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电气电子毕业设计论文
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毕业设计8AD转换数据采集设计,电气电子毕业设计论文
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1 2.1方案论证 数据采集系统 是迄今为止分析领域应用最广泛的分析仪器之一，单片机在其发展过程中发挥了重要的作用，它是一个桥梁，是交换信息的重要途径，采用方便、安全的数据采集系统是仪器设计的重要课题。目前很多仪器采用 采用不同方式的采集系统，其优劣各有不同，这里就数据采集系统的不同环节及设计方法试进行讨论 。本题目的一个最重要环节就是控制部分，它决定了采集系统的性能及是否能在实现题目要求的前下，有较高的性价比。能够很好的解决这处问题并不是没用，它决定了在现实生产，实践过程中的经济性问题。 方案一：采用简单逻辑电路设计 控制系统 采用简单模拟电路及逻辑电路组合成控制系统。可以就系统的各个部分在系统工作时的状态画出时序图，转化为真值表进行逻辑运算，设计出逻辑电路来控制系统的运行。此方案由纯硬件实现，设计复杂，系统庞大，焊点过多，易出错，多级门电路的串联造成的时延对系统的稳定产生不利的影响，而且难以对数据进行复杂的处理。这种方法显然是行不通的。 方案二：使用 89C51 作为控制部分 此方案采用 89C51 单片机实现控制功能，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制 。但是 89C51是一种通用型的单片机，对于本设计来说 ，有很多资源是用不到的，这无形间是一种浪费。上面已经提到，无论做什么样的设计都要为实际生产服务，必须讲究经济性，所以，我们要选用一种更方便，更经济的器件，来实现功能，来很好的达到性价比的平衡。 方案三：采用 GMS97C51 作为控制部分 这里介绍一种用 GMS97C51单片机结合 TLC0838A/D转换器及 X25045 等芯片组成的一个可对八路模拟电压信号进行实时采集 ,转换 ,显示存储的系统，我们将它定名为 PS0004。这个系统带有可选用的运算放大器电路，因而可以直接测量非常微弱的信号。测量方式可以根据用户的需要配置 为单端差分或伪差分方式。测量的数据可直接存储到 X25045的串行 EEPROM中去。在需要时可随时读出 .该系统的采集精度可达 2%。更重要的是这种单片机与 51型单片机完全兼容，但它没有 51型的那么多口线，这是它的缺点，但在这里也是优点，与其它单片机比起来，它更经济，性能上也没有什么不同，可靠性也很好，完全可以满足本设计的要求。 小结 本章首先介绍了所要设计的多路数据采集，显示，存储的组成，它们的原理，给出了系统的框图，并说各部分的作用。最后就题目中的一些关健部分的设计方法的不同方案进行了比较，得出最佳方案。 用单 片机实现的多路高速数据采集系统是有多方面优越性的，能很好地满足电力等系统监视与控制的需求。值得指出的是，此单片机具有很强而又灵活的中断系统以及高速数据采集完全可以响应瞬态或暂态发生事件，如果跟它的 64K可寻址空间相结合，还可实现长期监测，建立长期智能数据采集系统。 该系统具有结构简单，实时性强，可靠性高及抗干扰能力较强等特点。作为一种远距离的数据采集监测装置，用户只需加入相应的温度、湿度及压力等传感器，即可实现相应的多路数据采集监测功能。 3.4 A/D 转换数据采集设计 TLC0838 是 TI 公司生产的 8 位逐次 逼近模数转换器片内有 8 通道的输入多路器可以用软件配置为单端差分或伪差分输入 ,养分的模拟电压输入可以共模抑制各使模拟输入电压偏移值为 0.TLC0838芯片有 20个引脚它的引脚排列如图所示 . 在生产过程的检测和控制中，温、湿度的测量是最普遍、最重要的监控数据之一。在需要长距离传送的多路温、湿度信号的系统中，需要选择合适的 A/D转换器。下面介绍一种 8位、 8通道串行控制的模数转换器 TLC0838。 时序等 。 A/D、 D/A 转换器是仪器仪表检测与控制系统中应用较广泛的器件。随着大规模集成电路技术的发展，各种低功 耗、高精度、可编程、低成本的 A/D转换器不断推出，使得控制系统的电路设计更加简洁、可靠。其中 TLC083X系列 8位串行控制模数转换器，是美国德州仪器公司推出的性价比很高的 A/D 转换器件。 TLC083X 系列包括 TLC0831， TLC0832， TLC0834和 TLC0838四个品种。它们分别是单通道，双通道，四通道和八通道的 A/D转换器。极性设nts 2 置固定，不需寻址。 TLC0838是 8位逐次逼近模数转换器。它有八个可多路选择的输入通道。串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口。 TLC0838C 的工作温度 范围为 0 70 。 TLC0838I 的工作温度范围为 -40 85 。 多点实时数据采集最常用的方法就是用多路模数 (A/ D) 转换器。目前多路 A/ D 转换器的种类非常多 ,从接口上可分为并行接口和串行接口两种 ,并行接口芯片一般引脚多、体积大、占用单片机的口线多 ,但速度快。而串行接口芯片体积小、占用单片机的口线少、易于和干扰现场隔离 ,但速度相对较 慢考虑到我们的实际需要 ,即木材干燥控制仪中 ,模数转换速度要求不高 ,但希望和干扰现场隔离的特点我们选用了 TLC0838 八通道 8 位串行控制模数转换器。 芯片有如 下特点 8 位分辨率，单 5V供电，输入范围 0-5V 易于和微处理器接口或独立使用 满比例尺工作或用 5V基准电压 单通道或多路器选择的多通道，可单端或差分输入选择 在 F clock=250kHz时。转换时间为 32u s 可以和国家半导体公司的 ADC083X系列互换 TLC0838 的工作时序如图 TLC0838 使用取样 数据 比较器的结构 ,用逐次逼近流程转换差分模拟输入信号。要转换的输入电压连到一个输入端 ,与地比较(单端输 入 ) 或与另一个输入比较 (差分输入 ) 。通过同单片机相连的串行数 据链路传 送控制命令 ,用软件进行通道选择和输入端配置 ,输入配置在多路器寻址时 序中进行。 置 CS为低 ,接着从处理器接收时钟 ,在每个时钟的上沿 ,脚 DI 的数据移入多路器地址移位寄 存器。第一位为逻辑 nts 3 高 ,表示启始位 ,其后的 2 、 3 、 4 、 5位是配置位。配置位输完后 , 转换器开始工作 ,SARS 状态输出变高表示转换过程正在进行 ,脚 DI在转换过程中与移位寄存器间是关断的。为使选定的通道稳定 ,在通道配置位输完后 ,要隔一个时钟周期转换的数据才在时钟的下沿从脚 DO 输出。 TLC0838 的输出数据可从高位开始 ,也可从低位开始。在 SE为高时 ,数据先从最高到最低位输出 ,并将最低位保持在数据线上 ;在 SE为低时 ,数据从低位开始重新输出一遍。一次模数转换需 13 个时钟周期 ,如果时钟频率为 250kHz ,那么一次转换时间为 32. 5 s。脚 DI 和DO 可以连在一起 ,通过一根线连到处理器的一个双向 I/ O 口进行控制 ,因为 DI 和 DO 在同一时间肯定有一个为高阻。 TLC0838使用采样 -数据 -比较器的结构，用逐次逼近流程。转换差 分模拟输入信号要转换的输入电压连到一个输入端，相对于地 (单端输入 )或另一输入端 (差分输入 )除 TLC0831外的器件，其输入端可以分配为正极 (+)或负极 (-)。当连到分配为正端的输入电压低于分配为负端的输入龟压时。转换结果为全 0。 输入配置在多路器寻址进序中进行，多路器地址通过 DI端移入转换器多路器地址选择模拟输入通道，也决定输入是单端输入还是差分输入当输入是差分的，要分配输入通道的极性差分输入分配到相联的输入通道对，例如可以选通道 0和通道 1做为一对差分输入。另外在选择差分输入模式时，极性也 可以选择输入通道的两个输入端的任一个都可以作为正极或负极。（见后附的表格共有 16种方式）另外共模输入端可做为伪差分输入。 键盘控制与数据显示模块 为了便于用户操作，在本地端设计了其中包括 0 7的 8路通道选择，以及一些控制显示方式、显示状态等功能键，在这里可以同时选择两路或多路通道进行数据通信。显示器选择4 位 7段 LED数码管完成数据的显示，其中 1位用来显示通道号， 3 位用来显示电压值。 显示器的控制采用能独立工作，可以大大提高工作效率。在工作时，通过定时查询的状态寄存器实现对用户按键的响应，并根据键盘的功 能作出相应的处理。 从数据采集的角度来讲 , 进行整个系统的全部数据采集需要较多的时间 , 会降低系统的实时性 ,从整个系统而言 , 如何提高系统的可靠性是关键所在 . 所以必须在硬件设计、芯片选择、软件编程等方面综合考虑 , 以满足实际系统对可靠性、实时性的要求给出了基于 GMS97C51的一种数据采集系统的硬件电路设计 。 本系统可实现八组受控单元输出的模拟电压跟随八组主控单元来的模拟电压信号的变化 。 该系统的特点是输出的控制量不是直接送至 A/D转换器转换为数字量 ,nts 4 而是输出一系列脉冲信号送给计数器 , 再经 A/D转换后变 为数字量 。 为了提高系统抗干扰能力 , 对同一输入信号连续采样十次 ,再经数字滤波处理后作为其取样值 。 在比较每组的两个信号大小时 , 如果 V i Vo, 则将 P1, 0口置为加计数状态 ; 如果 V i Vo, 则将 P1, 0口置为减计数状态 ; 如果 V i= Vo, 则处理下一组信号 . 当状态给定后 , 受控单元的选通信号由 5 位循环计数器的输出确定 ,初始状态为 Q 0 受控单元 ； P1, 2口接循环计数器的时钟输入端 , 每次送完计数脉冲后 , P1, 2口输出一个脉冲使下一个受控单元的选通有效 , 如此轮流对 5 个受 控单元进行控制 。 受控单元的基本组成为可逆计数器和 A/D转换器 , 系统送入计数状态控制信号和计数个数脉冲信号 , 经计数后 , 计数器输出 V i的数字量 , 再经 DA 转换后输出V i 的模拟量 , 即实现了 Vo 对 V i 的跟随 。 数据显示共用 4 只 L ED 数码管 , 数据位三只 , 分别显示个位、十位、百位 ; 通道号一只 , 依次显示 0 7 通道号。数码管与 CPU间的接口用四片 8 位串行输入、并行输出电路 , 一方面传输数据 , 另一方面驱动数码管。由此带来的好处是大量节省了 CPU的端口资源 , 系统中 , 仅用了 P1 口的 P111、 P110 两根线即完成了所有显示数据的传送。这样 , 被空出的 CPU 端口可安排作其它用途 , 如 , 接打印机、进行其它控制等。图 1 中 P111 为串行传输数据输出端 , 连接至 74164的数据输入端。 P110 产生位移脉冲提供给 74L138的 CP 端 , P112 用以闪烁点燃二只发光二极管 , 作通道号与数据间的分隔符。 D1、 D2、 D3 三只相串的二极管起限流作用 , 以使数码管电流值适当。若以 89C2051 单片机为核心构成同样功能系统 , 则由于有片内 E2ROM , 省去了地址锁存器、外部 EPROM。 数据采集系统的应用，数据采集系统技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集，存储，处理以及控制等问题。它是以传感器信号的测量与处理，以微型计算机等技术基础而形成的一门综合应用技术。 本系统可模拟远距离多路采集的现场，实现多路模拟信号同时采样，其中包括： A/D采集，主从 CPU通信与数据处理，键盘控制与数据显示。 采样保持电路，它是数据采集系统的重要部件，对数据采集系统的精度起决定性的作用。采样保持电路作为 A/D转换的前级，主要完成信息隔离缓冲作用，如果要对变化速度高的模拟信号进行 A/D转换，转换精度要求比较高，这时为了防止 A/D转换过程中信号发生变化，就必须用 S/H电路，此外，利用 S/H电路和多路转换器配合，还可以加快采样过程，即在 S/H电路进行前一个信号处理时，多路采样又可以去采集新的信号。和 A/D配合，则可以消除 A/D的输出脉动，并实现多路采样控制。 我们采样，它具有很高的直流精度，很快的采样时间和很低的下降速度。器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容达到最佳。如选择 1000uF的保持电容，具有 6us的采样时间，可达到 12bit的精度，电源电压可从正负 5伏到正负 18伏任意 选择。广泛应用于高速 A/D转换系统，数据采集系统和同步采集的领域。 数据采集本模块工作在远程数据采集端，用于将模拟信号转换为数字信号，我们 采用同步多通道采集结构，这种系统结构的特点是：完全与实际，自然时间同步。消除了分时采集的歪斜误差，并且实现了同步转换，各通道转换值完全瞬时对应。这种结构不但适用于高电平输入的场合，还适用于低电平的场合，但要考虑热电势，噪声及共模干扰等问题，信号调理电路要用差分放大器。 数据采集的时序控制方法，我们采用单次中断法，在进入定时（采样周期）后，就一直工作在中断服务程 序中，直到所有通道采样结束才退出中断。此法关键是要明确进行一次 A/D转换所需时间，并在每次采样控制之间插入主程序中原来要处理的任务，让这些处理时间不大于 A/D转换的时间，又不需要多次中断的额外开销，效果很好。 对于 A/D转换，考虑其性能指标（分辨率，转换时间，转换精度）我们采用 A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省单片机 I/O资源，且价格适中。 3.6 外扩数据存储电路设计 可编程看门狗监控 E2PROM 芯片 X25045 nts 5 在微机智能测控系统的设计中，断电数 据保存功能、看门狗功能、上电掉电复位功能、电源电压监控功能等对系统是非常重要的。美国 Xicro 公司生产的 X25045 芯片集上述功能于一身，这种组合大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗。 X25045 芯片的引脚排列如图所示。 CS（脚）为片选输入端， CS 电平 变化将复位看门狗定时器； SO（脚）为串行输出端，数据由此脚输出，串行时钟 SCK（脚）的下降沿同步输出数据； WP（脚）为写保护输入端，当 WP 为低电平时， X25045 的非易失性写操作被 禁止，其它功能正常， WP 为高 电平时所有功能正常； SI（脚）为串行输入端，所有写入的数据、操作码、 字节地址在此脚上输入，数据由串行时钟的上升沿锁存； RESET（脚）为复 位输出端，高电平有效，漏极开路输出方式。用于电源检测和看门狗定时器； Vss（脚）为接地端； Vcc（脚）为电源正端， X25045 芯片的电源电压有两种规格，一种是 4.5V5.5V，另一种是 2.7V5.5V。 X25045芯片有 4K 位串行 E2PROM；可编程的看门狗定时器 ；低电压 Vcc检测；直至 Vcc=1V复位输出有效； SPI接口方式；低功耗，待机电流为 10 A，工作电流为 3mA，工作电压为2.7V5V；具有块锁定保护功能，可以保护 1/4， 1/2，或所有 E2PROM 阵列；片内异常事件写保护：上电、掉电保护电路，写锁存，写保护引脚； 1MHz 时钟频率；可擦写次数为 100000 次，数据保存期为 100年； ESD 静电放电保护；有 8 引脚 DIP 和 SOIC 或 14 引脚 TSSOP 封装三种形式；高电平复位信号输出。 X25045共有 6 条指令，如表 1 所示。所有指令都以 MSB（ 最高有效位）在前方式传送。读写指令中 3 位的 A8 是高位地址，此位用于选择器件的上半 部或下半部。 X25045内部的状态寄存器格式如下： WIP 位表示 X25045 是 否忙 于 向 E2PROM 写数据。 该 位是 只 读位， WIP 为 0 表示 没 有写操作在进 行，可 向 E2PROM 写数据； WIP 为 1 时表示正在 进 行写操作，此时 不 能 向 E2PROM 写数据。 WEL位表示写使能锁存器的状态。 该 位是 只 读位，由 WRDI指令复位，写使能锁存器被复位时向 E2PROM 写操作被禁止。 WRSR 指令可以对状态寄存器中非易失性 位 BL1、 BL0、 WD1、 WD0 进行设置。 BL1 和 BL0 位 确 定 E2PROM 的块保护地址 范围 ，被保护地址 范围与 这两位 的 关 系如表 2 所示。 nts 6 WD1和 WD0位是看门狗定时器 超 时选择的设定位， 超 时选择如表 3 所示。 3.7 显示电路设计 串行输入 BCD码 十进制码输出的硬件译码驱动器 MC14499是 MOTOROLA 公司生产的一种较新型的 CMOS集成块。一片 MC14499可直接驱动和控制器块 LED 八段显示器，由于其显示方式为 动态扫描，因此消耗功率较低。在单片机系统中，采用 MC14499构成的显示接口具有所需 I/O口线占用数量少，单片控制显示器多的特点，因而适用于广泛推广使用。下面就其结构，功能及应用作一详细介绍。 MC14499 的结构及功能 LED 译码驱动器 MC14499 的管脚配置如图所示。片内主要包括一个20 位移位寄存器，一个锁存器，一个多路输出器及译码及译码驱动器和振荡器。移位寄存器主要保存外部串行输入的数据，锁存器保存显示器所需显示的数据，两者中的数据均为BCD码形式，多路输出器中取出的 BCD码数据，经段译码器翻译后。换 成点七段码送至段驱nts 7 动器的 a g和小数点 DP八只输出脚上，而片内振荡器的振荡信号，经四分频及位译码后提供四个位控制信号，由位驱动器分别送至四条位控制线（ I,II,II,IV） ,以供对显示器的轮流扫描。 MC14499允许接收串行数据输入；为 1时，片内的移位寄存器将数据送入锁存器中保存。 MC14499 每一次可接收 20 位串行输入数据，其串行输入的时序如图所示，在每次时钟信号的下降沿。串行数据被送入片内的移位寄存器。 MC14499内接收数据的移位寄存器为20位，这 20 位数据可按图分为四组 BCD码和一组小数点选择位，提 供给 4个 LED显示器。 20位数据中的前 4位用于控制 4个 LED显示器的小数点是否显示，后 16 位是 4个 LED显示器的 BCD码输入数据， BCD 码与显示器显示字符的相应关系如表所示，若显示器采用共阴型，则各小数点的相应位为“ 1”时小数点显示，为“ 0”时熄灭。 3.9 各部分的实现及作用 3.9.1 运算放大电路 这一部分的主要作用就是对采入信号的放大，来对信号进行预处理，为后面真正的转换与存储提供较好的信号。这里所使用的是 TI公司 生产的四运算放大器。 模数转换部分 模数转换部分是信号采集过程中比较重要的环节，既要求有较好 的转换能力，也要求有很高的精度。 TLC0838是 TI公司生产的 8位逐次逼近模数转换器片内有 8通道的输入多路器可以用软件配置为单端差分或伪差分输入 ,养分的模拟电压输入可以共模抑制各使模拟输入电压偏移值为 0.数据存储部分 对采集数据的存储能力体现了系统在存储方面的深度，也是衡量系统的一个重要指标。本设计的存储部分主要是由X25045所构成。 美国 Xicro 公司生产的 X25045 芯片有 4K 位串行 E2PROM；可编程的看门狗定时器 .它的一些具体应用将在后面作具体介绍。 显示部分 数据显示共用 4 只 L ED 数码管 , 数据位三只 , 分别显示个位、十位、百位 ; 通道号一只 , 依次显示 0 7 通道号。数码管与CPU间的接口用四片 8 位串行输入、并行输出电路 74LS138, 一方面传输数据 , 另一方面驱动数码管。 多路数据采 集、显示、存储 系统的发展现状 自从人类进入文明社会后，无论是工农业生产，还是国民生活的每个环节，只要有创造性的活动，就需要有规划，有计
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