数据采集电路设计

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：

1123211.5()(0.5)z BE CC V V f RP V R R RP C α-=

+ 将参数代入后，可得

391.5(3.90.7)47038.110121000(47000.5470)10

f αα--=⨯=⨯⨯+⨯⨯ 调节电位器RP1，即改变α，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：

391.5(3.90.7)47038.110121000(47000.5470)10

f αα--=⨯=⨯⨯+⨯⨯ 取L R =100k Ω、t R =4.7k Ω、t C =0.01F μ,则有01I S V f R =

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

1195247599

f V f V Hz V -=+∙ 这里若取S R =2475Ω，再用一个加法电路将输出的电压0V 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S R 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A P D 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A P D 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,R S 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T w ;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