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测控电路课程设计报告书题目单片机控制的多路数据采集系统姓名邵士发班级测控1002学号01指导教师刘强老师二〇一三年六月二十五日目录一、课程设计的内容及基本要求...............................................1二、整体思路................................................................................1三、方案论证................................................................................2四、硬件原理图..................................................................3五、电路主要参数及计算........................................................5六、LED显示部分的介绍………………………………………6七、主要元器件的介绍…………………………………………....7八、参考文献…………………………………………………….12附图一、课程设计的内容及基本要求已有8路0-1V的电压信号代表温度0-600摄氏度，设计一个系统能进行八路温度的显示，要有相应的人机接口。其他新功能。要求对所选的题目进行文献查阅，作出合理的硬件设计。其具体的部分如下：（1）8路数据输入0-1V的电压输入代表0-600的温度。（2）信号放大电路及报警电路（3）采样A/D转换单元。（4）硬件和单片机的连接电路。（5）LED显示部分。二、整体思路多路数据采集系统的方案及总体设计，包括主体电路的设计和单片机控制电路的设计（要用到单片机的控制整个系统），因此要完成单片机应用系统的硬件设计以满足整个系统的要求。整个系统的设计包括硬件设计和软件设计（不用写）两部分。硬件设计主要完成多路数据采集整个硬件电路及I/O接口的设计：包括模拟多路开关电路、运算放大电路、模数转换电路、硬件和单片机的连接电路和显示报警电路等组成。系统总框图如图1所示。输入1输入2输入7多路模拟开关转换开关前置放大单片机显示单元模数转换输入8报警电路图1三、方案论证方案一：首先考虑对8路信号进行先放大，这里放大电路采用基本的同相比例放大电路即可；其次是对放大后的8路信号经过多路选择开关选则其中的一路；最后将这路信号进行AD转换，实现模拟量向数字信号的转换，然后将转换后的数字信号通过单片机进行LED的显示。其中考虑到600的温度界限，在电路中又增加了超限报警电路。方案二：由于所给的0-1V电压相对比较大，完全可以满足多路选择电路的信号输入要求，在电路中选择CD4051的8选一多路选择开关。然后将所选择的信号进行放大，考虑到后续选择的逐次逼近型AD574的型号，其有单极性0-10V的模拟输入端，在所选择的同相比例放大电路部分将小信号放大10倍。在模数转换部分，AD574有两种输出形式，一个是八位的输出，一个是12的输出。根据最高600的输出要求其8位输出显然不满足要求，所以选择12位的输出端。然后将转换后的数字信号通过单片机进行LED的显示。同时在电路中还增加了报警电路，要求在温度超过600度的时候蜂鸣器发声。最终方案的选择：在方案一中要先对8路信号分别放大后在进行多路选择，其要求至少要8个放大器电路，其电路相对复杂，而且并不能保证这八路放大电路有相同的放大倍数，即会造成这八路信号在温度显示时的偏差。而方案二电路相对简单，且能完全满足要求，故选择方案二。五、电路主要参数及计算Rf=9kRr=1K其放大电路的放大倍数为A=u0./ui=1+Rf/Rr=10由于要实现的的是放大后的0-10V电压向模数转换后显示温度0-600的变化，首先确定要实现的是线性的转换。在0电压使显示为0，在10V电压使显示为600.再结合AD574模数转换输出关系式:Vo=Vr∑di*2exp(-i).之中Vr参考电压。由于在转换中我们将0-10V的信号转换为相应的0-600的二进制数，即实现了最少1度的显示要求。六、LED显示部分的介绍简单的讲，LED数码显示器就是由发光二极管组成的，其内部结构如图3.3所示，LED数码显示器有两种连接方式：（1）共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极与输入端相连。（2）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字的七段，再加上1个小数点位，共计八段。此次我们采用多位LED的动态显示方式。由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示的时间间隔足够短，就可造成多为同时显亮的视觉。为了实现这种方式，所有位的段选端应该并在一起，以一个8位I/O口控制，而各位的为选端分别由相应的I/O口线控制，在此次试验中我们只需用3位LED动态显示即可，所以只需11位I/O口即可控制，之中8位控制段选，3位控制位选。要想实现动态显示只需轮流送入段选码和位选码，每位循环周期在50ms左右，就可以获得视觉稳定的显示效果。七、主要元器件的介绍1转换开关CD4051CD4051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。其真值表如表所示。CD4051真值表INHCBA所选通道0000S00001S1……………0111S71×××S0～S7均未选中2逐次逼近型12位模/数转换器AD574模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。本系统的模/数转换电路选取逐次逼近型12位模数转换器AD574，并用一片8位D锁存器74LS373构成系统控制寄存器，进行数据采集。地址译码器由一片74LS138（3-8译码器）以及门电路组成。AD574是美国AnalogDevices公司生产的一种快速12位逐次比较式A/D变换器，是单通道变换器。片内具有三态数据锁存器、电压基准和时钟电路。温度的调节范围为20℃～40℃，十进制分度为200，非线性误差小于±(1/2)LSB，一次转换时间为25μs，电源供电为±15V(±12V)和+5V；AD574具有转换时间快，与单片机接口方便可直接采用双极性模拟信号输入等优点。有着广泛的应用场合。（1）结构与引脚AD574的引脚图如图5所示。AD574由模拟芯片和数字芯片混合组成。模拟部分由高性能的12位A/D转换器和参考电压组成。数字部分由控制逻辑、逐次逼近寄存器和三态输出缓冲器构成，控制逻辑发出启/停及复位信号，控制转换过程。由于芯片内部的比较输入回路，接有可改变量程的电阻和双极型输入偏置电阻，因此，AD574的输入模拟电压量程范围有0V~+10V，0V~+20V，-5V~+5V，-10V~+10V四种。（2）AD574的引脚功能CE：芯片允许工作控制端。CE=1时，允许；CE=0时，禁止。CS：片选线，低电平有效。CS与CE必须同时有效，AD574才能工作，否则AD574处于禁止状态。R/C：读/启动A/D控制端。R/C=0时，启动转换；R/C=1时，读取转换结果。12/8：数据格式选择端。当12/8=1时，12位数据一次读出，主要用于16位微机系统；12/8=0时，可与8位单片机接口。AD574采用左对齐数据方式。12/8与A0配合，使12位数据分两次读出，A0=0时，读取高8位，A0=1时，读取低4位（数据低半字节附加零）。12/8不能用TTL电平控制，必须用+5V或数字地控制。A0：字选择线。与CPU接口时，通常接至低位地址线。A0引脚有两个作用，一是选择字节长度，二是与8位微机接口时用作选择读出字节。启动转换时若A0=1，则AD574按8位A/D转换，转换时间为10μs；若A0=0，则按12位A/D转换，转换时间为25μs，与12/8的状态无关。读操作中，A0=0时，高位数有效；而A0=1时，则低4位数据有效。但12/8=1（接口+5V）时，则A0的状态不起作用。以上5种信号的电平状态与芯片的操作对应关系如表所示。STS：工作状态指示。STS=1时，转换正在进行；STS=0时，转换结束。10VIN：10V量程输入端。20VIN：20V量程输入端。REFIN、REFOUT：参考电压输入、输出端。将REFOUT端通过100欧姆的精密电位器接至REFIN端即可进行满刻度校准。DO11～DO0：12位数据线，三态输出锁存，可直接与CPU数据总线相连。BIPOFF：双极性偏移调节端。AGND、DGND：模拟地、数字地。VL：数字逻辑电路工作电源：+4.5～+5.5V。VCC：模拟电路正工作电源：+11.4～+16.5V。VEE：模拟电路负工作电源：-11.4～-16.5V。图5AD574的引脚图工作时序表CECSR/！C12/8A0工作状态0××××禁止×1×××禁止100×0启动12位转换100×1启动8位转换1011×12位数据输出10100高8位数据输出10101低4位数据输出（3）AD574的单极性工作方式本系统中的AD574采用单极性工作方式，连接方法如图10所示。AD574有单极性和双极性两种工作方式，后允许模拟输入信号为双极性信号。单极性模拟输入有两种量程：0～10V量程从AD574的10VIN引脚13输入；0～20V量程从AD574的20VIN引脚14输入。电位器W1接参考电压输出端BIPOFF端用作零位偏移调整，电位器W2接参考电压输入端REFIN和双极性偏移调节端BPLRof端用作满量程调整。图6AD574的工作方式参考文献[1]李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社[2]刘强.测量与控制电路.北京：北京航空航天大学出版社