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多路电压信号采集与显示系统目录一、设计任务与要求1二、方案论证与比较.21.1 控制电路单片机的选择21.2 显示模块的选择31.3 AD采样模块的选择31.4数据选择模块的选择3三、系统硬件设计与理论计算43.1系统的总体设计43.2单元电路的设计与理论设计4 3.2.1前端输入调理4 3.2.2键盘显示模块的设计6 3.2.3稳压电源的设计73.3系统的总原理图8四、系统软件设计.84.1系统的总体程序流程框图84.2单元电路的子程序84.3程序清单9五、系统测试95.1系统测试方案95.2测试仪器95.3测试结果与分析9六、总结10参考文献11附录(电路图及有关设计文件) 附录一 电路总原理图附录二 程序清单附录三 元器件清单附录四 电路的实物图 多路电压信号采集与显示系统 摘要：本系统以C8051F410单片机为系统的控制核心，有输入信号调理模块、控制模块、键盘显示模块和稳压电源模块组成。利用C8051F410单片机内部自带的12位模/数转换和一个27通道单端输入多路选择器，并利用CH452控制的键盘显示模块，设计一个八路模拟信号电压采集与显示系统，其中A/D转换结果经过C8051F410单片机处理，最后通过数码管显示相应的数值。并通过按键可以选择指定通道进行测量，并在四位数码管上显示相应的数字，实现了“手动指定通道”功能。读数据准确，测量方便。本系统经测试，各项指标均达到设计要求。 关键词：C8051F410 模/数转换 键盘显示引言：单片机自20 世纪70 年代问世以来,以其极高的性能价格比,深受人们的重视和关注,应用很广、发展很快。而现在的消费类产品、通讯类产品、仪器仪表、工业测控系统中，逐渐形成了以一个或多个单片机组成的比较简单、方便和科学的智能控制系统。单片机的应用从根本上改变了控制的传统设计思想和设计方法。以前才用硬件电路实现的大部分控制功能，基本上都可以用单片机通过软件来实现。本设计利用C8051F410单片机内部自带的一个12位SAR ADC（模/数转换器）和一个27通道单端输入多路选择器，该ADC得最大转换速率为200ksps。ADC系统包括一个可编程的模拟多路选择器，用于ADC的输入。代替了AD00809模/数转换器和CD4051单端8通道数字控制模拟电子开关，同样可以实现电路检测精度。将多路被测模拟量转化成数字量，并用数字方式显示测量结果。一、设计任务与要求设计制作一个用于8路模拟信号采集与显示的系统，测试其具体参数并完成报告。要求：1.、被测模拟量为8路不同值的电压信号，电压范围为：两路：01V；两路：05V；两路：015V；两路：030V；2、 每路电压信号的幅值变化率不大于0.5伏/分钟；3、 主控芯片建议采用C8051F410单片机；4、 检测精度要求不小于千分之一；5、各路模拟量的值，要求具有“自动循环显示”的功能和显示“手动指定通道”的功能6、键盘和显示部分建议采用如下两个方案之一：（1）采用CH452来设计；（2）采用LCD12864或LCD1602等液晶屏和矩阵键盘模块来设计；7、要求采用220V工频交流供电，为系统设计合适的稳压电路；8、为了便于测试，输入端口建议采用SIP9插针，从上到下量程逐渐增加，最下面一根插针为接地；9、建议采用模块化设计，各模块用螺丝统一固定至一块较大的绝缘板上；二、方案论证与比较1.1控制器模块的选择方案一：AT89S51单片机作为控制芯片，ADC0809芯片来实现模/数转换。AT89S51单片机是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51 单片机作为控制电路的芯片。ADC0809芯片是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。同样可以满足电路要求，但是电路比较复杂，设计繁琐，不易控制。故不能采用此方案。方案二：C8051F410单片机作为数/模转换和电路控制芯片，C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。C8051F410单片机具有高速、流水线结构的8051微控制器内核、4个通用的16位定时器、两个12位电流输出DAC、2304字节内部数据RAM存储器、数字外设24个I/O端口和模拟外设一个12位SAR ADC和一个27通道单端输入多路选择器，该ADC得最大转换速率为200ksps。ADC系统包括一个可编程的模拟多路选择器，用于ADC的输入。由于C8051F410中带有12位的A/D转换器、高速8051微控制器内核，用C8051F410单片机代替了AT89S51单片机和CD4051电子开关，足够满足电路中的精度要求，而且电路简单容易控制。另外C8051F410单片机相比于AT89S51单片机即经济又简单。相比较方案一来说方案二电路更加简单，因此选用了此方案。经比较，为了更好的满足电路设计要求，控制器模块选用方案二。1.2显示模块的选择方案一：采用数码管显示。这种方案控制起来比较简单，而且数码管具有低能耗、耐老化和精度比较高等优点。虽然数码管只能显示数字，本题要求实时循环显示8路不同值的电压信号来实现“自动循环显示”功能。由于本设计只要求显示输出电压值，所以数码管完全可以满足电路设计要求，而且性价比高。方案二：采用LED点阵显示。LED只能显示非常有限的符号和数字，人机交互界面不够人性化，显示位数太多时电路比较复杂，显示效果不好，而且不易编程。方案三：采用点阵型LCD显示。LCD可以显示输出信号的波形、类型、幅度、频率、和频率步进值等，显示更美观大方，且显示的信息更多，人机交互界面更人性化，界面显示采用控制器12864的点阵型LCD显示。12864是一种图形点阵液晶显示器， 它主要由行驱动器/列驱动器及12864 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以84 个（1616 点阵）汉字。显示效果好，但是本设计只要求显示不同值的电压值，所以采用点阵型LCD显示有点大材小用，性价比不高，而且编程比较繁琐。经比较，在满足电路要求的情况下性价比高者优选，故显示模块选用方案一。1.3 AD采样模块的选择方案一： 利用ADC0809进行AD采样与转换，ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。其计算时间100us每次，而且耗能大，还要外接时钟输入，芯片的成本也高而且面积较大。方案二： 直接利用C8051F410单片机上的12位ADC进行采样，不需要外接时钟，也不需要外界的ADC芯片，节能环保，而且其采样频率快计算速度也快，该ADC得最大转换速率为200ksps。经比较，为了更好实现电路要求、降低成本，AD采样模块采用方案二。1.4 数据采集模块的选择方案一：利用CD4051进行八路数据选择。CD4051是单端8通道数字控制模拟电子开关，当选择某一通道时CD4051接通，此时CD4051接入电路相当于一个电阻，导致输入信号电压减小，不稳定，影响电路检测精度。方案二：直接利用C8051F410单片机上的一个27通道单端输入多路选择器进行数据选择。由于模拟信号电压直接接入C8051F410单片机的模/数转换接口，模拟信号电压不会有任何变动，检测精度较高，减少电路的元器件，节约成本，提高性价比。经比较，为满足电路的检测精度，故数据采集模块采用方案二。三、系统硬件设计与理论计算3.1系统的总体设计 本系统以C8051F410单片机为控制核心，有输入信号调理模块、控制模块、键盘显示模块和稳压电源模块组成。本设计利用C8051F410单片机内部自带的一个12位SAR ADC（模/数转换器）和一个27通道单端输入多路选择器，并利用CH452控制的键盘显示模块，设计的一个八路模拟信号电压采集与显示系统，其中8路的输入电压信号经过C8051F410单片机模数转换和处理，最后通过数码管显示相应的数值。并通过按键可以选择指定通道进行测量，在四位数码管上显示相应的数字。C8051F410控制模块8路电压输入8路电压处理数码管显示矩阵键盘稳压电源图1 系统的总设计框图3.2单元电路的设计与理论设计3.2.1 前端输入信号调理 如图2 所示，由于8路被测模拟量的电压信号值各不相同，需要对输入信号进行处理，处理不当则会影响电路的检测精度和稳定度。8路各不相同的电压均控制在3V内，直接输出到C8051F410单片机的模数转换接口，因为单片机的最高识别电压为3V，这样单片机内的寄存器将被顶满，这样滑动变阻器有旋转变化空间。 所以两路量程为0-1V，采用LM358进行3倍放大（最高电压为3V），直接输入C8051F410单片机进行模数转换，输出的电压先进行3倍衰减而后输出有数码管显示；两路：0-5V、两路：0-15V和两路：0-30V，均衰减到3V（最高电压为3V)，直接输入C8051F410单片机进行模数转换，输出的电压需要进行各自的衰减程度进行放大，然后输出有数码管显示。 两路量程为0-1V，采用LM358进行3倍放大（03V）。LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部补偿频率的双运放，适用于电压范围很宽的单电源而且也适用于双电源。电路中就只利用双电源供电的同相比例运算放大器来实现3倍放大，其中同相输入的比例系数：其中=3，所以=2令=5K，,则=10K 两路量程为：05V；利用电阻对其进行5/3倍的衰减，将量程衰减到03V，其中电阻的计算公式：=令=2.2K，则=3.3K 两路量程为：015V；利用电阻对其进行5倍衰减，将量程衰减到03V，其中电阻的计算公式：=5令=22K，则=5.5K 两路：030V；利用电阻对其进行10倍衰减，将量程衰减到03V，利用的是分压公式： =其中电阻的计算公式： =10令=27K，则=3K 图2 前端输入调理电路3.2.2 键盘与显示模块的设计本设计中采用了一个由CH452控制的44矩阵键盘，其中包括07的8路通道选择数字键，以及单元显示和循环显示的切换键、2个显示切换键等功能键，可同时选择2路或多路通道。显示器采用7段共阴数码管，配合通道选择开关，可在LED上同时显示1路或多路数据。键盘显示控制采用键盘/显示控制专用芯片CH452。CH452 是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。CH452内置时钟振荡电路，可以动态驱动8 位数码管或者64 只LED，具有BCD 译码、闪烁、移位、段位寻址、光柱译码等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH452 通过可以级联的4 线串行接口或者2 线串行接口与单片机等交换数据；并且可以对单片机提供上电复位信号。图3 键盘显示电路3.2.3 稳压电源的设计稳压电源电路主要是由LM7805和A1117电路组成，为电路提供稳定的所需电压。LM358双运放所需要的工作电压为5V，CH452键盘显示控制芯片也需要5V的工作电压。本设计在这里采用的是LM7805三段固定式输出电源，经过整流滤波后的电压直接送入到LM7805，然后输出稳定的5V电压，为电路提供稳定的电压。C8051F410单片机正常工作所需直流电压为3.3V，因为经过整流滤波后输出的电压大而且不够稳定，不能直接给单片机供电，本系统选用了A1117电压调整输出芯片，使其输出3.3V的直流固定电压，保证了C8051F410单片机的正常工作。图4 稳压电源电路3.3系统的总原理图四、系统软件设计4.1系统的总体程序流程框图开始系统初始化扫描按键修改转换通道Switch语句定时循环显示 0 1 2 3 4 5 6 7通道0通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7A/D转换结束？ 读取电压值送显示结束4.2单元电路的子程序4.3程序清单五、系统测试5.1 电路的测试方案(方法) （1）将系统各模块分开测试，调通后再整体调试。（2）系统整体测试。单片机程序擦写好后，依据设计要求分别测试输出信号电压的变化率，5.2 测试仪器开发平台：Windows XP；直流稳压电源；数字万用表；数字信号源5.3 测试结果与分析在第1路测试位置与地之间接好数字万用表，调节电位器的值，改变频率，读出主控器显示的电压值和万用表侧的的实际值如表2所示，同理测得27路的电压值如表3所示表1 第0、1路显示值与实际测量值通道0显示值/v0.10.30.50.70.9实际值/v0.1400.3330.5400.6660.925通道1显示值/v0.10.30.50.70.9实际值/v0.1360.3300.4520.6890.902表2 第2、3路显示值与实际测量值通道2显示值/v1.02.03.04.05.0实际值/v0.9932.0442.9803.9635.001通道3显示值/v1.02.03.04.05.0实际值/v0.9932.0462.9763.9734.990表3 第4、5路显示值与实际测量值通道4显示值/v3.06.09.012.015.0实际值/v3.0506.0549.00112.00015.039通道5显示值/v3.06.09.012.015.0实际值/v3.0526.0608.99712.01315.042表4 第6、7路显示值与实际测量值通道6显示值/v6.012.018.024.030.0实际值/v5.98711.99818.06623.99730.009通道7显示值/v6.012.018.024.030.0实际值/v5.98412.06418.05623.97629.992综上各测试数据可知，每路电压信号的幅值变化率不大于0.5伏/分钟；检测精度要求大于千分之一；在允许的误差范围内，此设计系统抗干扰性强，功耗低。六、总结论在整个电路的设计制作过程（设计制图转印腐蚀钻孔焊接调试）中，需要时刻秉着认真、仔细的态度去完成硬件的设计与焊接。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路板的检测方法掌握的不够好，因此给硬件排除故障带来了一定的难度。软件程序在实验板上可以但是捎写到单片机内就会出现很多问题，最主要的是接插件接触不良、电源的正负极这些事一定要注意的。参考文献【1】 全国大学生电子设计竞赛组委会、全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编、唐爽、北京理工大学出版社【2】陈永真、全国大学生电子设计竞赛试题精解选、刘继红、北京、电子工业出版社、2007.6【3】杨成利、数字电子技术、郭安周、郑州：黄河水利出版社，2005.6【4】梅丽凤、单片机原理及应用、韩乐、北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2008.1【5】胡宴如，模拟电子技术、曲文利、北京：高等教育出版社，2008.6【6】李朝青编，北京：北京航空航天大学出版社，1999年3月第一版【7】谢自美编，武汉：华中科技大学出版社，2000年7月第二版 附录(电路图及有关设计文件) 附录一 电路总原理图附录二 程序清单/ Generated Initialization File /#include C8051F410.h/ Peripheral specific initialization functions,/ Called from the Init_Device() functionvoid PCA_Init() PCA0MD &= 0x40; PCA0MD = 0x00;void Timer_Init() TMOD = 0x11; TL0 = 0x20; TL1 = 0xFF; TH0 = 0xD8; TH1 = 0xFF;void ADC_Init() ADC0MX = 0x00; ADC0CN = 0x80; ADC0TK = 0xF7;void Voltage_Reference_Init() REF0CN = 0x18;void Port_IO_Init() / P0.0 - Unassigned, Open-Drain, Analog / P0.1 - Unassigned, Open-Drain, Analog / P0.2 - Unassigned, Open-Drain, Analog / P0.3 - Unassigned, Open-Drain, Analog / P0.4 - Unassigned, Open-Drain, Analog / P0.5 - Unassigned, Open-Drain, Analog / P0.6 - Unassigned, Open-Drain, Analog / P0.7 - Unassigned, Open-Drain, Analog / P1.0 - Skipped, Push-Pull, Digital / P1.1 - Skipped, Push-Pull, Digital / P1.2 - Skipped, Push-Pull, Digital / P1.3 - Skipped, Push-Pull, Digital / P1.4 - Skipped, Push-Pull, Digital / P1.5 - Skipped, Push-Pull, Digital / P1.6 - Skipped, Push-Pull, Digital / P1.7 - Skipped, Push-Pull, Digital / P2.0 - Skipped, Push-Pull, Digital / P2.1 - Skipped, Push-Pull, Digital / P2.2 - Skipped, Push-Pull, Digital / P2.3 - Skipped, Push-Pull, Digital / P2.4 - Skipped, Push-Pull, Digital / P2.5 - Skipped, Push-Pull, Digital / P2.6 - Skipped, Push-Pull, Digital / P2.7 - Skipped, Push-Pull, Digital P0MDIN = 0x00; P1MDOUT = 0x80; P2MDOUT = 0x00; P0SKIP = 0xFF; XBR1 = 0x40;void Oscillator_Init() OSCICN = 0x85;void Interrupts_Init() IE = 0x8A;/ Initialization function for device,/ Call Init_Device() from your main programvoid Init_Device(void) PCA_Init(); Timer_Init(); ADC_Init(); Voltage_Reference_Init(); Port_IO_Init(); Oscillator_Init(); Interrupts_Init();#define uchar unsigned char/0255#define uint unsigned int/065535#define ulint unsigned long int/04294967295sbit CH452_SCL = P13;sbit CH452_SDA = P14; sbit CH452_KEY = P15; sbit led=P17;uchar flag=0;/模式标志uchar TD;/通道标志(0 7)uchar x,d;uchar SM1,SM2,SM3,SM4,SM5;/数码管显示uchar dispbuff=0,0,0,0,0,0,0,0;/显示缓冲uint q;uint CMD,DAT,DAT1;/CH452显示及键盘的指令标志ulint AD,AD1,AD2,AD3,AD4,AD5,ads;/A/D的转换ulint RT=27000l;code unsigned char font32 = 0xFC,0x60,0xDA,0xF2,0x66,0xB6,0xBE,0xE0, /0 1 2 3 4 5 6 70xFE,0xF6,0xEE,0x3E,0x9C,0x7A,0x9E,0x8E, /8 9 A B C D E F0xFD,0x61,0xDB,0xF3,0x67,0xB7,0xBF,0xE1, /0.1.2.3.4.5.6.7.0xFF,0xF7,0x00,0x62,0x02,0x12,0x7C,0x1C /8.9.灭 + = U L; code unsigned char key16 = 0xbe,0xce,0x8e,0xde,0xbc,0xcc,0x8c,0xdc,0xfe,0xae,0xee,0x9e,0xfc,0xac,0xec,0x9c /键盘位置码; void xscl(); /显示数据处理 /* mS延时 */void delayms(unsigned int i)unsigned int j;dofor(j=0;j!=1000;j+);while(-i);/* uS延时 */void delayus(void) unsigned int k; for (k=0;k10;k+);/* 命令、数据送CH452 */void toch452(unsigned int cmda) unsigned char j;CH452_SDA = 0;delayus();CH452_SCL = 0;delayus();CH452_SCL = 1;delayus();CH452_SCL = 0;for(j=0;j=0x8000) CH452_SDA = 1;elseCH452_SDA = 0;CH452_SCL = 1;delayus();CH452_SCL = 0;cmda = cmda 1 ;CH452_SDA = 1;delayus();CH452_SCL = 1;/* 读键盘 */unsigned char rdch452(void)unsigned char j,key;CH452_SDA = 0;delayus();CH452_SCL = 0;delayus();CH452_SCL = 1;delayus();CH452_SCL = 0;key = 0x9F;for (j=0;j=0x80 ) CH452_SDA = 1;elseCH452_SDA = 0;CH452_SCL = 1;delayus();CH452_SCL = 0;key=key 1 ;delayus();key = 0;for (j=0;j8;j+) CH452_SCL = 1;if(CH452_SDA = 1)key +;key = key 1;CH452_SCL = 0;delayus();CH452_SDA = 1;delayus();CH452_SCL = 1;return key;uint adc() /ADC转换函数AD0BUSY=1;do while(AD0INT=0);AD0INT=0;ads=ADC0H*256+ADC0L;return(ads);main()uchar i,keycode,keyn;Init_Device(); /初始化delayms(100);CMD = 0x9103;/设置CH452系统参数 toch452(CMD);CMD =