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文档简介
1、目录绪论11、方案确定21.1 任务分析21.2方案分析及确定22、硬件电路设计32.1信号处理模块设计32.2自动校正模块设计52.3 A/D模数转换模块52.4AT89C51构成总控系统82.5显示、报警电路102.6晶振电路112.7系统总电路图113、软件设计123.1程序总流程图123.2A/D转换模块程序设计133.3占空比为20%的5V50HZ方波生成133.4与上位机通信程序143.5中断服务程序154、元件清单165、总结17参考文献:附录: 绪论随着时代科技的迅猛发展,微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪
2、表和控制装置被更先进的智能仪器所取代,使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化,并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 智能仪器是把一个微型计算机系统嵌入到数字式电子测量仪器中而构成的独立式仪器。嵌入的计算机系统可以是芯片级,如单片机、数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)等,模板级如PC-4。也可以是系统级,如微型计算机系统,可编程单芯片系统( System on a ProgrammableChip,SOPC)等。智能仪器在结构上自成一体,有的仪器内部还带有专用的微型计算
3、机系统和通用接口总线( General Purpose Interface Bus,GP IB)接口,能独立完成测试。智能仪器由于引入了计算机,功能强大,性能优异,使用灵活、方便,是现阶段高档电子仪器的主体。本文介绍了一种常见的智能仪器数据采集与电压监控系统。通过AD1674单片机的控制,能够使数据采集、处理、保存、将数据传送到上位机等功能得以简捷化、智能化。该系统具有高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性等优点。在数据采集方面,采用12位A/D转换器AD1674进行模数转换能够保证采样精度并具有降低能耗、价格低廉等优点。而在信号处理方面,采用双T型带阻滤波电路,能够很好的去除50HZ的工频干扰
4、。 1、方案确定1.1 任务分析根据任务要求,需要对24V变化范围的模拟信号进行连续采样,采样频率为10HZ。需要设计合适的A/D转换电路对该模拟信号进行模数转化,为了满足实时数字显示、采样值小于2V、大于4V时报警灯闪烁的需要,经A/D转换后的数字信号要能及时传入合适的单片机进行处理,然后在显示电路中显示出来。根据任务要求,需要保存最近的50个连续采样值,为了不占用单片机宝贵的内存资源,可以对单片机进行数据存储器扩展,用于采样值的保存。另外,由于待采集的模拟信号中有尖峰脉冲干扰和50HZ的工频干扰,会影响采样的精度。同时,尖峰脉冲干扰由于会出现瞬时大幅值信号,不仅会损害采集系统,而且该信号进
5、入单片机后容易使系统受到干扰,使程序跑飞,引起系统瘫痪。为此,需要在A/D模数转换之前进行信号处理;而在单片机出可以采用“看门狗”技术来防止以上情况的出现,保证系统能够稳定、精确的运行。为了消除环境因素对测量准确度的影响,需要使设计的系统能够实现内部自动校准功能。因此,可在系统中加入校正电路,对零点和增益进行自动校准。最后,系统需要满足的对系统误差进行线性插值校正、与上位机进行串口通信、产生占空比为20%幅度为5V的50HZ脉冲波等功能,可以通过软件设计来满足。通过上述任务分析,可得到如图1系统总体方案:自动校正模块模拟信号 单 片 机 系 统上位机“看门狗”系统A/D模数转换信号处理模块报警
6、电路显示电路 图1:系统总体方案1.2方案分析及确定由图1可以看出,对于该智能化数据采集和电压监控系统,信号处理模块、A/D模数转换模块、单片机系统为其重要组成部分。这三个部分的不同设计会有不同的方案。信号处理模块:信号处理模块是保证系统能对信号进行精确采集的基础。常用的信号处理模式有滤波、调制两种。A/D数模转换模块:模拟信号在时间和数值上是连续的,而智能系统只能处理时间和数值上离散的数字信号,是系统测量分辨率的决定环节,其性能的好坏将直接影响所设计系统的性能。常用的A/D转换器有并联比较型、双积分型、逐次逼近型等。单片机系统:单片机系统是智能化数据采集和电压监控系统的核心,主要用于对系统各
7、模块间的控制;对数字信号进行相关分析处理、保存以及与上位机进行通信等任务。但常见的51系列单片机均能满足以上需求。因此,单片机的选择不作为方案选择的参考条件。方案一:信号处理模块采用低通滤波器,用于滤除50HZ的工频干扰。A/D转换器采用常见的并行输出ADC0809芯片。方案二:信号处理模块采用调制解调电路,直接将所需测量的模拟信号从干扰中分离出来。A/D转换器采用AD574A芯片。方案分析:由于该系统所测量的信号变化范围在2-4V,属于小范围变化信号。若采用调制解调电路原信号进行去干扰处理,会由于调制解调电路所用器件过多,使信号出现不可控制的失真。该方案的关键在于A/D对信号的真实采样,因此
8、对源信号进行过多的处理,反而会使系统的性能降低。因而在该方案设计中,只需采用简单的滤波电路对信号进行去干扰处理即可。对于A/D转化模块的选择,由设计要求可知,测量的分辨率需要达到1mv,而转化范围为2-4V。因此,需要分辨率11位的ADC,而并行输出ADC0809的分辨率只能达到8位,AD574A的分辨率位12位,为保证测量分辨率,需要采用分辨率为12位的AD574A。综上分析,在该智能系统中,我采用的是由滤波电路构成信号处理模块、AD574A构成A/D模数转换模块的系统方案。2、硬件电路设计2.1信号处理模块设计根据已设定的方案,该信号处理模块采用滤波电路。常用的滤波电路有高通滤波电路、低通
9、滤波电路、带通滤波电路和带阻滤波电路。由于该系统中,信号的干扰主要为50HZ的工频干扰,干扰频率已知且稳定,相反,有用信号的频率未知。因此,本设计中采用带阻滤波器,滤除50HZ的工频干扰信号。本方案采用的带阻滤波电路为一种基于RC双T网络的二阶带阻滤波电路其电路图如图2所示。 图2:二阶带阻滤波电路双T网络必须具有平衡式结构: (1)在这样的电路中,滤波R、C元件位置互换,仍为带阻滤波电路。在实际应用中,电容值取。在此条件下,滤波器参数为: (2) (3)根据公式(3)可知,阻带频率与C、有关,为了保证电路的对称性,令,,此时阻带中心频率为50HZ。根据公式(2):该滤波器对信号有放大作用,而
10、会使A/D转化模块输出的信号出现放大失真,甚至引起系统的错误运行(比如,一个不到4V的信号被放大到4V以上,从而触动电压监控系统,使报警电路报警)。因此,在设计时取消R和,此时的滤波放大倍数。根据电路平衡结构式(1)式可得到电阻的取值为。2.2自动校正模块设计在智能系统中,由于存在滤波、A/D转换等模块,会使系统出现零点漂移、增益误差等,从而影响测量数据的准确性。因此需要对系统进行自动校正。常见的校准方法有零点漂移自动校正和增益自动校正。其校准原理图如图3所示: 图3:自动校准原理图校准原理:设线性校正方程为:式中 :真值 :测量值 、:误差系数设= 0时 = = 时= 将两组数据代入校正方程
11、得: 联立解得: 则线性校正方程为:校正方程中的项,可以消除零位误差,误差系数 可以校正增益误差2.3 A/D模数转换模块在该方案中,A/D转换芯片选用12位的ADC12138。 ADC12138是12位逐次逼近式A/D转换器,转换时间为25s,转换误差为1LSB。输出具有三态缓冲器,可直接与微处理器接口;模拟量输入有单极性和双极性两种方式,接成单极性方式时,输入电压范围为010V或020V,接成双极性方式时,输入电压范围为-5V5V,-10V10V。片内含电压基准和时钟电路。内部结构如图4所示: 图4:AD1674A内部结构AD1674A引脚: 模拟输入MUX(复用器)。A通道输入选择在DI
12、引脚的地址信息,这是加载在SCLK的上升沿到地址寄存器。电压施加到这些输入不应超过VA +或低于VA -或低于GND。 模拟输入引脚,用作伪地面时,模拟多路转换器是单端的。 复用器输出引脚。多路转换器被使用时,这些引脚应被连接到A / DIN引脚,直接或通过一个放大器和滤波器 转换器的输入引脚。 MUXOUT1通常连接到A/DIN1的。 MUXOUT2通常连接到A/DIN2 DO数据输出引脚。当CS为低,该引脚是一个上升沿输出。当CS为高,此输出为三态DI串行数据输入引脚。施加到这个引脚的数据在SCLK的上升沿被转移到多路复用地址和模式选择寄存器。EOC该引脚是一个上升沿输出,表明ADC121
13、3/8引脚上的逻辑。低状态表明ADC忙转换,自动校准,自动调零或断电周期。上升沿EOC这些周期结束的信号。A/D启动引脚,低电平有效片选输入引脚DOR数据就绪引脚SCLK串行数据时钟输入CCLK转换时钟输入正模拟电压输入PD掉电引脚电源引脚ADC12138与微处理器接口电路如图5所示: 图5:AD1674与单片机通信接口电路2.4AT89C51构成总控系统 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,提供以下标准功能:4k 字节Flash 闪速存储器,128字节内部RAM,32 个I/O 口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工
14、串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。其管脚图如图6所示: 图6:AT89C51引脚图AT89C51管脚说明: VCC:供电电压GND:接地P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时,P0 口
15、作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16
16、位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(
17、外部中断1)P3.4 T0(计时器0外部输入)P3.5 T1(计时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想
18、禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(V
19、PP)XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入XTAL2:来自反向振荡器的输出AT89C51与AD的连接电路图如图5所示 2.5显示、报警电路显示、报警分别由数码管和报警灯构成。用于接收单片机给出的信号显示或报警。其电路图如图7所示 图7:信号显示及报警灯2.6晶振电路晶振是给单片机提供工作信号脉冲的.这个脉冲就是单片机的工作速度。不同频率的晶振会使单片机的工作频率不一样。由于本设计需要产生一个50HZ的脉冲,则晶振采用常见的12MHZ晶振。其电路图如图8所示 图8:晶振电路 2.7系统总电路图系统总电路图见附录13、软件设计软件设计涉及A/D与单片机的通讯、自动校准模块的控制
20、、数码管和报警灯的点亮、与上位机的通信、内部数据处理、产生所需要方波等部分。3.1程序总流程图 保存调用AD子程序调用显示子程序进行6次数据采集,用于系统校准 继续采样? 开始单片机、AD、显示模块初始化 结束调用方波发生子程序方波输出调用上位机通讯子程序YN图9:程序总流程图3.2A/D转换模块程序设计根据校准模块2.2的设计思路,校准模块需要在系统开始运行时,进行0V和5V输出时的采样,采样值保存在寄存器中,通过一定的运算作为校准基准。A/D转换模块程序的设计中,需要注意A/D芯片的引脚以及其对应的功能。为了能使单片机与A/D正常通信,需要对通信口正确定义(定义接口参照2.2所示),并根据
21、需要做相应的控制。相应程序设计如下:程序流程图如图10所示开始 void adjust(void)unsigned int v1,v2,v3,v4,v5,v6;v1 = get_v(3);A/D清零v4 = get_v(2);v2 = get_v(3);v5 = get_v(2);v3 = get_v(3);A/D转换v6 = get_v(2);v1 = (v1+v2+v3)/3;v2 = (v4+v5+v6)/3;4V?a0 = (v2-v1)/(5*10000);LED1报警a1 = v1;ADtemp_s = get_v(0); void delay2(uchar a) /延时LED0报
22、警2V?uchar b,c;for(b=0;ba;b+)for(c=0;c200;c+);结束 图10:A/D控制程序3.3占空比为20%的5V50HZ方波生成 由2.6的设计可知,单片机的工作频率为12MHZ,在产生脉冲信号时,可以采用定时工作一。而20%占空比则可以用输出5次高电平、输出1次低电平的方式产生。 定时初始值:由公式 可得:其C语言程序如下:程序流程图如图11开始定时器初始化开定时器等待中断中断?中断服务程序void interrupt_t0_square() interrupt 1TH0 = 0xFD;TL0 = 0xFD; n+;if(m 49) point = 0;if(
23、num=50) 发送完?num = 0;flag = 0;NY返回 Y 图12:单片机与上位机通信开始保护现场和断点3.5中断服务程序定时器0中断程序中断服务-void Timer0_isr(void) interrupt 1 using 1if(pwm) pwm = 0;关中断TH0 = 0xbf;TL0 = 0x33;恢复现场elsepwm = 1;TH0 = 0xf8;开中断TL0 = 0xcd;返回断点 图13:中断服务程序 定时器1中断程序void Timer1_isr(void) interrupt 3 using 1/定时器1执行数码管动态扫描 static unsigned i
24、nt count,j; TH1=0xfc;/重新赋值 TL1=0x18; j+; if(j=300) j=0;ADFlag=1; /定时置位AD采样标志位 4、元件清单元件型号数量元件型号数量11121A/DAD16741151单片机AT89C5112锁存器74LS37311LED2 5、总结这次课程设计是对微机原理、单片机、智能仪器设计基础等学科的综合运用。同时还回顾了一些测控电路中的滤波器只知识。在课设过程中,充分回顾了AT89C51单片机的系统设计,以及AD、数码管显示等部分的相互通信的电路设计以及程序编写。特别在程序编写部分,运用C语言来编写程序,有别于学习过程中接触的汇编,这样的尝试
25、使我拓展了知识面,同时对单片机的了解更加深入。另外,在设计学会了中采用protues进行电路绘制以及仿真。紧张而忙碌的时间不知不觉地从身边走过,回想这两周以来的设计过程,期间值得回味的有很多。通过本次的课程设计使我更深刻的理解了智能仪器并且对这门课程有了新的认识:这门课程非常的实用而且有趣。这也深深的知到了自己的知识和理论水平远远的不足。由于课题所要求使用的软件是我们从未接触过的,并且要在2周内熟悉并能熟练使用,所以在设计过程中遇到了不少的困难。但人在经过这段困难时期后,经过查阅大量的参考书籍,同学之间不断的探讨以及老师的细心讲解,及时的指导后,设计的思路终于有了眉目。接下来就是了解各种芯片的
26、功能,然后画出设计草图,分析。虽然最终出来的结果并不是十分完整和正确,但毕竟是辛苦劳动的结果,我仍然感到欣慰。课程设计结束了,但期间同学之间的团队合作和老师的耐心指导,让我体会良深,在此我要感谢同学以及指导老师的帮助。合作和老师的耐心指导,让我体会良深,在此我要感谢同学以及指导老师的帮助。在这次课程设计中感到遗憾的就是在很多同学的帮助下也没有很好的完成这次设计,虽然能够画出电路原理图以及成功调试好程序,但终因能力有限,不能很好的将其仿真出来。这也足以证明自己学习的理论知识不够。距离要求有一点距离,还希望老师见谅。参考文献:1 史健芳. 智能仪器设计基础M. 第二版. 北京:电子工业出版社, 2
27、012.2 徐玮等. C51单片机高效入门M. 第二版. 北京:机械工业出版社, 2010.3 张国雄. 测控电路M. 第三版. 天津:天津大学, 2008.4 何帅. 基于高速采样ADC的数据采集系统D. 湖南大学, 2012.5 乔巍, 杜爱玲, 陈春. 高速数据采集系统信号调理电路的设计J. 电子技术, 2003(第4期).6 鲁连刚. 滤除50Hz工频干扰的滤波电路设计J. 辽宁师专学报, 2012, 第14卷(第一期).附录:附录1:电路总图附录2:系统总程序#include reg52.h#define uchar unsigned char#define uint unsigne
28、d intextern display_data();extern get_v(unsigned char nu);extern bit ADFlag;extern bit flag;extern uint ADtemp,ADtemp_s;extern Init_Timer();extern display_dispose();data uchar data_s50; /记录最新50个测量值uchar point = 0; /最新值所在位置指针uchar a0,a1; /校正系数uchar num2=0,num4=0; /灯闪烁延时sbit led0= P13; /低于2V指示灯sbit led1= P14; /高于4V指示灯/*- 采样校正函数get_v(3)返回输出为零时的值get_v(2)返回输出为5V时的值-*/void adjust(void)unsigned int v1,v2,v3,v4,v5,v6;v1 = get_v(3);v4 = get_v(2);v2 = get_v(3);v5 = get_v(2);v3 = get_v(3);v6
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