计算机控制实验报告(过程接口板设计)

实验一：过程接口板设计上机报告1、 设计内容 设计一个32路的数据采集系统2、 设计要求 1、输入信号为正负5V；用查询法读取A/D的转换数； 2、用Protel软件画出该数据采集板的原理线路图。3、 设计过程 1、设计原理系统总框图如图所示： 系统原理框图根据系统原理框图得到设计的主要组成如下： （1）多路数据输入单元。 （2）采样保持电路的A/D转换单元。 （3）硬件和单片机的连接电路。 （4）单片机输出的数据锁存和D/A转换单元。其中设计包括： 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 2、设计步骤 32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、D/A转换部分。 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中。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。本实验要实现32路数据采集，则选择4片8选1的模拟开关CD4051。CD4051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。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。由于前置放大器要求输入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以选用高阻抗、低漂移的运算放大器AD521作为前置放大器。 AD521的外部接线图3）采样/保持电路当输入信号为缓慢变化的信号时，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。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。UOUCCH模拟输入信号驱动信号UIA 采样/保持器原理图采样/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。AD582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。它采用14脚双列直插式封装，其管脚及结构示意图所示，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)。 AD582管脚图 由于AD582的以上特征，所以选择AD582采样保持器。下图为AD582的连接图。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。 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 多通道共享采样/保持器与A/D转换器图 A/D转换器的选择模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。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。 此实验中的AD574采用双极性工作方式，连接方法如图所示。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。5）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。AD574与单片机的接口电路如图所示。 AD574与单片机的接口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。6）、D/A转换器接口电路设计若应用系统中只有一路D/A转换或虽然有多路转换，但并不要求同步输出时，则可以选择单缓冲接口方式。在单缓冲接口方式下，ILE接+5V始终保持有效，由写信号控制数据的锁存，和相连，接单片机的WR，数据同时写入两个寄存器。传送允许信号与片选相连，选中DAC0832后，写入数据立即启动转换。4、 设计结果 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