摘 要

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支，結(jié)合了傳感器、信號(hào)獲取、存儲(chǔ)與處理等信息技術(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是模擬領(lǐng)域與數(shù)字領(lǐng)域之間必不可少的紐帶，在自動(dòng)控制、電氣測(cè)量、航空航天等工程實(shí)際中有著極為廣泛的應(yīng)用。

本文主要完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)。硬件部分是以單片機(jī)為AT89C52核心，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用AD7862，顯示模塊采用LCD液晶顯示，串口通信采用USB實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信。被測(cè)信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)串行口USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示。軟件部分包括下位機(jī)程序設(shè)計(jì)與上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，上位機(jī)應(yīng)用VB6.0編寫控制軟件，下位機(jī)采用C語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信等進(jìn)行編譯。

本系統(tǒng)人機(jī)界面友好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、使用方便、價(jià)格低，可實(shí)時(shí)的顯示、存儲(chǔ)和處理采樣數(shù)據(jù)。是進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

Data mining technology is an important branch of information science, is a combination of sensors, signal acquisition, storage, and handling information technology, etc. Data acquisition system is to simulate field with indispensable link between digital domain, in automatic control, electrical measurement, aerospace and other engineering practice has the extremely widespread application.

The hardware and software design data acquisition system are mainly completed in this paper. AT89C52 micro controller is the core in the hardware , A / D analog-digital conversion module AD7862, the display module LCD display, USB serial communication applies the host computer to communicate with the next crew. The signal is measured through the ADC analog to digital conversion, and the converted data USB serial port transmitted to the host computer, is received by the host computer is responsible for data processing and display. Software includes lower computer programming and PC programming, PC application written in VB6.0 control software, the next bit machine using C language for data acquisition, analog to digital conversion, data display, data communication to be compiled.

The system has many advantages, friendly interface, simple structure, high stability, ease to use, low price, real-time display, storage and processing of sampling data are included. It is a multi-channel data acquisition, processing and transmission of the ideal solution, they have high value and practical significance.

目 錄

摘要        I

Abstract        II

第1章 緒 論        1

1.1 課題研究的背景及意義        1

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀        2

1.3 本文的主要工作        4

第2章 整體方案設(shè)計(jì)        5

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容和功能        5

2.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)        5

2.3 小結(jié)        6

第3章 單元電路設(shè)計(jì)        7

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路        7

3.1.1 單片機(jī)功能介紹        7

3.1.2 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)        9

3.2 電源電路設(shè)計(jì)        10

3.3 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)        11

3.3.1 AD7862芯片介紹        11

3.3.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)        12

3.4 數(shù)碼顯示電路設(shè)計(jì)        14

3.4.1 顯示驅(qū)動(dòng)芯片介紹        14

3.4.2 顯示電路設(shè)計(jì)        15

3.5 串口通信電路設(shè)計(jì)        15

3.5.1 PL2303接口轉(zhuǎn)換器芯片介紹        15

3.5.2 串口通信電路設(shè)計(jì)        17

3.6 小結(jié)        18

第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)        19

4.1 下位機(jī)軟件程序的設(shè)計(jì)        19

4.1.1 系統(tǒng)主程序流程圖        19

4.1.2 信號(hào)采集部分程序設(shè)計(jì)        20

4.1.3 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)        21

4.2 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)        22

4.2.1 系統(tǒng)進(jìn)入界面設(shè)計(jì)        22

4.2.2 密碼修改界面設(shè)計(jì)        23

4.2.3 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)        24

4.3 小結(jié)        27

第5章 系統(tǒng)調(diào)試        28

5.1 硬件調(diào)試        28

5.2 軟件調(diào)試        28

5.3 實(shí)物圖        29

第6章 結(jié)論        31

參考文獻(xiàn)        32

致 謝        33

附 錄I        34

附 錄II        43

附 錄III        44

附 錄Ⅳ        46

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代，1956年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)，目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。大概在60年代后期，國(guó)內(nèi)外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計(jì)算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過(guò)了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)組成。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也有一定的應(yīng)用。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。20世紀(jì)80年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了很大的變化，工業(yè)計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理，是系統(tǒng)的成本減低，體積變小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng)。

20世紀(jì)90年代至今，在國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個(gè)新的系統(tǒng)。

國(guó)外數(shù)據(jù)采集技術(shù)較上世紀(jì)有了很大的發(fā)展，從最近國(guó)外公司展示的新產(chǎn)品可以看出，主要的發(fā)展方向可以概括為使用方便、功能多樣和體積減小三個(gè)方面。國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)采集技術(shù)起步比較晚，國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與國(guó)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，在技術(shù)上仍然存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：

(1) 由于整個(gè)國(guó)內(nèi)的微電子技術(shù)還與世界水平有一定差距，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的速度還不能達(dá)到世界先進(jìn)水平，同時(shí)高速PCB設(shè)計(jì)方面的人才比較稀少，所以國(guó)內(nèi)較少研制出速度非常高同時(shí)性能又非常好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內(nèi)存不大，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的信號(hào)處理功能不強(qiáng)，在現(xiàn)場(chǎng)只能做一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析，大多數(shù)的處理要離線到計(jì)算機(jī)上去做。

(3) 系統(tǒng)的軟件水平以及人機(jī)界面方面的水平還不是很高，設(shè)備操作起來(lái)有很多不人性化的地方。

雖然國(guó)內(nèi)與國(guó)外在數(shù)據(jù)采集技術(shù)上存在差距，但是總體來(lái)看這個(gè)差距在不斷縮小，在不久的將來(lái)中國(guó)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)肯定會(huì)晉升國(guó)際一流的水準(zhǔn)。隨著數(shù)字化步伐的不斷加深，數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為走進(jìn)數(shù)字世界的一把鑰匙，必須要緊跟數(shù)字化的腳步，只有掌握了尖端的數(shù)據(jù)采集技術(shù)才能在這個(gè)飛速變化的世界具有競(jìng)爭(zhēng)力。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有三種：多通道分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主流設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)中，多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種軍用、商用和工業(yè)領(lǐng)域中，如雷達(dá)系統(tǒng)、彈上設(shè)備及通信系統(tǒng)等。為了更快速更全面地分析系統(tǒng)，在采集系統(tǒng)主要信號(hào)時(shí)，往往需要對(duì)一些相關(guān)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。早先的多通道分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)循環(huán)采集多路信號(hào)，不能得到多個(gè)通道同一時(shí)刻的采樣點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)采集的速率也不是很高，而多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)恰恰彌補(bǔ)了分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足。

目前針對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集體統(tǒng)的研究主要集中在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐�步性、系統(tǒng)容量及低能耗等特點(diǎn)。有些研究雖然在同步性上有所突破，但在系統(tǒng)容量或者能耗方面仍需改進(jìn)，或者在能耗方面取得一定的成就，但系統(tǒng)的精度或分辨率等均達(dá)不到要求。可見(jiàn)本課題在一定的程度上還是有很大發(fā)展空間的。

下面針對(duì)幾種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

1、多類型多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以基于PXI總線的虛擬儀器為平臺(tái)所構(gòu)建的信號(hào)采集系統(tǒng)，具有開(kāi)發(fā)周期短，體積小，配置靈活的優(yōu)勢(shì)，可方便在現(xiàn)場(chǎng)完成最高采樣率為3MS/s、采樣通道最多為64路的模擬量信號(hào)，以及采樣通道32路的數(shù)字信號(hào)采樣工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了DMA，高速磁盤流，同步觸發(fā)，多線程等技術(shù)，較好的解決了信號(hào)采集時(shí)間長(zhǎng)，存儲(chǔ)容量大，時(shí)間精度要求高的問(wèn)題。

2、高速大容量多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面充分利用 PIC單片機(jī)自身的軟硬件資源， 大大降低了軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、維護(hù)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。相比其它實(shí)現(xiàn)方案，具有使用器件少、節(jié)約成本、調(diào)試方便等特點(diǎn)，很好地滿足了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、同步性、高速性的要求。此系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)配上不同的傳感器及相應(yīng)的處理電路，稍加改動(dòng)，便可在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因而具有較高的實(shí)用性和開(kāi)發(fā)價(jià)值。

3、基于CPLD和USB的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以完成多路雙極性輸人模擬量的采集， 輸出多種信號(hào)波形，實(shí)現(xiàn)以CPLD為核心，USB為接口的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可適合于高速、實(shí)時(shí)性信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和處理。由于具備計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大資源，虛擬儀器有利于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制。文中介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，只需配置測(cè)量所需的傳感器，設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，就可以對(duì)各種模擬量進(jìn)行采集。所采集到的數(shù)據(jù)可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，計(jì)算，控制，從而具有廣泛的使用價(jià)值。并且所采用的USB接口符合微機(jī)接口高速、串行的發(fā)展方向。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)趨勢(shì)：

首先，在專業(yè)測(cè)控方面基于PC計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來(lái)越成熟和智能化。在過(guò)去的二十年中，開(kāi)放式架構(gòu)PC機(jī)的處理能力平均每十八個(gè)月就增強(qiáng)一倍。為了充分利用處理器速度的發(fā)展，現(xiàn)代開(kāi)放式測(cè)量平臺(tái)結(jié)合了高速總線接口。如PCI和PXI/CompactPCI 以便獲得性能的進(jìn)一步提升。計(jì)算機(jī)的性能提升和由此引起的基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新，正在持續(xù)不斷地模糊著傳統(tǒng)儀器和基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器之間的界線。其次，在通用測(cè)控方面，采用嵌入式微處理器的方案也由早期的采用A/D器件和4標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)組成應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展到在單芯片上實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集與分析，即目前極為熱門的SOC（System On Chip），通常在一塊芯片上會(huì)集成一個(gè)可以采樣多路模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和一個(gè)硬CPU核，比如增強(qiáng)型8052內(nèi)核，而且其CPU的運(yùn)算處理速度和性能也較早期的標(biāo)準(zhǔn)CPU內(nèi)核提高了數(shù)倍，而且有著極低的功耗。這種單芯片解決方案降低了系統(tǒng)的成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

此外，為了解決SOC方案中數(shù)據(jù)處理性能的不足，采用DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CPU的研究與應(yīng)用目前也逐漸引起業(yè)內(nèi)重視，如TI近年設(shè)計(jì)的TMS320C240x系列芯片就是一款較為完整的數(shù)據(jù)采集與控制單片系統(tǒng) 但是這類產(chǎn)品目前僅僅處于發(fā)展的初級(jí)階段 在精度、速度或其它性能指標(biāo)上并不能很好的滿足要求。因此，國(guó)內(nèi)外以DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣控制和分析運(yùn)算的研究與應(yīng)用正在展開(kāi)。

詳細(xì)分析課題任務(wù)，對(duì)微機(jī)數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)、串口通信技術(shù)和單片機(jī)控制原理進(jìn)行了深入的研究，并將其綜合。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的硬件結(jié)構(gòu)及其原理圖和相關(guān)軟件程序。下面對(duì)本設(shè)計(jì)的主要研究工作做個(gè)簡(jiǎn)述。

(1) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提出幾種方案，對(duì)它們進(jìn)行了全面的論證；

(2) 根據(jù)系統(tǒng)需要，合理選擇A/D轉(zhuǎn)換器，并且詳細(xì)地闡述了它的基本功能特性；

(3) 介紹了相關(guān)現(xiàn)代傳感技術(shù)，選擇出信號(hào)采集的最佳方案；

(4) 詳細(xì)分析了AT89C52的工作原理，并對(duì)其軟件的讀寫原理進(jìn)行了詳細(xì)的討論；

(5) 應(yīng)用LCD顯示技術(shù)，可實(shí)時(shí)讀取電壓、電流信號(hào)的具體數(shù)值；

(6) 改進(jìn)了普遍應(yīng)用電源方案；

(7) 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了深入的分析，并且繪制了相關(guān)硬件電路圖、軟件流程圖，還編寫了相關(guān)軟件程序。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)采集單元和AT89C52單片機(jī)來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制,采集到的電壓、電流將模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字量實(shí)時(shí)的送到單片機(jī)里處理，進(jìn)而在LCD顯示屏上顯示出采集電壓、電流具體數(shù)值，還可以通過(guò)USB串口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的通信，在上位機(jī)上通過(guò)VB編寫的可視化程序界面看到波形的還原及顯示，完成電壓、電流數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制。

（1）可采集周期或非周期的交、直流電壓信號(hào)及電流信號(hào)。

（2）采集卡測(cè)量信號(hào)頻率范圍為0-1MHZ。

（3）輸入信號(hào)范圍：電壓有效值0-20V，電流有效值：0-500mA。

（4）測(cè)量精度0.2%。

（5）上位機(jī)管理程序具有波形還原顯示及頻譜分析功能。

本系統(tǒng)分為五大部分：傳輸信號(hào)部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分、單片機(jī)最小系統(tǒng)部分、串口通信電路部分和顯示電路部分。

傳輸信號(hào)部分：包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理電路。其中數(shù)據(jù)采集由Header 2兩腳插針完成，電壓采集的信號(hào)調(diào)理電路采用4個(gè)電阻完成電壓衰減，以便實(shí)現(xiàn)AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。電流采集的信號(hào)調(diào)理電路主要由運(yùn)算放大電路和電壓跟隨器組成。核心運(yùn)算放大器為LM358。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分：由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性對(duì)于與整個(gè)控制系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，所以必須合理設(shè)計(jì)使其能提供預(yù)期的采樣速度、達(dá)到一定的轉(zhuǎn)換精度，并能做到電路簡(jiǎn)單、抗干擾性能強(qiáng)。為了和本設(shè)計(jì)的指標(biāo)一致，本采集系統(tǒng)采用ADI公司生產(chǎn)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7862，它是一款高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用+5 V單電源供電。AD7862內(nèi)置兩個(gè)4 微秒逐次逼近型ADC、兩個(gè)采樣保持放大器、一個(gè)+2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)高速并行接口。4個(gè)模擬輸入組成兩個(gè)通道（A和B），通過(guò)A0輸入選擇通道。模擬輸入均具有過(guò)壓保護(hù)，采樣的電壓范圍、精度及速度滿足本設(shè)計(jì)的要求，芯片可應(yīng)用于光電傳感器、電機(jī)電流／電壓傳感器、醫(yī)療檢測(cè)儀器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

單片機(jī)最小系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)包括AT89C52單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。單片機(jī)是一種面向大規(guī)模的集成電路芯片，是微型計(jì)算機(jī)中的一個(gè)重要的分支。此系統(tǒng)是由CPU、隨即存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還包括定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口、顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一個(gè)單塊芯片上，構(gòu)成了一個(gè)最小但完善的計(jì)算機(jī)任務(wù)。而本設(shè)計(jì)選用的是AT89C52。晶振的作用是選頻，要求運(yùn)算速度快的電路選用諧振頻率高的晶振，要求省電的電路則選用諧振頻率低的晶振。復(fù)位電路使單片機(jī)初始化操作，作用是使CPU和系統(tǒng)中其它部件在通電的瞬間都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。

串口通信電路：該串行口我選用了標(biāo)準(zhǔn)USB接口，它是電平與TTL電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路。USB在速度上遠(yuǎn)比并行端口與串行接口等傳統(tǒng)電腦用標(biāo)準(zhǔn)總線快上許多。USB 2.0的最大傳輸帶寬為12Mbps，USB是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。

顯示電路部分：液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文選用的是LCD1602液晶顯示塊，用戶可以從顯示器上觀察電壓、電流數(shù)值和相關(guān)設(shè)備工作狀態(tài)。

整體框圖如圖 2.1所示。

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圖2.1 微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

本章首先介紹了微機(jī)數(shù)據(jù)采集卡的組成，各部分功能做了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)及各部分組成芯片作了簡(jiǎn)要介紹。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要側(cè)重于系統(tǒng)簡(jiǎn)潔方便，性能可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)。

本次設(shè)計(jì)的微機(jī)數(shù)據(jù)采集卡具有實(shí)時(shí)采集并顯示電壓、電流信號(hào)的功能，系統(tǒng)總體電路主要由最小系統(tǒng)電路、電源電路、信號(hào)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼顯示電路與上位機(jī)通信電路等組成。

單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心部件，一方面它要接收來(lái)自AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢是否有鍵按下的命令。AT89C52引腳圖如圖3.1所示。

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AT89C52 是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程。AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位可編程I/O口，1個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有8個(gè)中斷源，6個(gè)中斷向量，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，1個(gè)全雙工串行口。另外，AT89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。AT89C52的電源工作電壓4.0～5.5V。

二、引腳功能：

P1口（1腳～8腳）：P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。對(duì)于MCS-52子系列單片機(jī)，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2；P1.1用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。

RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)。

P3口（10腳～17腳）：P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準(zhǔn)雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能如表3.1所示。

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XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。對(duì)于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。

XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳接地；對(duì)于CHOMS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。

VSS（20腳）：接地。

P2口（21腳～28腳）：P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口且尋址范圍超過(guò)256個(gè)字節(jié)時(shí)，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對(duì)于EPROM編程和進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)，P2口接收輸入的8位地址。

PSEN(29腳):片外程序存儲(chǔ)器讀選通輸出端,低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期PESN兩次有效，以通過(guò)數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，PESN信號(hào)將不出現(xiàn)。

ALE/PROG（30腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（允許地址鎖存信號(hào)）以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址和數(shù)據(jù)。

EA/Vpp（31腳）：EA為訪問(wèn)外部程序儲(chǔ)器控制信號(hào)，低電平有效。當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4KB（MS-52子系列為8KB）。若超出該范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)EA端保持低電平時(shí)，無(wú)論片內(nèi)有無(wú)程序存儲(chǔ)器，均只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的單片機(jī)，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。

P0口（39腳～32腳）：P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。當(dāng)不接外部存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O接口時(shí)，它可作為準(zhǔn)雙向8位輸入/輸出接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口。它分時(shí)提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的單片機(jī)，當(dāng)EPROM編程時(shí)，從P0口輸入指令字節(jié)，而當(dāng)檢驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。

VCC（40腳）：接+5V電源正端。

綜上所述，MCS-51系列單片機(jī)的引腳作用可歸納為以下兩點(diǎn)：

1).單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳具有第2功能；

2).單片機(jī)對(duì)外呈3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時(shí)復(fù)用作為數(shù)據(jù)總線。

時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益、反相放大器。內(nèi)部時(shí)鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHz～12MHz之間，本設(shè)計(jì)選用12MHz，通過(guò)XTAL這兩個(gè)引腳在芯片外并接石英晶體振蕩器和兩只電容（電容一般取30pF）。這樣就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。

復(fù)位電路的設(shè)計(jì)：復(fù)位是單片機(jī)的硬件初始化操作。經(jīng)復(fù)位操作后，單片機(jī)系統(tǒng)才能開(kāi)始正常工作。AT89C52復(fù)位信號(hào)引腳RESET，用于從外界引入復(fù)位信號(hào)。本系統(tǒng)采用手動(dòng)復(fù)位，通過(guò)專用的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，若遇到死機(jī)、死循環(huán)或程序跑飛等情況，手動(dòng)復(fù)位是擺脫這種尷尬局面的最常用的方法。        單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.2所示。

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圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變成為直流電；經(jīng)過(guò)濾波后，穩(wěn)壓器在把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉�(wěn)定的直流電流輸出。本設(shè)計(jì)主要采用單路輸出直流穩(wěn)壓，構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過(guò)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過(guò)程將220V交流電變?yōu)榉�(wěn)定的直流電，并實(shí)現(xiàn)固定輸出電壓5V。集成穩(wěn)壓電源具有可靠性高、穩(wěn)壓精度高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的直流穩(wěn)壓電源。本設(shè)計(jì)用以三端固定式集成穩(wěn)壓器LM7805為核心構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電源，這類穩(wěn)壓器有輸入，輸出和公共端3個(gè)端子。輸出電壓固定不變,本設(shè)計(jì)就是應(yīng)用上述原理實(shí)現(xiàn)了直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。用LM78系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的LM78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如LM7805表示輸出電壓為正5V，LM7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿�端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。因?yàn)槿�端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器(當(dāng)然小功率的條件下不用)。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。

當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來(lái)，使其最大輸出電流為N個(gè)1.5A，但應(yīng)用時(shí)需注意:并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個(gè)別集成穩(wěn)壓電路失效時(shí)導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。電源電路如圖3.3所示。

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圖3.3 電源電路

AD7862是美國(guó)ADI公司出品的12位高速、低功耗轉(zhuǎn)換器，單電源5伏供電。它包含兩個(gè)4us的延時(shí)的ADC,兩個(gè)鎖存器，一個(gè)內(nèi)部的+2.5V參考電壓和一個(gè)高速并行輸出端口。有四個(gè)模擬輸入通道，分為兩組，由A0選擇。每一組通道有兩個(gè)輸入(VA1 & VA2 or VB1 & VB2)，它們能同時(shí)的被采樣和轉(zhuǎn)化，保存相關(guān)的信號(hào)信息，對(duì)高噪聲環(huán)境中的輸入噪聲抑制起到非常重要的作用。

AD7862的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換讀取過(guò)程：AD7862通過(guò)多路選擇控制信號(hào)A0來(lái)對(duì)輸入模擬通道進(jìn)行選擇。當(dāng)A0=0時(shí),AD7862將對(duì)A組兩路信號(hào)VA1、VA2同時(shí)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換;當(dāng)A0=1時(shí),AD7862將對(duì)B組兩路信號(hào)VB1、VB2同時(shí)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。器件在CONVST信號(hào)的脈沖下降沿作用下跟蹤/保持兩路輸入信號(hào),并開(kāi)始對(duì)2路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在經(jīng)歷4us以后,轉(zhuǎn)換完成,BUSY腳電平變低,數(shù)據(jù)存放到輸出鎖存器中。

AD7862包含一個(gè)芯片內(nèi)部的+2.5v的參考電壓。當(dāng)用這個(gè)作為參考源時(shí)，簡(jiǎn)單地連接一個(gè)0.1uf的陶瓷電容在VREF和AGND管腳當(dāng)中就可以了。這時(shí)應(yīng)用在AD7862的參考電壓是內(nèi)部緩沖區(qū)的電壓。如果AD7862需要用外部的參考電壓，這部分有一系列的FET開(kāi)關(guān)在緩沖區(qū)，從而切換成外部的參考源輸出，這樣的話它將帶來(lái)3k的輸出電阻。在25度時(shí)內(nèi)部參考的波動(dòng)范圍是+10mv，典型的溫度系數(shù)是25ppm/度和由溫度導(dǎo)輪大最大的波動(dòng)電壓是+25v。  

如果應(yīng)用需要很小的波動(dòng)的參考源或AD7862需要被用在系統(tǒng)的參考時(shí)，用戶這時(shí)可以連接一個(gè)外部的參考到VREF管腳上即可。外部的參考將有效而內(nèi)部的參考沒(méi)有效，它提供AD的參考源。參考輸入在被應(yīng)用到AD之前被放到緩沖區(qū)去，允許的最大的輸入電流為+100uA。

AD7862 特性:

（1）2個(gè)快速12位ADC；

（2）4個(gè)輸入通道；

（3）同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換；

（4）吞吐時(shí)間：4 μs；

（5）單電源供電；

（6）高速并行接口；

（7）低功耗：60 mW（典型值）；

（8）輸入范圍選擇：±10 V （AD7862-10）、±2.5 V （AD7862-3）、0 V至2.5 V （AD7862-2）；

（9）省電模式：50 μW（典型值）；

（10）模擬輸入過(guò)壓保護(hù)；

（11）14位引腳兼容升級(jí)版（AD7863）。

AD7862芯片如圖3.4所示。

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圖3.4  AD7862電路圖

本設(shè)計(jì)使用的是LM358運(yùn)算放大器。LM358是雙運(yùn)算放大器，內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)?/font>雙運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。