《课程设计说明书数据采集系统的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计说明书数据采集系统的设计（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、数据采集系统的设计1.课程设计的目的计算机控制系统课程设计是自动化专业的一个重要实践教学环节。在课程设计过程中，学生通过一个较完整的设计过程，可以加深对本门课程所学理论知识的理解与应用，提高学生对所学理论知识的综合运用能力，使学生对计算机控制系统有一个整体认识，掌握计算机控制系统的设计方法。通过课程设计，还可以培养学生独立工作能力，为将来毕业设计打好基础。2.方案论证2.1设计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
2、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。2.2方案选择系统硬件电路如图：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。图1系统电路结构框图3.系统硬件电路设计3.1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。图2系统连线结构图3.2 硬件系统各个
3、电路的设计3.2.1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。图3 CD4051引脚图 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
4、关真值表见表1。图4 16通道的多路模拟开关表1 十六通道的CD4051多路模拟开关真值表输入状态选中通道号A3A2A1A000000000110010200113010040101501106011171000810019101010101111110012110113111014111115（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
5、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 AD574内部结构图3.2.2 AD574的引脚功能图6 AD574引脚图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位有效。：片选信号端，低电平有效。A0：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
6、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=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。BIP 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
7、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CEA0工作状态0禁止1禁止1000启动12位转换1001启动8位转换101接1脚（+5V）12位并行输出有效101接地0高8位并行输出有效101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A0在数据输出期间不能变化。如果要求AD574A以独立
8、方式工作，只要将CE、端接入+5V，和A0接至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 。图7 AD574的时序图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8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
9、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为双极性转换电路，可实现输入信号-5V+5V或-10V+10V的转换。图8单极性转换电路图9 双极性转换电路3.2.3 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
10、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 8051与AD574连线图3.3单片机模块3.3.1 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
11、的AT89S51可为许多嵌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
12、片还具有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。在编程电压方面,AT89C51的编程电压
13、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。5.电源范围更宽:AT89S51工作电压范围,达4-5.5V,而AT89C51在底于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(Wat
14、chdog 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。3.3.2AT89S51引脚及功能介绍AT89S51引脚图如下图11所示：图11 AT89S51引脚图AT89S51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。XTAL1： 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：
15、来自反向振荡放大器的输出。P0口： 一组8位漏极开路型双向I/O口。也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口： 一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号
