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64.
2.设计任务设计一能采集8个通道的模拟量的精密数据采集系统主要技术指标
(1)模拟量通道数8;
(2)AD转换分辨率14位(数据实质是12位,加符号位和过量程指示位,总共14位);
(3)模拟量输入范围0-
4.8V;
(3)数据通信与显示方式采集到的数据通过串口发送到上位计算机,由计算机显示数据;
(4)上位计算机与数据采集系统(下位机)通信方式串口通信,主从通信方式,上位机为主机,下位机为从机由上位机发起通信,下位机响应,将采集到的8路数据一并发送到计算机中
3.设计方案按要求,设计数据采集器方案如下所示数据采集器采用STC51系列单片机作为微控制器,模拟开关MAX308的地址A
0、A
1、A2分别与P
1.0~P
1.2连接,通过控制P1口输出来选择输入信号,将信号依次输入送入双积分AD转换器ICL7109的模拟信号输入端,在使用模拟开关时,将模拟开关的输出端连接到ICL7109的输入通道即可ICL7109的转换结果通过P0口传给单片机,单片机将采集结果通过串行通信RS232接口上传给上位PC机,实现数据的采集图1数据采集器方案示意图
4.数据采集器的电路设计下面将介绍设计电路具体方案其中包括电源电路的设计、数据输入设计、ICL7109与单片机连接设计、模数转换设计、单片机转串口与计算机通信设计4.1电源电路的设计利用ICL7660将+5V电源变换成-5V电源的电路如下图所示C
1、C2 采用漏电小、介质损耗低的10uF旦电容,以提高电源转换效率当UDD﹤+
6.5V时,5脚可直接作为输出(将5脚沿虚线接输出端Uo);当UDD﹥
6.5V时,为避免损坏芯片,输出电路需串入二极管D该电路的输出电流不宜超过10mA 图2电源电路4.2数据输入电路设计数据输入部分由模拟开关MAX308实现多路信号的切换MAX308是单8路(单刀16位)模拟开关,各开关由外部输入二进制的地址码A
0、A
1、A2来切换其中脚
1、14和16是地址码A
0、A
1、A2的输入端;输入脚A
0、A
1、A2分别与单片机P
1.0~P
1.2相连,改变P1输出即可切换输入通道,控制脚接高带串行接口的14位模数转换集成电路(ADC),它包含有跟踪/保持电路的一个底飘溢、底噪声、掩埋式齐纳电压基准电源它的转换速度快、功率消耗底、采样速率高达308ks/s点,满量程输入电压范围为±5V,功耗为210mW可与大多数流行的数字信号处理器的串行接口直接接口,该输入可以接收TTL或CMOS的信号电平,时钟频率为
0.1-
5.5MHz模拟多路复用精密,8-Channel/Dual4通道,高性能,CMOS模拟多路复用器图3MAX308功能引脚图图4数据输入电路4.3ICL7109与89C51单片机的硬件接口设计A/D转换器ICL7109的数据输出形式为12为二进制码,且与微处理器有良好的兼容特性,所以可以与8031单片机直接相连硬件接口电路如图6示图中将ICL7109的MODE引脚接地使其工作于直接输出工作方式将RUN/HOLD接+5V,这样ICL7109可进行连续转换将STATUS线与8031的INT0相连,这样每完成一次转换便向889C51发一次中断请求由于采用了3.85MHZ的晶振,故ICL7109完成一次转换所需的时间为T=8192(脉冲周期)x58/3.85MHZ=132.72ms,即转换速率为7.5次/秒其中ICL7660是+5V输入—5V输出的电源极性变换器图中是利用STATUS的下降沿发中断请求信号,在中断服务程序中12位数据要分两次读出,分别用HBEN,LBEN控制,并能同时得到极性和是否溢出的标志下面介绍ICL7109连续转换时的转换程序ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高,在要求速度不太高的场合,如用于称重,测压力等各种高精度测量系统时,可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数,并配有较强的接口功能,能方便的与各种微处理器相连
4.
3.1ICL7109的内部结构与芯片引脚功能
1、ICL7109的内部电路结构ICL7109的内部电路有模拟电路和数字电路部分组成模拟电路部分由模拟信号输入振荡电路、积分、比较电路以及基准电压源电路组成图5ICL7109与8031单片机的硬件接口下图为数字电路部分的结构他由时钟振荡器、异步通讯握手逻辑、转换控制逻辑以及计数器、锁存器、三态门组成高位字节输出引脚低位字节输出引脚17345678910111213141516ICL7109181620电压比较器输出226222324252127图6ICL7109数字电路部分内部结构
1、模拟信号输入模拟信号可差分输入,分别接入差分输入高端INHI(35脚)和差分输入低端INLO(34脚)模拟信号公共端为COMMON(33脚)
2、时钟电路ICL7109片内有振动器及时钟电路片内提供的多功能时钟振动器既可用作RC振荡器,也可作为晶体振荡器OSCSEL(24端)为振荡器选择OSCSEL(24端)为高电平或开路时片内为RC振荡器,此时OSCOUT(23端)和BUFOSCOUT(25端)外接电阻、电容到OSCIN(22端),如图4所示;OSCSEL为低电平时,外接振荡晶体,片内为晶体振荡器如图5所示接成RC振荡器时,振荡器频率为0﹒45/RC(电容不能小于50PF)接成晶体振荡器时,内部时钟为58分频后的振荡器频率为了使电路具有抗50串模干扰能力A/D转换时应选择积分时间(2048个时钟数)等于50HZ的整数倍例如取积分时间为50HZ的1倍,即20MS,则晶体频率F=(2048个时钟周期)x(58/20MS)=5﹒939MHZ;对于RC振荡器,则F=(2048个时钟数)/20ms=102﹒4KHZ
3、接口方式ICL7109内部有一个14位(12位数据和一个极性,一位溢出)的锁存器和一个14位的三态输出寄存器,可以很方便地与各种微处理器直接连接,而无须外部加额外的锁存器ICL7109有两种接口方式,一种是直接接口方式,另一种是挂钩接口方式在直接接口方式中,ICL7109转换结束时,由STATUS发出转换结束信号到单片机,单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数在挂钩接口方式时,ICL7109提供工业标准的(通用异步接收发送器)数据交换模式,适用于远距离的数据采集系统
4、ICL7109外部电路的参数选择ICL7109外部电路的连接及元件参数值如图A﹒积分电阻RINT的选择缓冲放大器和积分器能够提供20UA的推动电流,积分电阻要选得足够大,以保证在输入电压范围的线性积分电阻RINT=满度电压/20UA当输入满度电压=4﹒096V时,RINT=200KΩ,此时基准电压REFIN-和REFIN+之间为+2V,由电阻R2和电位器R1分压取得如满度电压为方便用户4﹒096MV,则RINT=20KΩ,基准电压=
0.2VRINT接入缓冲放大器输出端BUF(30脚)B.积分电容CINT的选择积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择此电压应使积分器不饱和(大约低于电源
0.3V)对ICL7109的±5V电源模拟公共点接地,积分器输出摆幅一般为±
3.5V至±4V对不同的时钟频率,电容值也要改变,以保证积分器输出电压的摆幅CINT=2048*时钟周期*20UA/积分器输出摆幅为了使积分器不饱和,积分器输出的摆幅最大为±4V,所以积分器的最小电容为1UF积分器电容越大,积分器输出摆幅越小,所以,CINT也不应选的过大,如果电路设计时选用不同的时钟频率,则积分电容应根据上面的公式计算,以便选择合适的CINT的值积分电容CINT接入积分电容连接端INT(32脚)C.自动调零电容CAZ的选择积分电容CINT选定以后,自动调零电容CAZ的选择是非常容易的在模拟输入信号较小时,如0—
409.6MV,这时抑制噪声是主要的而这时积分电阻又较小,所以,自动调零电容CAZ可选为比积分电容CAZ大一倍,以减少噪声CAZ的值越小,噪声越小对于大部分实际应用系统由传感器来的微小信号都要经过放大器放大成较大的信号如0—+4﹒096mV这时噪声的影响不是主要的,可把积分电容Cint选大一些以减少复零误差,使Cint=2CazD﹒基准电容Cref的选择一般情况下Cref取值1uf较好但如果存在一个大的共模电压(即基准电压低端不是模拟公共点),对于模拟输入为0—+409﹒6MV的情况下,要求电容值较大,以防止滚动误差,在这种情况下,如选Cref=10uf可以使滚动误差在0﹒5以内4.4单片机转串口与计算机通信设计图8单片机转串口与计算机通信设计图9单片机转串口与计算机通信设计4.6整体电路
4.
6.
1.整体电路原理图图10数据采集整体电路
4.
6.
2.整体电路PCB图图11整体电路PCB图
5.软件调试:
5.1程序设计主流程图图12程序主流程图图13中断流程图
5.2程序清单#includereg
52.h#includeintrins.h#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitLBEN=P2^0;sbitHBEN=P2^1;sbitCE=P2^2;sbitRUN=P2^3;bitflagflag1;uintdatanum
[9];uchardataacon
[2]it=0bf;voidinit{EX0=1;//开放外部中断0IT0=1;//选择外部中断0的中断方式为下降沿触发方式TMOD=0x20;//采用T1定时器,工作方式2(8位自动再装入方式)SCON=0x50;//串行口控制寄存器采取工作方式1TH1=0xFD;TL1=TH1;PCON=0x00;ES=1;//开放串行口中断TR1=1;//启动定时器1EA=1;//开总中断LBEN=1;HBEN=1;P0=0xff;}voidsenduintc{uchardat1dat2;dat1=c/256;SBUF=dat1;while!TI;TI=0;dat2=c%256;SBUF=dat2;while!TI;TI=0;}voidmain{init;while1{switchf{case1:P1=0x00;break;case2:P1=0x01;break;case3:P1=0x02;break;case4:P1=0x03;break;case5:P1=0x04;break;case6:P1=0x05;break;case7:P1=0x06;break;case8:P1=0x07;break;default:break;}CE=0;RUN=1;while!flag;flag=0;num[f]=num
[0];RUN=0;CE=1;iff!=0!flag1sendnum[f];ifflag1!=1f=0;ifcon
[0]==acon
[1]==l{con
[0]=0;con
[1]=0;flag1=1;f=0;}ifflag1==1{f++;iff=9{flag1=0;fori=1;i8;i++{sendnum[i];}}}ifcon
[0]==H{switchcon
[1]{case1:f=1;break;case2:f=2;break;case3:f=3;break;case4:f=4;break;case5:f=5;break;case6:f=6;break;case7:f=7;break;case8:f=8;break;default:break;}con
[0]=0;con
[1]=0;}t=0;}}voidreadinterrupt0{LBEN=1;HBEN=0;num
[0]=P0;num
[0]=num
[0]*256;LBEN=0;HBEN=1;num
[0]=P0|num
[0];LBEN=1;HBEN=1;flag=1;}voidUARTInterruptvoidinterrupt4{ifRI{RI=0;con[t]=SBUF;t++;ift==2t=0;}elseTI=0;}
6.电路的装配与调试过程6.1电路焊接焊接时要主要布线和焊点的合理分布,采用手工布线,尽量做到美观实际焊接过程中,要保证焊笔不要碰到已经焊好的线,否则焊好的线很容易脱落每焊接完一部分电路,就立即进行调试,测试无误后方可进心下一阶段的焊接插拔集成芯片时用力要均匀,避免芯片管脚在插拔中变弯、折断6.2调试过程实际调试中出现了不少问题,如通讯不正常,采集不稳定等等仔细检测后发现主要是电路的一些接线有错以及虚焊下面是我们的通电源逐级调试,逐级排除故障错误的调试调试过程7收获、体会和建议收获与体会
1、加强了团队合作精神,磨练了我们的意志力我们各人之间好好的配合,分工合作,设计过程没有一团乱麻更为可贵的是,我们彼此鼓励,同舟共济地处理每个问题这种团队精神将是我们美好的回忆我们花了很多心血来做这个课程设计,凡事不是一帆风顺的,我们遇到了许多困难有些困难甚至看起来难于解决,确实也是打击了我们的信心但我们毫不气馁,认真地检查电路,检查焊接的好坏,用坚强的意志解决问题,最终功夫不负有心人我们终于把这个单片机课程设计—8通道精密数据采集器设计完成了!
2、加强我们对电子器件的了解一直以来,我们都对电子器件都很感兴趣,对电子应用感到好奇这次我们亲自制作一个电子器件,虽然原理并不太复杂,但我们在这一个过程,了解电子应用的奇妙之处
3、提高了我们使用电脑对电路进行仿真的能力我们要进一步熟悉软件proteus来画电路图,并用它进行仿真;并用protel进行合理规划、布线这又让我们的知识增多了
4、做到理论联系实际刚刚学过了单片机原理与接口技术这门课程,还没完全弄懂某些元器件的原理和用途,而此次课程设计恰恰提供了一个好机会,让我们从实践中加深了对所学知识的理解
5、以前我们在电路实习中学习了焊接电路板,但只是学了很短的时间,此次设计给我们上再多一次机会,提高了我们的动手能力,焊接技术也有了很大提高
6、通过撰写说明书,掌握了毕业论文的写作规范,我们以后撰写毕业设计论文打下了坚定的基础致谢指导老师吴华波参考文献
1、牛昱光.2008年.单片机原理与接口技术电子工业出版社
1、康华光.2006年.电子技术基础数字部分(第五版).北京高等教育出版社.
2、模拟电子技术第五版康华光主编高等教育出版社2006附录元件清单元件清单元件名称元件单片机AT89S521ICL71091MAX2321MAX3081ICL76601TL431110UF
50.1UF31UF
60.022UF
10.33UF1CBB电容105j1CBB电容154jCBB电容334j
0.15UF
13.3NF122PF21M110K
22.2K12K120K可调电阻1200K116位三态输出14位锁存器模拟电路部分12位计数器振荡器及时钟电路转换控制逻辑握手逻辑。