双通道数据记录仪

2016年全国大学生电子设计竞赛

广西区第一阶段双通道数据记录仪黄新2016.06.121、题目要求1.1设计任务

设计并制作一个双通道数据记录仪，一个通道以热电偶为传感器采集温度，一个通道采集模拟电压信号，其原理示意图如下图所示。21.2要求1.2.1基本要求（1）温度通道：温度测量范围0~100℃，温度分辨率1℃；（2）模拟通道：直流电压幅度范围0~20V，电压分辨率20mV；（3）记录数据记录的时间；（4）利用液晶采用文本方式显示两个通道记录的数据。31.2.2发挥部分（1）温度通道：温度分辨率0.5℃；（2）模拟通道：交流电压峰峰值幅度范围10mV~50V，频率范围1Hz~100kHz，电压分辨率1mV；（3）每个通道记录数据不低于5000个数据；（4）具有自动切换量程功能；（5）以波形的方式显示记录的数据；（6）其它。42、硬件电路设计52.1系统组成及原理2.2

温度通道2.2.1K型热电偶测温电路原理K型热电偶所测温度为热端与冷端的温度差，在实际测量时，冷端需要温度补偿。输出信号经过前置滤波电路进行滤波，可以衰减热电偶上的噪声，提高温度精度。滤波后的信号差分输入放大器，能很好地抑制共模噪声。62.2.2冷端补偿电路AD592电流型集成温度传感器，MC1403精密电压源72.2.2冷端补偿电路LM35为电压型输出温度传感器，测温范围为-50℃～150℃，温度每上升1℃，输出电压增加10mV，而K型热电偶的灵敏度为40μV/℃。为了使冷端T1电势随温度变化与K型热电偶变化一致，对LM35输出电压进行分压处理，调节RP1使T1电势E=VOUT/244，此时冷端电势变化为40μV/℃，即可达到冷端温度补偿的目的。892.2.3热电阻10热电阻四线测量电路11热电阻三线测量电路2.3模拟通道基本部分：直流电压幅度范围0~20V，电压分辨率20mV发挥部分：交流电压峰峰值幅度范围10mV~50V，频率范围1Hz~100kHz，电压分辨率1mV122.3.1衰减电路

衰减系数C1R1=C2R2为最佳补偿基本部分：5～20V，衰减1/4发挥部分：5～50V，衰减1/10132.3.2放大电路如果ADC采用12位，基准电压4.096V，此时电压分辨率为1mV，此时不需要放大。如果ADC为8位，基准电压5V，此时电压分辨率约19mV，小信号需要放大。1mV-250mV信号放大20倍142.4AD转换电路2.4.1ADC选择（1）电压采集范围基本部分：0～20V，发挥部分：10mV～50V。（2）电压分辨率基本部分：温度通道1℃,模拟通道：20mV发挥部分：温度通道0.5℃,模拟通道：1mV152.4.2

ADC位数基本部分：温度通道：0～100℃，模拟通道：0～20V（0～5V，5V～20V）ADC位数至少8位。发挥部分：模拟通道10mV～50V1)10mV～5V，5V～50V ADC位数8位2)10mV～4.096V,4.096V～50VADC位数12位ADC位数建议为8位或12位。162.4.3ADC参考电压发挥部分电压分辨率为1mV，建议采用基准电压源作为参考电压。MAX6021 2.048V ±7mVADR392 4.096V ±4mVREF3020AIDBZT 2.048V±4mVREF02AP 5V ±5mVLM385BD-2-5

2.5V172.4.4ADC转换速度基本部分被测电压为直流，发挥部分要求采集交流电压，最高频率100kHz，为了更好的恢复被测信号波形通过AC-DC转换后再测量，被测电压为直流电压，因此对ADC的转换速度要求较低。一般ADC的转换速度均满足要求。182.4.5ADC型号ADC0809： 8位AD574： 12位ADS7950： 12位ADS802： 12位MAX197： 12位192.5存储器模块发挥部分：每个通道记录数据不低于5000个。存储器要求：（1）容量不低于10KB；（2）最好具有掉电不丢失数据功能（FLASH，E2PROM）尽量选择存储器空间满足要求的单片机；或者增加片外E2PROM存储器：AT24C16：16KB。202.6

显示电路基本部分：显示被测温度和模拟通道直流电压，用1602，12232，12864等液晶即可满足要求。发挥部分：需要绘制被测波形，因此需要320×240以上分辨率的图形液晶。212.7实时时钟电路采用实时时钟，实现数据的记录时间，如DS1302，外接纽扣电池实现掉电后保护数据。222.8键盘模块（1）功能日期，时间设置；数据记录查询；（2）数字按键0～9（3）功能按键选择显示通道，量程切换，＋，-，功能键，确定共6个功能键（4）采用4×4矩阵键盘232.9

微处理器（1）指令周期AT89S51：12时钟周期 33MHzATMEGA32L：1～2时钟周期 16MHzSTM32F103ZE：1～2时钟周期 72MHzMSP430F5438：1～2时钟周期 18MHzSTC89C51：6时钟周期 80MHz24（2）RAM空间AT89S51：128BRAM4KBFLASHATMEGA32L：2KBRAM32KBFLASH

STM32F103ZE:64KBRAM512KBFLASH

MSP430F5438:16KBRAM256KB+512BFLASHSTC89C51：512BRAM,1K+E2PROM4KFLASH25（2）ADC,DAC及接口AT89S51：无ADC，DAC，I2C和SPIATMEGA32L：10位ADC，SPI，STM32F103ZE:12位ADC，12位DAC，SPI，I2C，USB，DMA，24位计数器

MSP430F5438:12位ADC，SPI，I2CSTC89C51：无ADC，ATC5A60系列等有ADC263

软件设计3.1显示模块（1）底层驱动液晶忙检测，写数据，写命令，设置显示位置等。（2）初始化程序函数完成液晶的初始化设置（3）指定位置显示字符串（4）指定位置显示汉字（5）指定位置显示十进制数函数27（6）LCD12864忙标志检测voidLCD12864_CheckBusy(void){unsignedcharnum;num=100;LcdData=0xff;LCD12864_RS=0;LCD12864_RW=1;LCD12864_EN=1;Delay_40US();

//延时时间根据手册进行调整while((LcdData&0x80)&&num--);LCD12864_EN=0;

}28（7）LCD12864写数据voidLCD12864_WriteData(ucharData){LCD12864_CheckBusy();LCD12864_RS=1;LCD12864_RW=0;LCD12864_EN=0;LcdData=Data;LCD12864_EN=1;Delay_40US(); //延时时间根据手册进行调整LCD12864_EN=0;}29（8）LCD12864写命令voidLCD12864_WriteCommand(ucharCmdCode){LCD12864_CheckBusy();LCD12864_RS=0;LCD12864_RW=0;LCD12864_EN=0;LcdData=CmdCode;LCD12864_EN=1;Delay_40US(); //延时时间根据手册进行调整LCD12864_EN=0;}30（9）波形绘制如采用12864液晶显示波形，采用10个点作为1div，共10div*6div，垂直方向中线作为0电平。液晶绘图按纵向方向，每次写入一个字节，一条垂直线共8个字节，因此建立一个8字节的图形缓冲区。31将AD的测量结果与点阵建立联系设垂直灵敏度1V/Div，则0.1V/dot点垂直位置Y32333.2按键处理1）键扫描扫描原理：行列扫描法和线路反转法；键扫描函数：返回结果：0x00：无键按下,其余按键返回按键键值2）按键延时去抖delay10ms();343）键处理显示通道键：选择温度通道还是模拟通道；量程切换键：选择模拟通道量程或选择自动量程。＋，-键：在查询记录状态，可通过＋，-键选择前后的记录，在日期，时间调整状态，可通过＋，-键调整日期或时间。功能键：日期，时间设置，记录查询，波形显示，以确认键确认选择的功能。353.3ADC程序设计（1）底层驱动AD信号定义，利用单片机IO口实现AD接口时序；AD采集函数返回二进制采集结果；ADC0809OE=0; //输出禁止AD_ADDR=0x00; //通道地址START=0;START=1; //启动脉冲START=0;While(!EOC); //检测转换结束OE=1; //输出使能AD_Data=DataPort; //读取转换结果OE=0;36（2）电压采集程序1）测量结果－电压转换2）直流电压多次测量进行多次测量取电压平均值。373.4ADC的定时采集

3839频率范围采样率（Sa/s)记录的波形周期数1Hz～100Hz10005～500100Hz～100KHz500K1～10001Hz～10Hz50001～1010Hz～100Hz50K1～10100Hz～1kHz500K1～1010kHz~100kHz5M1～103.5量程自动切换程序设置欠量程Dmin＝0x10，Dmax＝0xF0当前测量电压数字量为Dx若Dx<Dmin,欠量程，切换到小量程；若Dx>Dmax,超量程，切换到大量程。403.6实时时钟程序（1）I2C读写函数（2）初始化函数（3）日期和时间的设置函数（4）日期和时间的读取函数413.7数据记录格式每个通道记录的数据格式：通道号采样率

记录时间

数据数量数据第1个字节：通道号01第2～3个字节：采样率5000Sa/s第4～10字节：2016年6月12日9：10：01第11～12字节：记录数据数量5000第13字节以后：记录的数据。4212345678910111213…01138820160612091001138811…4系统调试（1）安装前测试测电源与地之间的电阻，判断是否短路；肉眼观察电路板，线与线之间是否短路，是否有线腐蚀断了。43（2）安装器件1）按功能模块安装器件；2）每个模块按器件高度由低到高，体积由小到大的顺序安装器件。说明：1）安装好关键器件后检测电源和地之间是否短路；2）安装时一定要确定器件型号，参数，方向；3）可以用芯片插座的尽量用插座。44（3）安装后测试1）不接芯片，用万用表测电源和地之间的电阻；2）肉眼观察是否有短路，虚焊，器件型号，方向是