基于单片机的多路信号采集

信号采集输入电路的设计

与实现

电信1302班

刘志威

0121309340310

摘要

本设计主要完成了基于AT89S51单片机控制的数据采集系统的硬件电路设计以及相应的软件设计。

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，PC机通信的技术，键盘和显示的设计，系统电源的设计。多路转换开关及前置放大电路的设计中重点介绍了多路开关的选择、AD521放大倍数的计算以及多路开关CD4051和放大器AD521硬件连接电路。采样保持电路的设计中重点介绍了采样保持电路的原理和主要参数以及采样保持器的选择和连接电路。模数转换电路的设计中重点介绍了系统A/D通道的选择和A/D转换器的各项误差分析以及A/D转换器AD574的介绍、输入方式和连接电路。单片机与pc机通信主要是利用MAX232单芯片RC-232标准的接口通信电路。键盘和显示的设计采用八个独立键盘并通过串行通信的方式传输到12864中并显示。电源部分的设计通过采用6V*2的变压器对220V的输入交流电进行降压，经二极管全波整流，通过三端稳压器的稳压，输出5V直流电压。利用555时基电路输出 15V的双电源电压。

关键词：数据采集；AT89S51单片机；CD4051；MAX232

第一章系统硬件设计

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，PC通信，电源的设计。

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CD4051、双4选1开关CD4052、三3选1开关CD4053等。本设计是实现8路数据采集，所以只选择1片8选1的模拟开关。

模拟多路开关中，不可避免导通电阻R

ON 的存在。R

ON

使信号电压产生跌落，

跌落量与流过开关的电流成正比。设计中希望R

ON 越小越好，但是R

ON

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R

ON

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0.01%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±7.5V，导通电阻R

ON

为125欧姆，关断漏电流为0.1µA，

开关时间为120ns 。

键盘可以分为独立式连接式和行列式两类，每一类按其译码方法又都可以分为编码及非编码两种类型。本次课题采用独立式非编码键盘。

独立式按键是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，这是最简单的键盘结构，该电路为查询方式电路。当任何一个按键按下时，与之相连的输入数据线即被清0（低电平），而平时该线为1（高电平）。要判断是否有按键按下，用单片机的位处理指令十分方便。。

键盘连接框图

独立式非编码键盘的连接图

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。三端IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220

的标准封装，

也有9013样子的TO-92封装。

引脚1为最高电位，3脚为最低电位，2脚居中。从图2.1中可以看出，不论正压还是负压，2脚均为输出端。对于78正压系列，输入是最高电位，自然是1脚，地端为最低电位，即3脚

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V，7909表示输出电压为负9V。

555器件的工作原理

555时基电路内部框图

555各引脚功能

脚1：电源负端（地线）

脚2：为低触发器，简称触发端Vi2（TR），标志为TR

脚3：输出电平（输出端可以将继电器线圈等负载与它相连，他的最大输出电流可达200MA，因此可以直接驱动继电器、玩具电动机等）VO

脚4：强制复位端Rd（如果不需要强制复位，可与电源正极相连或悬空）脚5：控制电压端（该脚可以用来调节比较器的基准电压，简称控制端。如果不需要调节，可悬空或通过0.01UF电容器接地）

脚6：阀值电压（为高触发器，也称阀值端Vi1（TH）），标志为TH

脚7：放电端Dis