数据采集器设计报告.doc

8通道精密模拟量数据采集器设计

一.设计描述

目标：设计一能采集8个通道的模拟量的精密数据采集系统。

主要技术指标： （1）模拟量通道数：8；

（2）AD 转换分辨率：14位（数据实质是12位，加符号位和过量程指示位，总共14位）； （3）模拟量输入范围：0-4.8V ；

（3）数据通信与显示方式：采集到的数据通过串口发送到上位计算机，由计算机显示数据；

（4）上位计算机与数据采集系统（下位机）通信方式：串口通信，主从通信方式，上位机为主机，下位机为从机。

由上位机发起通信，下位机响应，将采集到的8路数据一并发送到计算机中。

二、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STC51系列单片机作为微控制器，模拟开关MAX308的地址A0、A1、A2分别与P1.0~P1.2连接，通过控制P1口输出来选择输入信号，将信号依次输入送入双积分AD 转换器ICL7109的模拟信号输入端，在使用模拟开关时，将模拟开关的输出端连接到ICL7109的输入通道即可。ICL7109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

1. 电路原理图

a) STC12C5A60S2单片机电路

本实验中选取STC12C5A60S2单片机作为微控制器，需要片外11.0592MHz 的振荡器。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：

单片机AT89S52

双积分AD 转换器ICL7109多路模拟开关MAX308

RS232串行接口

计算机

模拟量输入

b)数据输入部分

通道选择电路

数据输入部分由模拟开关MAX308实现多路信号的切换。MAX308是单8路（单刀16位）模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A0、A1、A2来切换。其中脚1、14和16是地址码A0、A1、A2的输入端；

输入脚A0、A1、A2分别与单片机P1.0~P1.2相连，改变P1输出即可切换输入通道，控制脚接高。

MAX308 功能引脚图

c)模数转换部分

ICL7109数模转换与单片机接口电路

模数转换元件选用ICL7109，其主要特性有：

双积分式12位A/D转换器；

数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连；

双电源±5V，引入V+，V—（40，28脚），1端GND为公共接地端。；

模拟输入电压范围0~+5V，基准电压供给；

工作温度范围为-55~125；

功耗约400mW。

1、模拟信号输入

模拟信号可差分输入，分别接入差分输入高端INHI（35脚）和差分输入低端INLO（34脚）。模拟信号公共端为COMMON （33脚）。

2、时钟电路

ICL7109片内有振动器及时钟电路。片内提供的多功能时钟振动器既可用作RC振荡器，也可作为晶体振荡器。OSCSEL （24端）为振荡器选择。OSCSEL（24端）为高电平或开路时片内为RC振荡器，此时OSCOUT（23端）和BUFOSCOUT （25端）外接电阻、电容到OSCIN（22端），如图4所示；OSCSEL为低电平时，外接振荡晶体，片内为晶体振荡器如图5所示。

接成RC振荡器时，振荡器频率为0﹒45/RC（电容不能小于50PF）。接成晶体振荡器时，内部时钟为58分频后的振荡器频率。

为了使电路具有抗50串模干扰能力。A/D转换时应选择积分时间（2048个时钟数）等于50HZ的整数倍。例如取积分时间为50HZ的1倍，即20MS，则晶体频率F=（2048个时钟周期）ｘ（58/20MS）=5﹒939MHZ；对于RC振荡器，则F=（2048个时钟数）/20ms=102﹒4KHZ。

3、接口方式

ICL7109内部有一个14位（12位数据和一个极性，一位溢出）的锁存器和一个14位的三态输出寄存器，可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无须外部加额外的锁存器。ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口方式，另一种是挂钩接口方式。在直接接口方式中，ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束信号到单片机，单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的（通用异步接收发送器）数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。

4、ICL7109外部电路的参数选择

ICL7109外部电路的连接及元件参数值如图。

A﹒积分电阻RINT的选择

缓冲放大器和积分器能够提供20UA的推动电流，积分电阻要选得足够大，以保证在输入电压范围的线性。

积分电阻RINT=满度电压/20UA

当输入满度电压=4﹒096V时，RINT=200KΩ，此时基准电压REFIN-和REFIN+之间为+2V，由电阻R2和电位器R1分压取得。如满度电压为方便用户4﹒096MV，则RINT=20KΩ，基准电压=0.2V。RINT接入缓冲放大器输出端BUF（30脚）。

B．积分电容CINT的选择

积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。此电压应使

积分器不饱和（大约低于电源0.3V）。对ICL7109的±5V电源。模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为±3.5V至±4V。对不同的时钟频率，电容值也要改变，以保证积分器输出电压的摆幅。

CINT=2048*时钟周期*20UA/积分器输出摆幅

为了使积分器不饱和，积分器输出的摆幅最大为±4V，所以积分器的最小电容为1UF。积分器电容越大，积分器输出摆幅越小，所以，CINT也不应选的过大，如果电路设计时选用不同的时钟频率，则积分电容应根据上面的公式计算，以便选择合适的CINT的值。积分电容CINT接入积分电容连接端INT（32脚）。

C．自动调零电容CAZ的选择

积分电容CINT选定以后，自动调零电容CAZ的选择是非常容易的。在模拟输入信号较小时，如0—409.6MV，这时抑制噪声是主要的。而这时积分电阻又较小，所以，自动调零电容CAZ可选为比积分电容CAZ大一倍，以减少噪声。CAZ的值越小，噪声越小。对于大部分实际应用系统,由传感器来的微小信号都要经过放大器放大成较大的信号,如0—+4﹒096mV。这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容Cint选大一些以减少复零误差，使Cint=2Caz。D﹒基准电容Cref的选择

一般情况下Cref取值1uf较好。但如果存在一个大的共模电压（即基准电压低端不是模拟公共点），对于模拟输入为0—+409﹒6MV的情况下，要求电容值较大，以防止滚动误差，在这种情况下，如选Cref=10uf可以使滚动误差在0﹒5以内。

d)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