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1、课程设计说明书 NO.1数据采集系统的设计1 系统方案设计1.1设计任务要求设计一个数据采集系统。其主要功能有：可实现 1-16通道单端模拟量输入，输入电压范围为 0-10V，分辨率为 12位。并且实时显示通道号和相应的输入电压值。要求：完成软、硬件设计。16路模拟量输入信号的控制，可通过多路开关来实现；A/D 转换器要选择分辨率为 12位，输入电压值要经过标度变换、转换为 BCD码后送去显示。1.2系统方案系统硬件电路如图 1：AD574 将 010V 模拟信号转换为 00FF 数字信号并传送单片机， 然后由单片机进行数据存储及数据处理，最终由 LED 显示器显示。完成对模拟信号的采集。16
2、 路 模拟信号A/D 转换 单片机AT89S51数码管显示图 12 硬件系统设计2.1 硬件系统设计原理如图 2所示，本系统中，以 AT89S51单片机为运算和控制的核心，它具有 4个 8位并行的 I/O端 P0-P3，其中由 P0口控制数码管显示，P1 口控制信号输入。16 路模拟量采集由两个 CD4051完成，A/D 转换由 AD574完成。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.2图 22.2 硬件系统各个电路的设计2.2.1多路模拟开关电路设计（1）.多路模拟开关的选取目前采用 CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。尽管模拟开关种类很多，但其功能基本相同，只是在通道数、开关电阻、漏电流、输入
3、电压及方向切换等性能参数有所不同。多路模拟开关主要有 4选 1、8 选 1、双 4选 1、双 8选 1和 16选 1等，它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。常用单端、双端八路模拟开关 CD4051的引脚图如图 3所示。沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.3图 3 VDD为正电源，VEE 为负电源，VSS 为地，要求 VDD+|VEE|18V。用两个 CD4051扩展成 16通道的多路模拟开关如图 4所示，16 通道的多路模拟开关真值表见表 1。图 4 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.4表 1 十六通道的 CD4051多路模拟开关真值表输入状态A3
4、 A2 A1 A0选中通道号0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 60 1 1 1 71 0 0 0 81 0 0 1 91 0 1 0 101 0 1 1 111 1 0 0 121 1 0 1 131 1 1 0 141 1 1 1 15沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.5（2）.A/D 转换器的选取AD574是美国模拟器件公司（Analog Devices）推出的单片高速 12位逐次逼近型A/D转换器，转换时间25s。自带三态缓冲器，可以直接与 8位或 16位的微机相连，且能与 CMOS及 TTL电平
5、兼容。由于 AD574内置基准电压源及时钟发生器，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切 A/D转换功能。可以采用12V 和15V两种电源电压，应用非常方便。图 5所示为 AD574A的内部结构框图。AD574A为 28 引脚双列直插式封装，其引脚配置如图 6 所示。图 5沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.63 AD574的引脚功能图 6 VL：数字逻辑部分电源+5V。：数据输出格式选择信号引脚。当 =1（+5V）时，双字节输出，即 128/12 8/12条数据线同时有效输出；当 =0（0V）时，为单字节输出，即只有高 8位或低 4位8/12有效。：片选信号端，低电平有效。C
6、SA0：字节选择控制线。在转换期间：A0=0，AD574A 进行全 12位转换。在读出期间：当 A0=0时，高 8位数据有效；A0=1 时，低 4位数据有效，中间 4位为“0”，高 4位为三态。因此当采用两次读出 12位数据时，应遵循左对齐原则。：读数据/转换控制信号，当 =1，ADC 转换结果的数据允许被读取；当CRCR/=0，则允许启动 A/D转换。/CE：启动转换信号，高电平有效。可作为 A/D转换启动或读数据的信号。Vcc、VEE：模拟部分供电的正、负电源，为12V 或15V。REF OUT：10V 内部参考电压输出端。REF IN：内部解码网络所需参考电压输入端。沈 阳 大 学课程设
7、计说明书 NO.7BIP OFF：补偿调整。接至正负可调的分压网络，以调整 ADC输出的零点。10VIN、20VIN：模拟量 10V及 20V量程的输入端口，信号的另一端接至 AG引脚。DG：数字公共端（数字地）。AG：模拟公共端（模拟地）。它是 AD574A的内部参考点，AG 和 DG在封装时已连接在一起。DB0DB11：数字量输出。STS：输出状态信号引脚。转换开始时，STS 达到高电平，转换过程中保持高电平。转换完成时返回到低电平。AD574A 的控制信号的组合控制功能如表 2所示。表 2 AD574A的控制信号的组合控制功能表CE A0 工作状态0 禁止 1 禁止1 0 0 0 启动
8、12 位转换1 0 0 1 启动 8 位转换1 0 1 接 1 脚（+5V） 12 位并行输出有效1 0 1 接地 0 高 8 位并行输出有效1 0 1 接地 1 低 4 位加上尾随 4 个 0有效必须指出 端与 TTL 电平不兼容，故只能用通过布线接至+5V 或 0V 上。另外8/2A0在数据输出期间不能变化。如果要求 AD574A 以独立方式工作，只要将 CE、 端接入+5V， 和 A0接8/12CS至 0V，将 作为数据读出和数据转换启动控制。当 =1 时，数据输出端出现被CR/ R转换后的数据， =0 时，即启动一次 A/D 转换。在延时 0.5s后 STS=1 表示转换正在进行。经过
9、一次转换周期 Tc（典型值为 25s）后 STS 跳回低电平表示 A/D 转换完毕，可以从数据输出端读取新的数据。启动 AD574A转换的时序图如图 7所示，AD574A 的读周期时序图如图 8所示 。沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.8图 7 图 8 AD574A有单极性和双极性两种模拟信号转换方式，这主要通过改变 AD574A引脚8、10、12 的外接电路来实现。图 9左侧所示为单极性转换电路，可实现输入信号 010V 或 020V 的转换，其系统模拟信号的地线应与引脚 9相连，使其地线的接触电阻尽可能小，图 9右侧为双极性转换电路，可实现输入信号-5V+5V 或-10V+10V 的转
10、换。图 9 沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.92.2.2 AD574与单片机连接图 10中将转换结束状态线 STS与单片机的 P1.1相连，故该接口采用查询方式。由于 AD574A片内有时钟，故无需外加时钟信号。由于 AD574A内部含有三态锁存器，故可直接与单片机数据总线接口。AD574A 是 12位向左对齐输出格式，所以将低 4位 DB30 接到 DB118，第一次读出高 8位 DB114，第二次读出低 4位，此时DB74 为 0000。图 10中，片选信号由 P0.7控制，由于图中高 8位地址 P2.7P2.0 未使用，故只使用低 8位地址，采用寄存器寻址方式。设启动 AD574A
11、的地址是 7CH，读取高 8位数据的地址为 7EH，读取低 4位数据的地址为 7FH。图 10沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.102.2.3单片机模块1、AT89S51 单片机的简介AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000次的 Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51指令系统及 80C51引脚结构，芯片内集成了通用 8位中央处理器和 ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51可为许多嵌
12、入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40 个引脚，8k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级2层中断嵌套中断，2 个 16位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片
13、还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC等三种封装形式，以适应不一样产品的需求。AT89S51与 AT89C51相比,外型管脚完全相同，AT89C51 的 HEX程序无须任何转换可直接在 AT89S51运行,结果一样。AT89S 比 AT89C51新增了一些功能，支持在线编程和看们狗是其中主要特点。它们之间主要区别在于以下几点：1.引脚功能:管脚几乎相同,变化的有,在 AT89S51中 P1.5,P1.6,P1.7具有第二功能,即这 3个引脚的第二功能组成了串行 ISP编程的接口。2.编程功能：AT89C51 仅支持并行编程，而 AT89S51不但支持并行编程还支持ISP再线编程。在编程电压方
14、面,AT89C51 的编程电压除正常工作的 5V外,另 Vpp需要12V,而 AT89S51仅仅需要 4-5V即可。3.烧写次数更高:AT89S51 标称烧写次数是 1000次,实为 1000-10000次,这样更有利开始学习者反复烧写,降低学习成本。4.工作频率更高:AT89C51 极限工作频率是 24MHZ,而 AT89S51最高工作频率是33MHZ,(AT89S51芯片有两中型号,支持最高工作频率分别为 24MHZ和 33MHZ)从而具有更快的计算速度。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.115.电源范围更宽:AT89S51 工作电压范围,达 4-5.5V,而 AT89C51在底于
15、4.8V和高于 5.3V的时侯则无法正常工作。 6.抗干扰性更强:AT89S51 内部集成看门狗计时器(Watchdog Timer),而 AT89C51需外接看门狗计时器电路,或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。2、AT89S51 引脚及功能介绍AT89S51引脚图如下图 11所示：图 11沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.12AT89S51芯片的 40个引脚功能为：VCC： 电源电压。GND： 接地。RST： 复位输入。当 RST 变为高电平并保持 2个机器周期时，将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR的 DISRTO位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISKRTO 位缺省为 RESET输出高电平打开状态。XTA
