之比值即可改变放大器增益。其放大倍数可在11000的范围内调整。作为一个精密的仪用放大器，AD521仅有两只增益调整电阻RG和RS，通过调整RG和RS的阻值，可使放大器在0.11000增益值范围内取得任意值，电阻RG和RS之比率的调整不会影响AD521的高CMR（达120dB），或高输入阻抗（3109欧姆）。此外，AD521与大多数由单个运放组成的仪用放大器的不同点是：（1）不需要采用精密匹配的外接电阻。（2）输入端可承受的差动输入电压可达30V，有较强的过载能力。（3）对各个增益段均进行了内部补偿，并具有优良的动态特性，其增益带宽达40MHz。AD521放大器的典型外部接线图如图2所示。引脚OFFSET(4，6)用于调整放大器零点，调整线路是芯片4，6接到10千欧姆电位器的两个固定端，电位器滑动端接负电源U-(脚5)。引脚RG(2，14）用于外接电阻RG，电阻RG用于调整放大倍数。引脚RS(10，13)用于外接电阻RS，电阻RS用于对放大倍数进行微调。选择RS=100千欧姆15%时，可以得到比较稳定的放大倍数。 图2 AD521的外部接线图因为选择RS=100千欧姆15%时，可以得到比较稳定的放大倍数，本设计选择RS为100千欧姆，根据公式（2-1）可知，只要RG选择不同的阻值，就可以得到不同的放大倍数，即就是增益值。表2所示为RG选择不同的阻值，对应的增益值。表2 增益表增益值RG0.11 兆欧姆1100千欧姆1010 千欧姆1001千欧姆1000100欧姆2.2.3 采样/保持电路由于模拟量转换成数字量有一个过程，这个动态模拟信号在转换过程中是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度。尤其是在同步测量系统中，几个通道的模拟量均需取同一瞬时值。如果通过多路开关将各通道的信号按时序分别直接送入A/D转换器进行转换（共享一个A/D），所得到的值就不是同一瞬时值，无法进行比较、判断与计算。因此，要求输入同一瞬时的模拟量在整个模数转换过程中保持不变，但在转换之后，又要求A/D转换器的输出端能跟踪输入模拟量的变化。能完成上述任务的器件叫采样/保持电路，简称采/保器（S/H）。当输入信号为缓慢变化的信号，在A/D转换期间的变化量小于A/D转换器的误差，且不是多通道同步采样时，则可以不用采样/保持电路。最基本的采样/保持电路由模拟开关、保持电容和缓冲放大器组成，如图3所示图中S为模拟开关，UC模拟开关S的控制信号，CH为保持电容。当控制信号UC为采样电平时，开关S 导通，模拟信号通过开关S向保持电容CH充电，这时输出电压Uo跟踪输入电压UI的变化。当控制信号UC为保持电平时，开关S断开，此时输出电压Uo保持模拟开关S断开时的瞬时值。为使保持阶段CH上的电荷不被负载放掉，在保持电容CH与负载之间需加一个高输入阻抗缓冲放大器A。采样/保持电路有两种工作状态，即“采样”和“保持”状态，在采样状态中，采样/保持电路的输出跟随模拟输入电压。一旦发出保持命令，采样/保持电路将保持采样命令撤消时刻的采样值，直到保持命令撤消并再次接到采样命令为止。此时采样/保持电路的输出重新跟随输入模拟信号的变化，直到下一个保持命令发生时为止。UOUCCH模拟输入信号驱动信号UISA 图3 采样/保持器原理图1. 采样/保持电路的主要参数（1）孔径时间tAp 在采样/保持电路中，由于模拟开关S有一定的动作滞后，保持命令发出后到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间tAp。由于孔径时间的存在，采样时间被额外延迟了，在tAp期间输出仍跟随输入变化。（2）捕捉时间tAC 采样/保持电路的控制信号UC由“保持”电平转为“采样”电平之后，其输出电压Uo将从原保持值过渡到跟随输入信号UI值，这段过渡时间称为捕捉时间tAC。它包括模拟开关的导通延时时间和建立跟踪的稳定时间，显然，采样周期必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入的模拟信号UI。（3）保持电压衰减率 在保持状态下，由于保持电容的漏电流会使保持电压发生变化，式2-3中ID为保持阶段保持电容CH的泄漏电流，它包括缓冲放大器的输入电流、模拟开关断开时的漏电流、电容内部的漏电流等。增大电容CH可减少这种变化，但捕捉时间tAC也随之增大。此外，减小ID可减少这种变化。采用高输入阻抗的运算放大器，选择优质电容如缉、聚四氟乙烯电容作保持电容以及选用漏电流小的模拟开关等措施，可以减少保持电压的变化。 (2-3)2. 采样/保持器的选择与连接电路采样/保持器的选择，是以速度和精度作为最主要的因素。因为影响采样/保持器的误差源比较多，所以关键在于误差的分析。在选择时，一般优先考虑单片集成产品，因为它具有中等性能而价格较低。所谓价格较低，是指采集时间为4s时，采集误差即处于输入值到终值0.1%的误差带内；采集时间为5s25s时，则采集误差为0.01%。单片集成/保持器大都需要外接保持电容。保持电容的质量直接关系到采样/保持器的精度。一般工作温度范围为0+50，并已在25时调整偏移误差和增益误差至零，则可对单片集成采样/保持器做出如表3所示的误差和性能估算。表3 采样/保持器的误差估算误差源性 能误 差采集误差额定采集时间相应的误差0.01%增益误差增益误差温度系数为1510-6/，温度变化为25，所以增益误差为1510-6250.0375%偏移温漂误 差偏移温漂约为30V/，温度变化25，所以最大偏移温漂误差为3025=750（V）。对于10V满量程输入，误差为750V/10V0.0075%非线性误差一般额定值0.01%降落误差与保持电容质量关系很大，降落率dU/dt约为0.2V/s100V/s。且是温度的函数。取dU/dt（25）=10V/s，则+50时该值将增为10倍。假设保持时间10s，则电压降落为10V/s1010s=1mV，为满量程值的0.01% 0.01%介质吸收一般估计0.003%（孔径抖动未计算在内） 总误差（最坏情况） 总静态误差（均方根值）0.078% 0.0421%常用的集成采样/保持器有AD582、AD583、AD585以及国家半导体公司的LF198/298/398等。本设计选用AD582。AD582是美国Analog Devices公司生产的通用型采样保持器。它由一个高性能的运算放大器、低漏电阻的模拟开关和一个由结型场效应管集成的放大器组成5。它采用14脚双列直插式封装，其管脚及结构示意图如图5所示，其中脚1是同相输入端，脚9是反相输入端，保持电容CH在脚6和脚8之间，脚10和脚5是正负电源，脚11和脚12是逻辑控制端，脚3和脚4接直流调零电位器，脚2,7,13,14为空脚(NC)。 图4 AD582管脚图由于AD582的以下特征，本设计所以选择AD582采样保持器。（1）有较短的信号捕捉时间，最短达到6s。该时间与所选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越长，它影响采样频率。（2）有较高的采样/保持电流比，可达到107。该值是保持电容器充电电流与保持模式时电容漏电流之间的比值，是保证采样/保持器质量的标志。（3）在采样和保持模式时有较高的输入阻抗，约30兆欧姆。（4）输入信号电平可达到电源电压US，可适应于12位的A/D转换器。（5）具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。（6）具有差动的逻辑输入端+IN和-IN，利用差动的逻辑输入端+IN和-IN，可以由任意的逻辑电平控制其开关。在高压COMS的逻辑电平为0V和+9V时，-IN接入+5V后，则0V输入使芯片处于跟踪模式，+9V输入时芯片工作在保持模式下。（7） AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，以及提供反相信号等。由于AD582的孔径时间tAP=50ns、捕捉时间tAC=6s，12位的AD574的转换时间tCONV=25s，则可以计算出系统可采集的最高信号频率如式2-4所示。 (2-4)由（2-4）式可见，本设计的系统能对频率不高于15.53KHz的信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了许多倍，大大改善了系统的采样频率。因此，在数据采样系统中加入采样/保持器是很有必要的。但是由采样定理可知，一个有限带宽的模拟信号是可以在某个采样频率下重新恢复而不丧失任何信号的，该采样频率至少应为两倍于最高信号频率。这意味着带采样/保持器的数据采集系统必须在速率至少为两倍的信号频率下采样、转换，并采集下一个点。因此，本设计的系统可处理的最高输入信号频率应为式2-5所示。 (2-5)AD582是反馈型采样/保持器，保持电容接在运算放大器A2的输入端(脚8)与反相输入端(脚6)之间。根据“密勒效应”，这样的接法相当与在A2的输入端接有点容C1H=(1+A2) CH (A2为运算放大器A2的放大倍数)。所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率。当精度要求不高(0.1%)而速度要求较高时，可选CH=100PF，这样的捕捉时间tAC6us。当精度要求较高(0.015%)时，为了减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH=1000PF。因此，本设计的系统根据对采集精度的要求可以配置不同的CH的，图5为AD582的连接图。图5 AD582的连接图2.2.4 模/数转换电路A/D转换器是数据采集系统的关键器件，选择A/D转换器时，要根据系统采集对象的性质来选择其类型。1. 系统A/D通道方案的确定 在数据采集中，要采集多个模拟信号，而且采集要求不尽相同。因此，系统的数据输入通道方案多种多样，应该根据被测对象的具体情况确定6。目前，常见的系统A/D通道方案有以下几种。（1）不带采样/保持器的A/D通道对于直流或低频信号，通常可以不用采样/保持器，直接用A/D转换器采样。（2）带采样/保持器的A/D转换通道当模拟输入信号电压最大变化率较大时，A/D通道需要使用采样/保持器。带采样/保持器的A/D转换通道分为：多路模拟通道共享采样/保持器的通道、多通道共享A/D转换器的通道、多通道并行A/D转换的通道。多路模拟通道共享采样/保持器的通道是采用分时转换工作方式。模拟开关在单片机控制下，分时选通各个通道信号，然后把信号送采样/保持器和A/D转换器，经过A/D转换器转换后送单片机处理。由于各路信号的幅值可能有很大的差异，常在系统中放置放大器，使加到A/D输入端的模拟电压幅值处于FSR/2FSR范围，以便充分利用A/D转换器的满程分辨率。多通道共享采样/保持器与A/D转换器的典型电路原理图如图6所示。根据本设计的系统被采集信号的数量、特性（类型、带宽、动态范围等）、精度和转换速度的要求、各路模拟信号之间相位差的要求和工作环境要求等实际情况，使之既在系统性能上达到或超过预期的指标，又造价低廉。所以本设计的系统采用多路模拟通道共享采样/保持器的方案。模拟多路开关模数转换单片机控 制 逻 辑模拟输入信号放大器采样保持 图6 多通道共享采样/保持器与A/D转换器图如果在某一温度调整转换器的偏移和增益误差为零，则温度改变时，偏移和增益误差就不再是零了。因此，要对各项误差做出估算。如表4所示。表4 A/D转换器的各项误差误差源性 能误 差量化误差LSB/20.012%微分线性度误差LSB/20.012%微分线性度温漂误差（25）10-6/ 250.0050.0125%偏移温漂误差510-6/250.0125%增益温漂误差（1020）10-6/ 250.025%0.05%电源电压误差10.002%0.002%长周期变化一般估计0.02%总误差（最坏情况）0.0960.1135%总静态误差（均方根值）0.04040.0581%2. 逐次逼近型12位模/数转换器AD574模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。本系统的模/数转换电路选取逐次逼近型12位模数转换器AD574，并用一片8位D锁存器74LS373构成系统控制寄存器，进行数据采集。地址译码器由一片74LS138（3-8 译码器）以及门电路组成。AD574是美国Analog Devices公司生产的一种快速12位逐次比较式A/D变换器，是单通道变换器。片内具有三态数据锁存器、电压基准和时钟电路。温度的调节范围为2040，十进制分度为200，非线性误差小于(1/2)LSB，一次转换时间为25s，电源供电为15V(12V)和+5V；AD574具有转换时间快，与单片机接口方便可直接采用双极性模拟信号输入等优点。有着广泛的应用场合。（1）结构与引脚 AD574的引脚图如图7所示。AD574由模拟芯片和数字芯片混合组成。模拟部分由高性能的12位A/D转换器和参考电压组成。数字部分由控制逻辑、逐次逼近寄存器和三态输出缓冲器构成，控制逻辑发出启/停及复位信号，控制转换过程。由于芯片内部的比较输入回路，接有可改变量程的电阻和双极型输入偏置电阻，因此，AD574的输入模拟电压量程范围有0V+10V，0V+20V，-5V+5V，-10V+10V四种。（2）AD574的引脚功能CE：芯片允许工作控制端。CE=1时，允许；CE=0时，禁止。CS：片选线，低电平有效。CS与CE必须同时有效，AD574才能工作，否则AD574处于禁止状态。R/：读/启动A/D控制端。R/=0时，启动转换；R/ =1时，读取转换结果。12/：数据格式选择端。当12/=1时，12位数据一次读出，主要用于16位微机系统；12/ =0时，可与8位单片机接口。AD574采用左对齐数据方式。12/与A0配合，使12位数据分两次读出，A0=0时，读取高8位，A0=1时，读取低4位（数据低半字节附加零）。12/不能用TTL电平控制，必须用+5V或数字地控制。A0：字选择线。与CPU接口时，通常接至低位地址线。A0引脚有两个作用，一是选择字节长度，二是与8位微机接口时用作选择读出字节。启动转换时若A0=1，则AD574按8位A/D转换，转换时间为10s；若A0=0，则按12位A/D转换，转换时间为25s，与12/的状态无关。读操作中，A0=0时，高位数有效；而A0=1时，则低4位数据有效。但12/=1（接口+5V）时，则A0的状态不起作用。 以上5种信号的电平状态与芯片的操作对应关系如表6所示。STS：工作状态指示。STS=1时，转换正在进行；STS=0时，转换结束。10VIN：10V量程输入端。20VIN：20V量程输入端。REF IN、REF OUT：参考电压输入、输出端。将REF OUT端通过100欧姆的精密电位器接至REF IN端即可进行满刻度校准。DO11DO0：12位数据线，三态输出锁存，可直接与CPU数据总线相连。BIP OFF：双极性偏移调节端。AGND、DGND：模拟地、数字地。VL：数字逻辑电路工作电源：+4.5+5.5V。VCC：模拟电路正工作电源：+11.4+16.5V。VEE：模拟电路负工作电源：-11.4-16.5V。 图7 AD574的引脚图表6 AD574的控制信号的作用CECSR/12/A0AD574的操作0禁止转换，无操作1芯片接通，无操作1000启动1次12位转换1001启动1次8位转换101高电平（接+5V）允许12位并行输出101低电平（接0V）0允许高8位输出101低电平（接0V）1允许低4位输出（后加4个0）（3）AD574的单极性和双极性工作方式 AD574有单极性和双极性两种工作方式，后允许模拟输入信号为双极性信号。单极性模拟输入有两种量程：010V量程从AD574的10VIN引脚13输入；020V量程从AD574的20VIN引脚14输入。 电位器W1接参考电压输出端BIP OFF端用作零位偏移调整，电位器W2接参考电压输入端REF IN和双极性偏移调节端BPLRof端用作满量程调整。图8 AD574的工作方式双极性模拟输入有两种量程：-5V+5V量程从13引脚输入；-10V+10V量程从引脚14输入。本系统中的AD574采用双极性工作方式，连接方法如图8所示。双极性偏移调节端BPLRof通过电位器W2接至参考电压输出端REF OUT以取得10V的偏移电压，参考电压输入端REF IN通过电位器W1接至参考电压输出端REF OUT。W1和W2均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。（4）AD574与单片机的接口电路 AD574的内部具有三态输出缓冲器，因此可以与单片机直接接口7。AD574与单片机的接口电路如图9所示。该电路采用双极性输入方式，可对-5V+5v或-10V+10V模拟信号进行转换。双极性偏移调节端BIP OFF接至参考电压输出端REF OUT以取得10V的偏移电压。均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。AD574的状态信号STS与AT89S51的P1.0端相连，采用查询判断A/D转换是否结束。AT89S51的控制线RD和WR通过与非门接AD574的CE端。AT89S51的P0.0通过锁存器74LS373和非门接AD574的A0。AT89S51的P0.1通过锁存器74LS373接AD574的R/C端来控制AD574的转换状态和读取转换结果。AD574片选端CS端由译码器74LS138的译码信号来控制。AD574的12/8接数字地。设A/D全12位转换，要求启动转换时，A0=0，即P0.0=0；R/C=0，即P0.1=0。故可确定启动转换时的端口地址为0F9H。因为12/8接地，所以A/D转换结果分两次读出，高8位从D11D4读出，低4位从D3D0读出。读高8位结果时，要求A0=0，R/C=1；读低4位结果时，要求A0=1，R/C=1。两次读出结果的端口地址分别为0FBH和0FAH。图9 AD574与单片机的接口2.3 硬件和单片机的选择2.3.1单片机的选择（1）MCS51单片机MCS-51单片机的内部资源主要有并行I/O接口、定时器/计数器、串行接口以及中断系统。其外部引脚如图10所示。图10 MCS-51单片机（2）I/O接口51系列单片机有4个8位并行的I/O端口：P0、P1、P2、P3口。这4个口既可以并行输入或输出8位数据，又可以按位方式使用，即每一位均能独立作为输入或输出接口用。（3）定时器/计数器电路1.MCS-51单片机有两个16位的可编程定时/计数器：定时/计数器T0和T1。2.每个定时/计数器既可以对系统时钟计数实现定时，也可以对外部信号计数实现计数功能，这些功能都是通过编程设定来实现的。3.每个定时/计数器有多种工作方式，其中T0有四种工作方式；T1有三种工作方式，T2有三种工作方式。通过编程可设定工作于某种方式。4.每一个定时/计数器定时计数时间到时产生溢出，使相应的溢出位置位，溢出可通过查询或中断方式来处理。 （4）串行接口MCS-51单片机具有一个全双工的串行异步通信接口，可以同时发送、接收数据。发送、接收数据可通过查询或中断的方式来处理。它有四种工作方式： 0.方式0，称为同步移位寄存器方式，一般用于外接移位寄存器芯片扩展I/O接口。1.方式1，称为8位的异步通信方式，通常用于双机通信。 2.方式2和方式3，称为9位的异步通信方式，通常用于多机通信。 （5）中断系统MCS-51单片机提供5个（52子系列提供6个）硬件中断源：两个外部中断源INT0(P3.2)和INT1(P3.3),两个定时/计数器T0和T1的溢出中断TF0和TF1;1个串行口发送T1和接收R1中断。以下为本系统用到的串口中断部分指令：EA：中断允许总控位。EA=0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。EA的作用是使中断允许形成两级控制。ES：串行口中断允许位。ES=1允许串行口中断。REN为允许接收控制位。REN=1，则允许接收。TI位发送中断标志位。RI为接收中断标志位。2.3.2 AT89C51芯片AT89C51是美国ATMEL公司生产的底电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和128 bytes 的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH 存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。图11 AT89C51引脚图特性： 80C51 核心处理单元，4k 字节FLASH 89C51X2，128 字节RAM 89C51X2，布尔处理器。全静态操作，12 时钟操作可选6 个时钟通过软件或并行编程器，存储器寻址范围，64K 字节ROM 和64K 字节RAM，电源控制模式：时钟可停止和恢复、空闲模式、掉电模式。 两个工作频率范围：6 时钟模式时为0 到20MHz，12 时钟模式时为0 到33MHz。复位：在振荡器工作时，将RST 脚保持至少两个机器周期高电平12 时钟模式为24 个振荡器周期，6 时钟模式为12 振荡器周期可实现复位。为了保证上电复位的可靠，RST 保持高电平的时间至少为振荡器启动时间通常为几个毫秒再加上两个机器周期。复位后，振荡器以12 时钟模式运行当已通过并行编程器设置为6 时钟模式时除外。时钟停止模式：静态设计使时钟频率可以降至0MHz(停止)。 当振荡器停振时，RAM 和SFR 的值保持不变。该模式允许逐步应用并可将时钟频率降至任意值以实现系统功耗的降低。如要实现最低功耗则建议使用掉电模式。空闲模式：CPU 进入睡眠状态，但片内的外围电路仍然保持工作状态。正常操作模式的最后一条指令执行进入空闲模式。空闲模式下CPU 内容片内RAM 和所有SFR 保持原来的值。任何被使能的中断（此时，程序从中断服务程序处恢复并继续执行）或硬件复位（与上电复位使用相同的方式启动处理器）均可终止空闲模式。掉电模式：为了进一步降低功耗，通过软件可实现掉电模式。 该模式中，振荡器停振并且在最后一条指令执行进入掉电模式。降到2.0V 时，片内RAM 和SFR 保持原值，在退出掉电模式之前Vcc 必须升至规定的最低操作电压。3.软件设计3.1 主程序流程图NY89S51初始化采集第1路A/D转换读入单片机D/A转换结束开始是否采集完32路？32路？采集下一路 图 主程序流程图3.2 A/D转换程序的流程图和D/A转换程序的流程图图 （a）为A/D转换程序的流程图，图 （b）为D/A转换程序的流程图，程序如附录1所示。初始化写D/A的输出缓冲区控制DAC锁存器的锁存 延时等待转换满值点和零点的验证 D/A的输出准备下一次D/A转换NY初始化启动A/D转换等待A/D转换返回A/D转换结果STS是否为1？开 始开 始返回 返回准备下一次A/D转换产生CE=1图 （a）为A/D转换程序的流程图 图 （b）为D/A转换程序的流程图3.3 系统总图单片机有4个并行I/O口。本设计采用P0口作为AD574和DAC0832的数据输入口。P1.0接AD574的STS用来指示AD574是否转换完成，89S51的RD和WR通过与非门接AD574的CE端，用来使能AD574的数据输出。74LS138的Y5端接两片DAC0832的XFER作为传送控制信号，89S51的WR接两块DAC0832的WE1，WE2。74LS138的片选接74LS373的LE，AD574的片选，两片DAC0832的片选，用74LS139作为四片CD4051的片选。单片机控制的多路数据采集系统硬件电路图如附录2所示。4.小结与体会4.1系统分析4.1.1低功耗措施（1）尽可能选用低功耗的CMOS芯片。（2）选用液晶显示器，液晶显示器本身就是低功耗器件，并且其在显示数据时不需要连续动态描显示，固定的数据只需执行一次显示操作即可，直到要显示另外的数据才要再次执行显示操作否则CPU可以不用理睬它，利用此时进行别的工作或者进入待机状态，从而降低系统的功耗。（3）键盘采用中断扫描工作方式，即只在键盘有键按下时，才执行键盘扫描并执行该键功能程序如无键按下，CPU就不用理睬键盘，因此提高了CPU工作效率，同时也提高了系统对键盘的速度。（4）在设计软件时，选用低功耗待机方式，使系统在空闲时处于待机低功耗状态，这样也可降系统的功耗。4.1.2抗干扰措施1. 硬件抗干扰措施（1）设计印刷电路板时。加宽电源线和地线的宽度。（2）在每个集成芯片的电源附近都增加了滤波电容。2.