多路电压信号采集与显示系统方案

1、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 43.2.1 前端输入调理 43.2.2 键盘显示模块的设计 63.2.3 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

2、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”

3、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C8051F41叶片机部自带的一个12位SAR ADC （模/数转换器）和一个27通道单端输入多路

4、选择器，该ADC得最大转换速率为200ksp& 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

5、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。AT89

6、S51 单片机是一个低功耗，高性能CMOS 8 位单片机，片含4k BytesISP(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弓I脚结构，芯片集成了通用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

7、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 微控制器核、4 个通用的16 位定时器、两个12 位电流输出DAC、 2304字节部数据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

8、。由于C8051F410 中带有 12 位的 A/D 转换器、高速8051 微控制器核，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，本题要时循环显示 8 路不同值的电压信号来实现 “自动循环

9、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128X64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以8X4个（16X16点阵）

10、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1

11、2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

12、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

13、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。矩阵键盘图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,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

14、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、部补偿频率的双运放，适用于电压围很宽的单电源而 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：AufUoRfUiRi其中 =3,所以6=2令 R1=5K?,，则 Rf=10K?两路量程为：05V;利用电阻对其进行5/3倍

15、的衰减，将量程衰减到03V,其中电阻的计算公式：R5R6 =5R63令 R5 =2.2K?,贝U R6 =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：R9R10R10=5令 R9 =22K?,贝U R10 =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:Ui %R14U0R14其中电阻的计算公式：R13 R14 =10R14令 R13=27K?,贝U R14 =3K?J115153030R21K+5IC2 AR3LM3585，0KH+5R5LM358IC2B2.2kR72.2kR922kR11

16、22kR1327kR15+5D1R63.3kR83.3kR105.5kR125.5kR14 3kJ5IC181 2 3 4 51920212223P02 196P04 2O014F1508 4QU24ZP 14, 56_2-7h IPO加也PP137ZPO362PQ252P33K 卜C BA2CVIVJ2 1EF )6543+512J3+3.3=9CI4.7UIJC1 0.1UFJ4123427kR163k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4X4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

17、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是数管显示驱动和键盘扫描控制芯片。4CH452置时钟振荡TitleSizeBDate:File:5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。+5VCCSEG0SEG1ADDRSEG2SEG3SEG4H3L2SEG5G

18、NDSEG6SEG7RSTDIG0DIG1DIG2DIG3INT#DIG4DIG5SCLDIG6SDADIG741765162U2 CH452L5T1819200*8R5R6- 20 2产 22 R8 23-R9- 24 R10 1 R11R1214 E013 E112 E211 E310 E49E8 E7ED1E3P2w3E- E0KE7 卜E6 也rDGw3W2''T''iww0'-l-_-iR12K2 1 hraK2按键图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。LM3

19、58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U31212A1117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。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r1开始4.2 单元电路的子程序4.3

20、 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/V0.1

21、0.30.50.70.9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

22、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；在允许的误差围，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（设计一制图一转印一腐蚀一钻孔一焊接一调 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

23、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11 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、理工大学21永真、全国大学生电子设计竞赛试题精解选、继红、电子工业、2007.6 31成利、数字电子技术、郭安周、：黄河水利，2005.64梅丽凤、单片机原理及应用、乐、：清华大学；交通大学，2008.1【5】胡宴如，模拟电子技术、曲文利、：高等教育，2008.6【6】朝青编，皿片机原理及接口技术 ，:航空航天大学，1999

24、年3月第一 版【7】自美编，电子线路设计实验测试 ,:华中科技大学，2000年7月 第二版附录（电路图及有关设计文件）w0 一 IJ1J12345附录SEG7 INT#516RSTINT#SCLSDADIG01PG3c9 E58E6-E1-7 DE 7 EC E亡DIG5DIG6DIG7DSCLDIG2DSDADIG410 E4电路总原理隅E4E5E4wDS1S3S7S9S11S6S8S10S12E7E6w1w0S2 S4D0w3w2w1FS13S14R22K2AS5R12K2R22K2DB CS7G S9B S11FS13 S1,A S15S16布w3w2w0115515153030DD1阖

25、+5D1J5J2；21719202123U3THIC111 1 1 1 11920 014F15082122 :7WR6GND5 X：4 X'/A'£ciVIC1伴2阳3D|N J3+3.3 I 1+3 .3Iff_|_ C1C -I- 0.1UF4.7UFJ4D2in4HD31-444.|字1. l1,C3LJ220DUM47CUf+53 T +5V+33C2D.1uf2L78D5U6C4 A1117+33VC510下财GC67TU C7 .25 ,J1 一100UF-L r0.1UF I 1jFLilU2CH452L4J17J1 15+52ADDRH3L236二1

26、6VCCGNDRSTINT#SCLSDASEG0SEG1SEG2SEG3SEG4SEG5SEG6SEG7DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4P2200*8ADBR5DEEDGFBdb14 E013 E1w2D2BC181923 R9C-06 nTL-2824 R101 R11R1212 E211 E3E1E0ML但色也10 E4987E3DIG7R12 K2DIG5DIG6E2GS9R0K2S1ES3DS5DB CS7IS8-夕B F AS11 S13 S15-S10-S12-揆建附录二程序清单/ Generated Initialization File /#include "

27、C8051F410.h"/ Peripheral specific initialization functions,/ Called from the Init_Device() function void 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

28、()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

29、-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

30、 -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,DigitalP0MDIN= 0x00;P1MDOUT= 0x80;P2MDOUT= 0x00;P

31、0SKIP= 0xFF;XBR1= 0x40;void Oscillator_Init()OSCICN = 0x85;void Interrupts_Init()IE= 0x8A;/ Initialization function for device,/ Call Init_Device() from your main program void Init_Device(void)PCA_Init();Timer_Init();ADC_Init();Voltage_Reference_Init();Port_IO_Init();Oscillator_Init();Interrupts_Ini

32、t();#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulint unsigned long intsbit CH452_SCL = P1A3;sbit CH452_SDA = Pi4;sbit CH452_KEY = P1A5;sbit led=P1A7;uchar flag=0;uchar TD;uchar x,d;uchar SM1,SM2,SM3,SM4,SM5;uchar dispbuff=0,0,0,0,0,0,0,0;uint q;uint CMD,DAT,DAT1;ulint AD,AD1,AD2,AD3

33、,AD4,AD5,ads;ulint RT=27000l;/0255/065535 /04294967295/模式标志/通道标志(0 7)/数码管显示/显示缓冲/CH452 显示及键盘的指令标志/A/D 的转换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

34、.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 del

35、ayus(void) unsigned int k;for (k=0;k<10;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<16;j+)if(cmda>=0x8000) CH452_SDA = 1; elseCH452_SDA = 0;CH452_SCL = 1; delayus();CH452

36、_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<8;j+)if(key>=0x80 )CH452_SDA = 1;elseCH452_SDA = 0;CH452_S

37、CL = 1;delayus();CH452_SCL = 0;key=key << 1 ;delayus();key = 0;for (j=0;j<8;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;/ADC 转换函数uint adc()AD0BUSY=1;dowhile(AD0INT=0);AD0INT=0;ads=ADC0H*256+ADC0L; re