多路数据采集电路设计含程序 1994年电子竞赛(1)

1、 多路数据采集电路设计目录 第一章 系统方案选择和论证 1.1 题目要求任务1.1.1 基本要求1.1.2 发挥部分1.2 系统基本方案1.2.1 各模块电路的方案选择及论证 （1）现场信号发生模块 （2）F/V变换模块（3）信号A/D采集处理模块 （4）双CPU通信控制模块 （5）显示模块 1.2.2 系统各模块的最终方案 第二章 硬件设计与实现 2.1 系统硬件模块关系2.2.1 正弦波信号发生器设计2.2.2 F/V变换电路设计 2.2.3信号采集处理单元模块设计 2.2.4数据地址显示电路设计第三章 系统软件设计3.1主单片机程序 3.1.1主机发送程序流程图 3.1.2主机数据处理子

2、程序图3.1.3主机显示子程序图 3.1.4主机主程序流程图3.2从单片机程序 3.2.1数据采集子程序流程图3.2.2从机中断接收子程序流程图 3.2.3从机主程序流程图 1. 系统方案选择和论证 1.1 题目要求任务设计一个八路数据采集系统。系统原理框图如1.1.1图 ：1.1.1图：系统原理框图主控器能对50米以外的各路数据,通过串行传输线（实验中用一米线代替）进行采集和显示。具体设计任务是： （1）现场模拟信号产生器。 （2）八路数据采集器。 （3）主控器。1.1.1 基本要求 （1）现场模拟信号产生器。自制一正弦波信号发生器,利用可变电阻改变振荡频率,使频率在200Hz2kHz范围变

3、化,再经频率电压变换后输出相应15v直流电压（200Hz对应1v,2kHz对应5v） （2）八路数据采集器。数据采集器第一路输入自制1V5V直流电压,第27路分别输入来自直流源的5V、4V、3V、2V、1V、0V直流电压（各路输入可由分压器产生,不要求精度）。第八路备用。将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号,在经并/串变换电路,用串行码送入传输线路。 （3）主控器。主控器通过串行传输线路对各路数据进行 采集和显示。采集方式包括循环采集（即1路、2路7路、1路）和选择采集（任选一路）二种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。 1.1.2 发挥部分 （1）利用电路补偿和其他方法提高可变电

4、阻值变化与输出直流电压变化的线性关系。 （2）尽可能减少传输线数目。 （3）其他功能的改进（例如：增加传输距离，改善显示功能等）。1.2 系统基本方案 根据题目要求系统模块分可以划分为：现场信号发生模块，V/F变换模块，信号采集处理模块，通信控制模块，显示模块。系统的框图如图1.2.1所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证后我们选择如下方案。 图1.2.1所示为系统基本功能模块图 ： 如图1.2.1系统基本功能模块图 1.2.1 各模块电路的方案选择及论证 （1）现场信号发生模块 该模块工作在远距离终端，作为模拟待采样的信号源，产生正弦波。对于该模块有以下两种方案：方

5、案一：采用ICL8038集成芯片。构成三角波发生器及正弦整形电路。该IC电路属于积分型施密特压控多谐振荡器，工作范围0.001HZ300KHZ，完全可以达到设计要求。 图1.2.2 LM358组成的正弦波发生器 振荡频率：f1/（RW2+R2）C。调节RW2可改变振荡频率频率变化范围为：.5.3KHz。输出信号的幅度调节通过改变RW1来实现。 幅度调节范围为：26V（2）F/V变换模块 F/V变换模块采用模拟集成频率-电压变换器LM331。LM331具有精度高、线形度高，温度系数低，功耗低动态范围宽等一系列优点，目前已经广泛应用于数据采集和自动控制中。 （3）信号A/D采集处理模块 该模块功能

6、主要是将输入过来的模拟信号转化成数字信号，实现数据的采集与处理。现在提出以下方案来完成此功能。 A/D采集模块工作在远程数据采集端，用于将模拟信号转换成数字信号。计划采用ADC0809作为模数转换器。ADC0809为CMOS集成电路，属于逐位逼近比较型的转换器，分辨率为8位，转换时间为100us，数据输出端内部具有三态输出锁存器，可以与单片机直接连接；而且具有8路模拟开关，可直接连接8个模拟量，并可程控选择对其中一个模拟量进行转化。它与单片机连接简单，使用方便。（4）显示模块 方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪

7、烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示三位温度值，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用四位LED七段数码管分别显示通道地址、电压值。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老 化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。 1.2.2 系统各模块的最终方案 根据以上方案，结合器件和实现条件等因素，确定如下方案： （1）.利用ICL8038集成芯片来作为正弦波信号的产生器。（2）.F/V变换模块采用LM331频压变换器。 （3

8、）.采用双单片机AT89S52和ADC0809来实完成信号的采集与处理。 （4）.单片机之间的通信选取RS-485的通信标准。 （5）.显示模块的实现是选用四位数码管动态显示。2. 硬件设计与实现 2.1 系统硬件模块关系该系统采用的是双单片机进行控制的。模拟信号经过一系列的变化传输到由单片机控制的ADC0809A/D转换器内部进行处理。按照一定的协议实现主单片机对从单片机的通信控制。 如2.1.1系统硬件电路单元模块关系图2.2.1 正弦波信号发生器设计 设计中采用ICL8038来产生正弦波。通过调节RP1来改变频率，其范围值为20HZ20KHZ，RP3用于改善正弦波负向失真。RP4改善正弦

9、波正向失真。其电路图如2.2.1：图2.2.1正弦波信号发生电路上图还可以同时产生方波、三角波等信号2.2.2 F/V变换电路设计 将正弦信号输入到F/V变换电路之前要对正弦信号进行滤波、放大。其具体的电路变换兔如下。 图2.2.2所示为系统F/V变换电路图：图2.2.2系统F/V变换电路图F/V变换模块采用精密且廉价的F/V变换器LM331，此集成电路线形度可达0.06%，该IC输出电压Vo与输出频率的关系为Vo=fi，而设计要求将2002000HZ的频率变换为15V的电压，可得到变换式为： V=0.00222f+0.556 故应对F/V变换的结果进行电位平移。2.2.3信号采集处理单元模块

10、设计 在此方案采用双单片机，即在数据采集的远端、近端均采用单片机控制，远端完成数据的采集、抽样、平滑、发送；近端完成数据的接收、校验、纠错、处理与显示等。 A/D转换器是受从单片机的控制的。其连接的电路图如图2.2.3。 图2.2.3所示为ADC0809与单片机的接口电路图：图2.2.3 ADC0809与单片机的接口电路图对A/D转换结果的读出采用查询方式，即每次通过写信号启动A/D转换后，立即查询状态标志，一旦发现EOC呈高电平，表明A/D转换结束，将数据读入89S52的RAM区。 由于ADC0809为8位，因此对05V的信号采集精度为： 5/255=0.02V/级，可以满足题目提出的精度要

11、求。 2.2.4数据地址显示电路设计 由于题目中要求传送8位二进制码，其分辨率达到1/256，显示电压分辨率为5/255=0.0192V，所以电压显示需要3位数码管。 显示采用动态扫描的方式，四个七段数码管逐位扫描。配合通道选择开头，可在LED上同时显示一路或多路数据。数码管分别显示通道地址、电压值。数码管采用共阴极，由于AT89C52单片机每个I/O的拉电流只有12mA。所以在位码和段码都加上了同相驱动器。 单片机XTAL2、XTAL1接12MHZ晶振，提供系统时钟基值。另RESET接复位按键。3. 系统软件设计 系统的软件的设计是采用汇编语言，对单片机进行编程实现各种功能。 程序是在Win

12、dows 2000环境下采用WAVE软件编写的，可以实现对八路数据的采集与处理，并能实现对数据、地址的显示。 主程序主要起到一个导向与决策的功能，决定什么时候采集数据处理数据显示数据。对于数据的处理的实际功能的实现主要是通过调用具体的子程序。本系统采用半双工传输，每次需要发送或接收数据时，控制MAX485使其成为接收器或发送器。3.1主单片机程序 主机发送为一字节指令，其高4位和低四位均为要采集的通道号，格式为0*0*。其中*=000111。主机发送完成指令后，立即转入接收状态，等待从机回送两字节数据，若在一定时间内未收到数据或收到的两字节数据不一致。则认为通信有误，转而重发一次指令。若重发三

13、次均未成功，则点亮线路故障告警灯提醒用户。3.1.1主机发送程序流程图 如3.1.1所示。3.1.2主机数据处理子程序图 如3.1.2所示。3.1.3主机显示子程序图 如 3.1.3所示。 3.1.4主机主程序流程图 如3.1.4所示。3.2.1数据采集子程序流程图 数据的采集处理子程序主要是负责采集系统信号，并对所采集的信号做初步的处理。单片机根据需要控制A/D转换器采集某通道的数据。其程序流程图见主单片机程序图3.2.1所示。 3.2.2从机中断接收子程序流程图 从机在接收到主机发送的指令后，回送相应的两字节8位A/D转换数据。中断接收子程序如图3.2.2。3.2.3从机主程序流程图 如3

14、.2.3所示 程序清单#include<reg52.h> /包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义 #include <intrins.h> /包含NOP空指令函数_nop_(); #include<stdio.h> sbit RS = P10; sbit RW = P11; sbit EN = P25; sbit DU = P20; sbit WE = P21; /显示屏用 sbit adda=P12; sbit addb=P13; sbit addc=P14; sbit h=P07; sbit ale_st=P15; sbit o

15、e=P16; sbit eoc=P17; unsigned char i=100; static char key; unsigned char j,k,temp,nan; #define RS_CLR RS=0 #define RS_SET RS=1#define RW_CLR RW=0 #define RW_SET RW=1 #define EN_CLR EN=0#define EN_SET EN=1#define DataPort P0 /*- 延时程序-*/void delay(unsigned char i) for(j=i;j>0;j-) for(k=125;k>0;k

16、-);/*-*/ unsigned char ad0809() unsigned char ad_data; ale_st=0; ale_st=1; ale_st=0; while(eoc) oe=1; ad_data=P0; delay(1); oe=0; return (ad_data); /*-*/*-*/ void cmg88()/关数码管，点阵函数DU=1; P0=0X00;DU=0;/*- uS延时函数，含有输入参数 unsigned char t，无返回值 unsigned char 是定义无符号字符变量，其值的范围是 0255 这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编,大致延时

17、长度如下 T=tx2+5 uS -*/void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t);/*- mS延时函数，含有输入参数 unsigned char t，无返回值 unsigned char 是定义无符号字符变量，其值的范围是 0255 这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编-*/void DelayMs(unsigned char t) while(t-) /大致延时1mS DelayUs2x(245); DelayUs2x(245); /*- 判忙函数-*/ bit LCD_Check_Busy(void) DataPort= 0xFF; RS_CLR;

18、 RW_SET; EN_CLR; _nop_(); EN_SET; return (bit)(DataPort & 0x80); /*- 写入命令函数-*/ void LCD_Write_Com(unsigned char com) while(LCD_Check_Busy(); /忙则等待 RS_CLR; RW_CLR; EN_SET; DataPort= com; _nop_(); EN_CLR; /*- 写入数据函数-*/ void LCD_Write_Data(unsigned char Data) while(LCD_Check_Busy(); /忙则等待 RS_SET; R

19、W_CLR; EN_SET; DataPort= Data; _nop_(); EN_CLR; /*- 清屏函数-*/ void LCD_Clear(void) LCD_Write_Com(0x01); DelayMs(5); /*- 写入字符串函数-*/void LCD_Write_Char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data) if (y = 0) LCD_Write_Com(0x80 + x); else LCD_Write_Com(0xC0 + x); LCD_Write_Data( Data); /*-*/ /*-*/

20、*- 初始化函数-*/ void LCD_Init(void) LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); LCD_Write_Com(0x08); LCD_Write_Com(0x01); LCD_Write_Com(0x06); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x0C); /*- 函数-*/ void disp(void) cmg88();/关数码管，点阵函数 LCD_Cle

21、ar();/清屏 LCD_Init(); switch(key) case 0: LCD_Write_Char(1,0,'0'); break; case 1: LCD_Write_Char(1,0,'1'); break; case 2: LCD_Write_Char(1,0,'2'); break; case 3: LCD_Write_Char(1,0,'3'); break; case 4: LCD_Write_Char(1,0,'4'); break; case 5: LCD_Write_Char(1,0,

22、'5'); break; case 6: LCD_Write_Char(1,0,'6'); break; case 7: LCD_Write_Char(1,0,'7'); break; switch(nan/50) case 0: LCD_Write_Char(5,0,'0'); break; case 1: LCD_Write_Char(5,0,'1'); break; case 2: LCD_Write_Char(5,0,'2'); break; case 3: LCD_Write_Char(5

23、,0,'3'); break; case 4: LCD_Write_Char(5,0,'4'); break; case 5: LCD_Write_Char(5,0,'5'); break; case 6: LCD_Write_Char(5,0,'6'); break; case 7: LCD_Write_Char(7,0,'7'); break; case 8: LCD_Write_Char(7,0,'8'); break; case 9: LCD_Write_Char(7,0,'9

24、9;); break; switch(nan)%50)/6) case 0: LCD_Write_Char(7,0,'0'); break; case 1: LCD_Write_Char(7,0,'1'); break; case 2: LCD_Write_Char(7,0,'2'); break; case 3: LCD_Write_Char(7,0,'3'); break; case 4: LCD_Write_Char(7,0,'4'); break; case 5: LCD_Write_Char(7,0,&#

25、39;5'); break; case 6: LCD_Write_Char(7,0,'6'); break; case 7: LCD_Write_Char(7,0,'7'); break; case 8: LCD_Write_Char(7,0,'8'); break; case 9: LCD_Write_Char(7,0,'9'); break; LCD_Write_Char(6,0,'.'); LCD_Write_Char(8,0,'v'); delay(100); /*- 主程序-*/void main() /数码管清零 while(1) h=1; P3=0xfe; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10); if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xee: key=0; adda=0; addb=0; addc=0; nan=ad0809(); disp(); break; case 0xde: key=1; adda=1; addb=0; addc=0