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8路数据采集系统设计报告.doc

发布时间：2022-06-05 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.66M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    8通道精密模拟量数据采集器设计
    （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
    嘉 应 学 院 电子信息工程学院 <单片机原理课程设计报告> 8 通道精密模拟量数据采集器 指导老师 吴华波 专 业 班 级 姓 名 同组人 同组人 座 号 学号 自 动 化 0 8 2 班 号 2081022136
    8 通道精密模拟量数据采集器设计 一.设计描述 目标：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。 二、方案设计 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 A0、A1、A2 分别与 P1.0~P1.2 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。 计 算 机 RS232 串行 接口 单片机 AT89S52 双积分 AD转换器 ICL7109 多路 模拟开关 MAX308 模 拟 量 输 入 数据采集器方案示意图 1. 电路原理图 a) STC12C5A60S2 单片机电路 本实验中选取 STC12C5A60S2 单片机作为微控制器，需要片外 11.0592MHz 的振荡器。在本此实验中程序 及数据不多，故无需另加外部程序存储器。单片机部分的电路如下所示：
    b) 数据输入部分 AT89C51 单片机电路 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 A0、A1、A2 来切换。其中脚 1、14 和 16 是地址码 A0、A1、A2 的输入端； 输入脚 A0、A1、A2 分别与单片机 P1.0~P1.2 相连，改变 P1 输出即可切换输入通道，控制脚接高。 通道选择电路
    c) 模数转换部分 MAX308 功能引脚图 模数转换元件选用 ICL7109，其主要特性有： ICL7109 数模转换与单片机接口电路  双积分式 12 位 A/D 转换器；  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；  双电源±5V，引入 V+，V—（40，28 脚），1 端 GND 为公共接地端。；
     模拟输入电压范围 0~+5V，基准电压供给；  工作温度范围为-55~125；  功耗约 400mW。 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=0.2V。RINT 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=2Caz。 D﹒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。 d) 串行通信部分 串行数据通信 单片机串口通信采用 RS232C 标准，由于 RS232C 标准采用正负电压表示逻辑状态，与 TTL 以高低电平表 示逻辑状态的规定不同，必须使用电平转换器件进行装换，本方案采用 Maxim 公司的 MAX232 芯片实现接口 的电平转换。MAX232 的 11、12 脚分别与单片机 P3.0、P3.1 脚相连，13、14 脚与电脑串口相连接。 串行口工作于工作方式 1 下，使用定时器 1 作为波特率发生器，定时器 1 工作于定时器方式 2 下，由于系
    统使用 11.0592MHz 晶振，所以取初值为 FDH，得，系统工作的波特率为 9600bps。 e）设计电路图 1、原理图
    2、PCB 图
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