多路数据采集器设计报告

多路数据采集器设计1.设计要求所设计的数据采集器，共有16路信号输入，每路信号都是直流0~20mV信号，每秒钟采集一遍，将其数据传给上位PC计算机。

本采集器地址为50H。

要求多路模拟开关用4067，A/D转换用ADC0809，运算放大器用OP07，单片机用89C51，通信用RS232接口，通信芯片用MAX232。

与PC机的RS232串口进行通信。

设计采集器的电原理图，用C51语言编制采集器的工作程序。

2.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AT89C51单片机作为微控制器，模拟开关4067的地址A、B、C、D分别与P1.0~P1.3连接，通过控制P1口输出来选择输入信号，将直流信号依次输入ADC0809的模拟信号输入端，ADC0809共有8路输入通道，在使用模拟开关时，仅将模拟开关的输出端连接到ADC0809的1路输入通道即可，本方案中使用0通道。

ADC0809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。

数据采集器方案示意图3.电路原理图a)AT89C51单片机电路本实验中选取8位单片机AT89C51作为微控制器，需要片外11.0592MHz的振荡器，4K字节EPROM，128字节RAM，与51单片机有很好的兼容性。

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：AT89C51单片机电路b)数据输入部分数据输入部分由模拟开关4067实现多路信号的切换。

CD4067是单16路（单刀16位）模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。

其中脚10、11、14和13是地址码A（LSB）、B、C、D（MSB）的输入端；脚2~9和16~23是开关的输入/输出端（开关位）；脚1是开关的输出/输入公共端（开关刀）；脚15为控制端，低电平有效（选通），高电平禁止（开关开路）。

输入脚A、B、C、D分别与单片机P1.0~P1.3相连，改变P1输出即可切换输入通道，控制脚与P2.4相连。

输出脚1后接电压放大电路。

c)电压调理放大电路电压调理电路由于输入信号均为0~20mV的微弱电压信号，而模数转换器ADC0809的输入量要求为0~5V 直流电压，所以必须后接电压放大电路。

放大器选用OP07，将0~20mV电压放大到0~5V，其放大倍数为250倍，一般情况下，放大器的放大倍数最好小于200倍，安全起见，选用两个OP07进行两级放大，前级放大25倍，后级放大10倍，放大电路如上图所示。

d)模数转换部分ADC0809数模转换电路模数转换元件选用ADC0809，其主要特性有：8路8位A/D转换器，即分辨率8位；具有转换起停控制端；转换时间为100s；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0~+5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40~85；低功耗，约15mW。

选择参考电压为+5V，当输入电压为+5V时，转换数据为#FFH，当输入电压为0V时，转换数据为#00H。

ADC0809片内没有时钟，用于51单片机系统时，时钟信号可由51单片机ALE端口经过一个2分频电路获得。

一般情况下，ALE信号频率是51单片机时钟频率的1/6。

若采用11.0592MHz 的晶振，则ALE的输出频率为1.8432MHz，经2分频后为921.6KHz，这个频率符合ADC0809对时钟频率的要求。

2分频电路由于多路输入信号切换由模拟开关4067实现，所以ADC0809的8路输入开关实际只使用1路，为方便起见，使用0通道输入，所以电路中将A、B、C脚接地处理，并且将IN1~IN7同样做接地处理。

IN0与电压放大输出相连。

转换结果的读取有3种方法：延时法：不利用EOC信号，启动A/D转换，等待130us后读取转换结果。

查询法：将EOC信号接到IO口，检测EOC, 若EOC=0, 则A/D转换没有结束, 继续检测; 当EOC=1 时, A/D 转换已经结束,可读取A/D转换结果。

中断法：将EOC信号接到INT0口,利用中断程序获取结果。

实际应用中，通常采用跳变触发方式。

EOC经过一个反向器接到单片机INT0上。

启动A/D转换后，单片机可以做其它工作, A/D转换结束时, EOC端产生一个由低到高的正跳变, 经反向器传输到INT0，若此时单片机的CPU处于开中断状态，并且允许INT0中断, 又没有高一级的或同一级的其他中断正在服务，则CPU立即执行中断服务程序, 在中断服务程序中读取A/D转换结果。

本次试验中，采取中断法实现转换结果的读取。

e) 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 。

4. 软件设计程序流程如下图所示，详细程序见附录一。

TMOD x SCON x ⎧⎪⎪定时器模式设置，=020通信方式设置，=050程序流程图5.仿真实验采用Proteus7.1可以很方便地进行单片机单路的仿真，本方案中需要用到串口通讯仿真，由两个MAX232器件连接模拟单片机和PC机的通信，如下图所示，左边虚线框中Max232与单片机相连，右边实线框中Max232与PC机相连，模拟上位机。

串口通信模拟电路测试输入信号由Proteus中电压探针工具提供，如图所示：各通道相应测试输入电压值如下表所示：测试输入电压值串口通信调试时实现方式有两种：1)通过虚拟串口软件VSPDXP5.0设置两个相关联的串口如COM3和COM4，在Proteus中增加一个虚拟串口控件COMPIM，通过串口调试软件如串口调试小助手进行串口调试，其过程如下：虚拟串口软件及设置在虚拟串口软件中添加一对关联的串口，本次添加的为COM1和COM2，并将红色方框处勾上。

COMPIM控件及其属性设置在Proteus中添加一个COMPIM控件，并按上图设置其属性后，运行仿真电路.。

打开串口调试小助手，按下图设置后就可以进行串口通信的调试了。

串口调试小助手及其设置运行效果图2)通过Proteus中的虚拟终端仿真串口通信过程，如下图所示，运行后，在PTXD窗口中点鼠标右键，在弹出菜单中选上“Echo Typed Characters”和“Hex Display Mode”，在PRXD窗口中同样选中“Hex Display Mode”，后在PTXD窗口中按Shift+p（即输入大写字母P，其对应ASCII码为50H），结果如下：虚拟终端结果运行效果图6. 实验结果分析上表中：测试电压V1为由电压探头提供的测试电压值； 仿真结果为ADC0809输出的结果；仿真电压V2为由仿真结果计算所得的电压值，公式为：200V2256-=⨯（）mV仿真结果；模拟开关输出端电压V3为直流毫安表测量得到电压值（接调理放大电路时）；由结果看，随着输入电压的升高，仿真电压值V2与测试电压V1的误差逐渐变大，尤其当输入为满量程的20mV 时，误差达到0.781mV ；V3电压同样与V1误差越来越大，满量程时误差值最大为0.7mV ；V3与V2电压则始终相差不超过0.1mV ，较为精确。

由V2和V3的关系可以看出ADC0809的转换精度基本能够满足要求，测量电压V2与测试电压V1之间的误差并非由ADC0809造成。

进一步分析电路，当将模拟开关输出端与后面的放大电路断开时，毫安表输出值V3’完全与测试电压V1相同；当与放大电路再次连接时，再次出现上表中的较大误差值。

误差是由于电压放大电路等效电阻分压造成电压值的损失。

解决方案有2种：由上面测量结果通过插值多项式拟合出误差与测量结果的关系式，在单片机的测量程序中修正测量结果。

通过硬件电路进行电压补偿。

比较两种方案，可以看出第一种方案比较方便，下面计算插值公式：根据理论输出值和误差值计算插值公式，插值公式为0.304810.04Y X=+，由于单片机不适合做浮点运算，所以将插值公式改为=，经过插值修正后，实际输出应为X+Y，即ADC0809转换值加上实时误差值。

40/1000Y X经过修正后，结果如下：可以看出，修正后精度大幅提高。

附录一：main.c文件#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit m_enable = P2^4; //低电平有效sbit adc_a = P2^5; //ALE：上升沿锁存通道地址，地址已固定为0通道sbit adc_s = P2^6; //START：上升沿清除ADC寄存器，下降沿启动ADC sbit adc_oe = P2^7; //OE：高电平有效uchar data adc_result[16] = 0;uchar adc_in = 0;void delay(unsigned int t){ //延时t x 0.1msdo{TH0 = 0xFF;TL0 = 0xA3;TR0 = 1;while ( !TF0 );TF0 = 0;TR0 = 0;}while(--t);}void send_char(uchar ch){SBUF=ch;while(TI==0);TI= 0 ;}void INT0_SVC(void) interrupt 0 using 0{EA = 0;adc_oe = 1;adc_result[adc_in] = P0;adc_oe = 0;EA = 1;}void sirial_SVC(void) interrupt 4 using 2{uchar i;EA = 0;if(RI==1){RI = 0;i = SBUF;if(SBUF==0x50){TI = 0;for(i=0;i<16;i++){send_char(adc_result[i]);}}TI = 0;}EA = 1;}void adc_start(uchar i){uchar t;m_enable = 1; //初始化使模拟开关不工作adc_a = 0; //初始化0809 ALE=0adc_s = 0; //初始化0809 START=0adc_oe = 0; //初始化0809 OE=0P1=(i & 0x0F); //输出模拟开关通道信号m_enable = 0; //打开模拟开关for(t=200;t>0;t--); //使电压信号稳定adc_a = 1; //ALE上升沿，锁存地址，通道0adc_s = 1; //START脚上升沿，0809清除寄存器adc_a = 0; //下降沿adc_s = 0; //START下降沿启动ADCdelay(50); //T_EOC信号延时8+2us 及适电压有效}void main(){P1 = adc_in; //初始化通道为0（0-15）m_enable = 1; //初始化使模拟开关不工作adc_a = 0; //初始化0809 ALE=0adc_s = 0; //初始化0809不工作START=0adc_oe = 0; //初始化0809输出关闭EA = 0;//设置0809中断INT0IT0 = 1; //负边沿触发中断EX0 = 1; //允许外部中断//设置串口通信TMOD = 0x21; //定时器模式设置SCON = 0x50; //通信方式0，1位起始位，8位数据，1位停止位 PCON = 0x00; //设置SMOD=0TH1 = 0xfd;RI = 0;TI = 0; //清收发标志ET1 = 0; //C/T 禁止T1中断TR1 = 1; //启动T1计时器PS = 1; //串行口中断为较高中断优先级ES = 1; //允许串行口中断EA = 1;adc_in=0;while(1){adc_start(adc_in);delay(400);//对结果进行修正adc_result[adc_in]=adc_result[adc_in]+40*adc_result[adc_in]/1000;adc_in=(adc_in+1)%16;}}。