数据采集电路设计.docx

南京理工大学

科 目 现代测量技术与误差分析

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2011年05月06日

一种基于AT89S52的数据采集系统电路设计
摘 要
　 本数据采集系统是以单片机AT89S52 为控制核心的四通道数据采集系统,该数据采集系统具有电路简单、功耗低、可靠性高等优点,能实现对多路模拟通道信号的数据采集与处理。并将采集的数据送经F/V变换电路，使得低频率信号转换为目标电压，从而驱动控制电机。
关键词:单片机，数据采集系统
一.主要功能指标和系统方案选择
1．信号产生器指标分析
由于测试用信号发生器相对独立，可以先进行设计，这部分必须完成两个模块的工作：一是低频正弦波的产生；二是F/V变换电路。在这里低频正弦波的产生可以依赖于现有的芯片完成。ICL8038是一款常见的单片集成函数发生器，其工作频率范围在几赫兹至几千赫兹之间，可同时输出方波、正弦波、三角波3种波形，配以简单的外围电路，能实现输出频率的线性调节，因此，对于该题目，单片集成发生器是一种叫理想的选择。
对于F/V变换器来说，高性能、低成本的LM331是理想的选择。加上输出电压的线性调整电路，就可得到较好的实现方案。
2.四通道数据采集的指标分析
常见的数据采集系统提出采用上位机和下位机两层结构模式。下位常采用单片机完成前端的多路数据采集，上位机则通常用PC机或工控机来实现系统的控制和相关的数据处理机结果显示。有线常用RS-232或RS-485正弦协议等，其上可以运行地址或数据等不同的信号类型，之间采用分时或编码的方式加以区分。
用于采用主从双MCU系统，所以这部分问题的核心在于选择什么芯片。题目要求采样四通道，精度为4位。因此可以采用8位的ADC芯片，在于MCU揭开问题上，常有并行接口和串行接口两中方式。
这里选用RS-485，因为它采用差分传输，两根传输线，有效距离很广，同时能方便扩展多个从机设备。
3.总体设计方案
图1是数据采集系统原理框图，它由变送器、A/D转换和LM331转换器、单片机及驱动控制构成。各部分模块的作用如下:
(1) 被测物理量:需要采集的非电量信号;
(2) 传感器变送器:为了把这些非电量转换为电量,需加传感器变送器,使传感器变送器输出的信号为电压信号. 这里为扭转传感器，其基本要求如下：
量程：－120度~120度;
传感器灵敏度：80mv/度;
传感器分辨率：0.01度;
传感器信号输出频率：<100Hz;
(3) 仪表放大器:对微弱的电压信号进行放大,以便与A/D 转换器连接,保证电压的转换精度;
(4) 被测电量:本设计采用0V～5V 之间的直流电压作为一路输入信号;
(5) A/D 转换器:将模拟量转换成数字量;
(6) 单片机:是整个系统的控制器件。本设计采用AT89S52为数据采集系统的控制核心;
(7) LM331:将小于100Hz的频率线性变换为-10～10V的电压，作为电机所需驱动电压。

图1 　数据采集系统原理框图

二.数据采集电路的设计
1.正弦波振荡电路设计
选用单片集成函数发生器ICL8038构成正弦波振荡器，如图2所示。
图2 正弦波发生器电路原理图

其中D1的作用是产生一个较稳定的电压，使得T1集电极获得一个较稳定的电流约为V1/R2，调节RP1可线性地得到Vc .将RP2调至中间位置，可使得8038的输出频率与控制电压Vc成线性关系。因此，输出正弦波的频率f与其调节电位器RP1阻值间关系为：

将参数代入后，可得

调节电位器RP1，即改变，可以获得满足题意的正弦波输出。

2. F/V变换电路设计
LM331 是专用的F/ V 转换集成电路,内含能隙基准电源,具有很高的转换精度及温度稳定性。而且频率适应范围宽、线性好、外围电路简单。LM331 内部结构框图及相关外围元件如图2 所示，其变换的关系式为：

取=100、=4.7、=0.01,则有
设计要求将小于100Hz的频率线性变换为-10～10V的电压，代入参数数据可知变换式为

这里若取=2475，再用一个加法电路将输出的电压抬高95V/99≈0.96V即满足电机所需驱动电压－10V~10V的要求,也可以选择其他的值，使电压达到最好的值。

图3　LM331 内部结构框图

3.从机系统电路设计
从机系统电路原理如图4所示。该电路主要由一片51单片机AT89S52、ADC芯片ADC0809和RS-458电平转换芯片MAX485构成。这里由于51系列单片机P0口作为了普通I/O口用时集电极开路，所以外接了上拉电阻。
主控制器可采用单片机小系统，只要在其串口接一片MAX485即可，其DE端接在P1,2或其他任何空闲的单片机口线上。

图4 从机系统的电路原理
本设计采用ADC0809 作为系统的模数转换器。ADC0809 是TI 公司生产的8 位逐次逼近式模数转换器,包括一个8 位的逼近型的ADC 部分,并提供一个8 通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑,为模拟通道的设计提供了很大方便. 用它可直接将8 个单端模拟信号输入,分时进行APD 转换,在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为APD 转换电路的核心。

三．主要器件说明
1.LM331芯片说明
该芯片各引脚功能说明如下:脚1 为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;脚2 为输出端脉冲电流幅度调节,RS 越小,输出电流越大;脚3 为脉冲电压输出端,OC门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4 为地;脚5 为单稳态外接定时时间常数RC ;脚6 为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7 电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw ;脚7 为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;脚8 为电源V cc ,正常工作电压范围为4～40V。
工作时由输入脉冲V i触发单稳态电路,输出正脉冲的宽度Tw 按式Tw = 1. 1 Rt Ct 计算,其工作原理及波形与555 定时器构成单稳态时相同。脉冲经内部电路恒流变换后从脚1 输出,由外接RC 电路滤波变成直流电压。由于输出脉冲的高电平宽度是固定的,可见输出的直流电压大小与单位时间内输出的脉冲个数(即输入触发脉冲的频率) 成正比。
LM331 输入脉冲的有效频率范围1Hz ～100kHz ,但在电路设计时必须保证其单稳态输出脉冲的宽度Tw ≤0. 8 Tmin (其中Tmin为输入脉冲周期的最小值) ,以避免在最高频率输入时出现输出饱和现象而产生附加的非线性误差。
2 At89s52
At89s52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8K字节在系统可编程 Flash AT89S52。
P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
3 .ADC0809
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片
(1)主要特性
　　1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。
　　2）具有转换起停控制端。
　　3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）　
　　4）单个＋5V电源供电
　　5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
　　6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度
7）低功耗，约15mW。
（2）内部结构
　　ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近
（3）外部特性（引脚功能）
　　ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图13．23所示。下面说明各引脚功能。
　　IN0～IN7：8路模拟量输入端。
　　2-1～2-8：8位数字量输出端。
　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
　　ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
　　START： A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
　　EOC： A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
　　OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
　　CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。
　　REF（+）、REF（-）：基准电压。
Vcc：电源，单一＋5V。

参考文献:
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