单片机控制的多路数据采集系统毕业设计论文

单片机控制的多路数据采集系统毕业设计论文内容摘要：

片机及外设负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据作相应的处理。 （ 5） D/A 转换部分 D/A 转换部分也是数据采集系统的一个重要部分，在数字控制系统中作为关键器件，用来把单片机输出的数字信号转换成电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制或调节。 硬件 电路设计 本系统的硬件设计主要包括：多路转换开关及前置放大电路的设计，采样保持电路的设计，模数转换电路的设计，数模转换电路的设计。 多路转换开关 1. 多路开关的选择 多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路转换开关将多路输入中的一路接至后续电路。 切换过程可在 CPU 或数字电路的控制下完成。 常用的模拟开关大都采用 CMOS 工艺，如 8 选 1 开关 CD405双 4 选 1 开关 CD405三3 选 1 开关 CD4053 等。 本设计是实现 32 路数据采集，所以选择 4 片 8 选 1 的 模拟 开关。 模拟多路开 关中，不可避免导通电阻 RON的存在。 RON使信号电压产生跌落，跌落量与流过开关的电流成正比 [3]。 设计中希望 RON越小越好，但是 RON越小的器件价格越高。 所以根据器件的价格和系统的容忍度，选择 RON的值。 多路开关的主要参数是精度和速度。 多路开关的精度以传输误差的大小来间接表示。 多路开关的速度以信号通过多路开关的通过率来间接表示。 传输误差是衡量多路开关的一个指标， 多路开关的传输误差包括两个方面。 （ 1）多路开关导通电阻加上信号源阻抗与负载阻抗构成了分压器。 当要求精度为%时，负载阻抗就应至少是开关导 通电阻与信号源阻抗之和的 104 倍。 在数据采集系统中，多路开关的负载一般是采样 /保持器。 因为典型的多路开关的导通电阻为 200欧姆～ 200 千欧姆，所以，如果信号源阻抗在几百欧姆以下，则作为负载的采样 /保持器，其输入阻抗应在 108欧姆以上。 （ 2）多路开关的漏电流在信号源阻抗上产生偏移电压，而漏电流与工作温度关系很大。 因此，应该根据最高工作温度时的漏电流来计算偏移误差。 通过率是衡量多路开关的另一个指标，是多路开关从一个通道切换并使下一个通道建立到规定精度所能达到的最高切换率。 它一方面取决于多路开关建立时间，并与 规定湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 5 的建立精度有关，另一方面为了避免两个通道同时接通，多路开关被设计为 “先断后通 ”，这增加了断开到接通的延时，影响了通过率的提高。 在确定多路开关的通过率时，要跟据系统的采样速率来考虑。 根据上面的分析，本设计 选用的是采用 CMOS 工艺的 8 选 1 开关 CD4051。 CD4051的模拟信号范围为 177。 ，导通电阻 RON为 125 欧姆， 关断漏电流为 ，开关时间为 120ns。 2. 多路转换开关 CD4051 CD4051 由电平转换电路、译码驱动电路和 CMOS 模拟开关电路三部分组成。 开关部分的供电电压为 VEE（低端 ）和 VDD（高端），因此需要的控制电压为 VEE～ VDD，电平转换电路将输入的逻辑控制电压（ A、 B、 C、 INH 端）从 VSS～ VDD转换到 VEE～ VDD以满足开关控制的需要。 （ 1） CD4051 的引脚功能及使用方法 VEE、 VDD、 VSS：电源线。 VSS接地。 单极性信号输入时， VEE和 VDD分别接地和正电压，双极性输入时， VEE和 VDD分别接负电压和正电压。 VDD与 VEE之差最大为 16V。 C、 B、 A：通道地址。 当 CBA=000B～ 111B 时，可选择通道 S0～ S7。 INH：禁止控制端。 INH=1 时 ，所有通道均被断开；当 INH=0 时，则根据 CBA 的值选择一个确定的通道与输出接通（即可选择一个由 CBA 确定的输入通道与输出通道）。 使用该控制端还可以方便地实现多通道的扩展。 S0～ S7： 8 个通道的输入输出通道。 当用作多到一开关使用时为输入线，当用作一到多开关使用时为输出线。 OUT：输出 /输入公共端。 利用 S0～ S7和 OUT 引线可以完成输 入 /输 出。 （ 2） CD4051 原理 在用作 8 选 1 模拟 多路开关时， CD4051 有 8 个数据输入端，在 3 个选择输入 端 A、B、 C 的控制下，从 8 个模拟开关中选择 1 个模拟开关使之导通， 将相应的输入数据通过导通的模拟开关送到公共输出端。 CD4051 有 1 个公共输出端，当该输入端为高电平时，不论数据输入端和 输出 端如何变化，在内部的 8 个模拟开关均为关断状态。 其真值表如表 1 所示。 表 1 CD4051 真值表 INH C B A 所选通道 0 0 0 0 S0 0 0 0 1 S1 … … … … … 0 1 1 1 S7 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 6 1 S0～ S7均未选中 3．控制程序 （ 1） 消除抖动引起的误差 和机械开关类似，多路开关在 通道切换时也存在抖动过程，会出现瞬变现象。 若此时采集多路开关输出信号，就可能引入很大的误差。 影响测量结果的准确性。 消除抖动的常用方法有两种：一种是 用 硬件 方法 来实现，即用 RC 滤波器除抖动；另一种是用软件延时的方法来解决。 在有微控制系统中，软件方法较硬件方法更显优势。 （ 2） 准确定时 实际应用中，需要对多路信号进行 连续 采样，并且每次采样的间隔也有严格的要求。 这就要求控制器具有严格的定时机制。 实践中用定时器控制采样时序。 本设计是对 32路模拟信号进行采集，每路采集 频 率为 ，那么系统总的采样 频 率为 32=40 KHz，也就是 400181。 s 切换一次通道，采集一个数据。 在本设计的系统中，只需要设计定时器，实现 400181。 s 定时中断，在中断处理程序中采集数据。 在设计系统时，设计定时器400181。 s 定时中断 ，具体程序如附录 1 所示。 前置放大电路 传感器检测出的信号一般是微弱的，不能直接用于显示、记录、控制或进行 A/D 转换。 因此，在进行非电量 到 电量转换之后，需要 将 信号放大 [4]。 由于前置放大器要求输入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以 本设计 选用高阻抗、低漂移的运算放大器 AD521作为前置放大器。 AD521 放大 器的简化原理如图 2 所示。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 7 图 2 AD521 简化原理图 工作原理：差分输入电压 VI加在外接电阻 RG两端，在 RG上产生的不平衡电流 ΔI=VI /RG；流过晶体管 BG1和 BG2，由于晶体管 BG3和 BG4为镜象电流源所偏置，迫使流过BG3和 BG4集电极的电流相等。 因此由差分输入电压所产生的不平衡电流流过另一个外接电阻 RS，由于反馈放大器的作用，该放大器的输出电压 Vo 和电阻 RS两端的电压保持相等，因此可得： GSIO RRVV  (21) 即放大器的放大倍数的计算公式为 22 所示： GSIO RRVVG  (22) 可见，只要适当改变 RS / RG之比值即可改变放大器增益。 其放大倍数可在 1~1000的范围内调整。 作为一个精密的仪用放大器， AD521 仅 有两只增益调整电阻 RG 和 RS，通过调整RG和 RS的阻值，可使放大器在 ～ 1000 增益值范围内取得任意值，电阻 RG和 RS之比率的调整不会影响 AD521 的高 CMR（达 120dB），或高输入阻抗（ 3109 欧姆 ）。 此外， AD521 与大多数由单个运放组成的仪用放大器的不同点是： IX1 △=△VO/RS BG4 BG3 BG1 BG2 2I 2I 镜 象 电 流 源 U+ U 敏感端 输出端 IVI/RG I+VI/RG RG VI/RG=△I RS IX2 I I 基 准端 VI 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 8 （ 1） 不需要采用精密匹配的外接电阻。 （ 2） 输入端可承受的差动输入电压可达 30V，有较强的过载能力。 （ 3） 对各个增益段均进行了内部补偿，并具有优良的动态特性，其增益带宽达40MHz。 AD521 放 大器的典型外部接线图 如图 3 所示。 引脚 OFFSET(4， 6)用于调整放大器零点，调整线路是芯片 4， 6 接到 10 千 欧姆 电位器的两个固定端，电位器滑动端接负电源 U(脚 5)。 引脚 RG(2， 14）用于外接电阻 RG，电阻 RG用于调整放大倍数。 引脚 RS(10，13)用于外接电阻 RS，电阻 RS用于对放大倍数进行微调。 选择 RS=100 千 欧姆 177。 15%时，可以得到比较稳定的放大倍数。 7121310811645111423A D 5 21+ 15 V1 5 VRG1 0KRs 1 00 K输入输出 图 3 AD521 的外部接线图 因为选择 RS=100 千 欧姆 177。 15%时，可以得到比较稳定的放大倍 数，本设计选择 RS为 100 千 欧姆 ，根据公式（ 21）可知，只要 RG选择不同的阻值，就可以得到不同的放大倍数，即就是增益值。 表 2 所示为 RG选择不同的阻值，对应的增益值。 表 2 增益表 增益值 RG 1 兆欧姆 1 100 千欧姆 10 10 千欧姆 100 1 千欧姆 1000 100 欧姆 采样 /保持电路 由于模拟量转换成数字量有一个过程，这个动态模拟信号在转换过程中是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度。 尤其是在同步测量系统中，几个通道的模拟量均需取同一瞬 时值。 如果通过多路开关将各通道的信号按时序分别直接送入 A/D 转换器进行转换（共享一个 A/D），所得到的值就不是同一瞬时值，无法进行比较、判断与计算。 因此，要求输入同一瞬时 的 模拟量在整个模数转换过程中保湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 9 持不变，但在转换之后，又要求 A/D 转换器的输出端能跟踪输入模拟量的变化。 能完成上述任务的器件叫采样 /保持电路，简称采 /保器（ S/H）。 当输入信号为缓慢变化的信号，在 A/D 转换期间的变化量小于 A/D 转换器的误差，且不是多通道同步采样时，则可以不用采样 /保持电路。 最基本的采 样 /保持 电路由模拟开关、保持电容和缓冲放 大器组成，如图 4 所示图中 S 为模拟开关， UC模拟开关 S 的控制信号， CH为保持电容。 当控制信号 UC 为采样电平时，开关 S 导通，模拟信号通过开关 S 向保持电容 CH充电，这时输出电压 Uo 跟踪输入电压 UI的变化。 当控制信号 UC为保持电平时，开关 S 断开，此时输出电压 Uo 保持模拟开关 S 断开时的瞬时值。 为使保持阶段 CH上的电荷不被负载放掉，在保持电容 CH与负载之间需加一个高输入阻抗缓冲放大器 A。 采 样 /保持 电路有两种工作状态，即 “采样 ”和 “保持 ”状态，在采样状态中，采 样 /保持 电路的输出跟随模拟输入电压。 一旦发出保持命令，采 样 /保持 电路将保持采样命令撤消时刻的采样值，直到保持命令撤消并再次接到采样命令为止。 此时采 样 /保持 电路的输出重新跟随输入模拟信号的变化，直到下一个保持命令发生时为止。 图 4 采样 /保持器原理图 1. 采样 /保持电路的主要参数 （ 1）孔径时间 tAp 在采 样 /保持 电路中，由于模拟开关 S 有一定的动作滞后，保持命令发出后到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间 tAp。 由于孔径时间的存在，采样时 间被额外延迟了，在 tAp期间输出仍跟随输入变化。 （ 2）捕捉时间 tAC 采 样 /保持 电路的控制信号 UC 由 “保持 ”电平转为 “采样 ”电平之后，其输出电压 Uo将从原保持值过渡到跟随输入信号 UI值，这段过渡时间称为捕捉时间 tAC。 它包括模拟开关的导通延时时间和建立跟踪的稳定时间，显然，采样周期必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入的模拟信号 UI。 （ 3）保持电压衰减率 在保持状态下，由于保持电容的漏电流会使保持电压发生变化，式 23 中 ID为保持阶段保持电容 CH 的泄漏电流，它包括缓冲放大器的输 入电流、模拟开关断开时的漏电流、电容内部的漏电流等。 增大电容 CH可减少这种变化，但捕捉时间 tAC也随之增大。 UO UC CH 模拟输入信号 驱 动信号 UI S A 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 10 此外，减小 ID可减少这种变化。 采用高输入阻抗的运算放大器，选择优质电容如缉、聚四氟乙烯电容作保持电容以及。