10通道数据采集系统设计单片机应用课案.docx
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10通道数据采集系统设计单片机应用课案
10通道数据采集系统设计
10通道数据采集系统设计
一、设计任务
实现10通道模拟信号的采集
二、设计要求
1、采样频率200HZ，位数12位
2、设计实现模拟/数字转换的方法，给出转换速度
三、设计原理
1、AD574A芯片介绍
AD574A是单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
分辨率：
12位
非线性误差：
小于±1/2LBS或±1LBS
转换速率：
25us
模拟电压输入范围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：
±15V和5V
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式
主要功能引脚介绍如下：
AC：
模拟地
DC：
数字地
CS：
片选信号，低电平有效
CE：
片使能，高电平有效
R/C：
读/启动信号，高电平读数据，低转换
12/8：
数据格式选择，高电平12位数据同时有效，低电平时第一次输出高8位，第二次输出低四位有效，中四位为零。
A0：
内部寄存器控制输入端，在12/8接地的情况下，高电平时高8位数据有效，低电平时低4位有效，中间4位为零，高4位为高阻态；在R/C为低的情况下，高电平启动12位转换，低电平启动8为转换。
STS：
工作状态输出端，高电平表示正在转换，低电平表示转换完毕
AD574和单片机的接口
在设计硬件电路时要十分注意的一点就是AD574的数据输出线与单片机数据总线的连接方式：
应该将高8位DB4~DB11接到数据总线的D0~D7，低4位DB0~DB3接到数据总线的高4位D4~D7。
如果接错的话就不能读取正确的转换结果，而且还很容易烧坏芯片。
AD574A的工作模式：
如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、12/8端接至+5V电源端，CS和A0接至0V，仅用R/C端来控制A/D转换的启动和数据输出。
当RC=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将R/C置1，即可从数据端读取数据。
AD574控制端标志意义：
CE
A0
工作状态
0
X
X
X
X
禁止
x
1
X
X
X
禁止
1
0
0
X
0
启动12位转换
1
0
0
X
1
启动8位转换
1
0
1
接+5V
X
12位并行输出有效
1
0
1
接0V
0
高8位并行输出有效
1
0
1
接0V
1
低4位并行输出有效
AD574的接口电路
下图是8051单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由（CS、R/C和A0）有8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。
AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051，所以R/C接地。
当8051的p3.0查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低4位读进8051。
这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线WR和读控制线RD通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连。
2、74LS150芯片介绍
74LS150是一个16选1数据选择器（有选通输入端，反码输出）。
数据选择端（ABCD）按二进制译码，以从16个数据（E0---E15）中选取1个所需的数据。
只有在选通端STROBE为低电平时才可选择数据。
输出端W为反码数据。
引脚图：
引出端符号：
A、B、C、D选择输入端
E0---E15数据输入端
STROBE选通输入端（低电平有效）
W反码数据输出端
Y数据输出端
功能图：
H=高电平；L=低电平；X=任意；E0—E15=对应的E端电平
3、74HC573芯片简介
74HC573是八进制3态非反转透明锁存器为高性能硅门CMOS器件。
SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。
器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。
当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
×输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上
×操作电压范围：
2.0V~6.0V
×低输入电流：
1.0uA
×CMOS器件的高噪声抵抗特性
管腿安排：
见右图
功能表：
输入
输出
输出使能
锁存使能
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
不变
H
X
X
Z
X=不用关心
Z＝高阻抗
最大值范围：
符号
参数
值
单位
VCC
DC供电电压（参考GND）
-0.5~+7.0
V
VIN
DC输入电压（参考GND）
-1.5~VCC+1.5
V
VOUT
DC输出电压（参考GND）
-0.5~VCC+0.5
V
IIN
每一个PIN的DC输入电流
20
mA
IOUT
每一个PIN的DC输出电流
mA
35
ICC
DC供电电流，VCC和GND之间
75
mA
PD
在自然环境下，PDIP和SOIC封装下的功耗750,500
mW
Tstg
存储温度
-65~+150
℃
TL
引线温度，10（PDIP,SOIC）
260
℃
*最大值范围是指超过这个值，将损害器件。
操作最好在下面的推荐操作条件下：
额定功率的下降——PDIP：
－10mW/℃，65℃～125℃
SOIC：
－7mW/℃，65℃～125℃
四、设计过程
1、本系统需要的控制比较简单，选用80c51单片机芯片进行控制。
2、由于输入是10通道模拟输入，12位精度数字输出。
所以选用的AD转换芯片必须至少有10个模拟输入通道，而且数字输出为12位。
考虑到芯片的价格与芯片结构复杂程度要便于设计的因素，本设计选用一通道模拟输入、12精度数字输出的AD574模数转换芯片，与16选1数据选择器74LS150搭配使用。
使用74LS150的16个输入通道中的10个通道即可，然后把选择的通道中的模拟输入量送到AD574。
3、由于12位数字输出需要分两次送到单片机，因此需要在AD574与单片机之间加数据锁存器，本设计选用74HC573锁存器。
4、74LS150的通道选择由单片机的P1口的P1.0-P1.3控制，0000对应0通道，0001对应1通道，……，1001对应9通道。
共使用10个通道。
具体原理见设计原理的74LS150芯片介绍部分。
5、软件流程图
主程序：
AD转换子程序：
6、软件程序
#include
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineADCOMXBYTE[0xff7c]//控制寄存器地址
#defineADLOXBYTE[0xff7f]//数据字节低4位地址
#defineADHIXBYTE[0xff7d]//数据字节高8位地址
sbitr=P3^7;//p3.7口
sbitx=P3^6;//p3.6口
sbitadbusy=P3^0;//p3.0口
uintad574（void）//AD转换子程序
{
r=0;
x=0;
ADCOM=0;//启动转换
while（adbusy==0）;
return（（uint）（ADHI<<4）+（ADLO&0x0f））;//返回转换数据
}
main（）//主程序
{
uintidataresult[10];//定义数据存储数组
ucharad_now=0;//通道号
while
（1）
{
P1=ad_now;//通过p1选择通道
_nop_（）;
result[ad_now]=ad574（）;//取转换数据
ad_now++;//通道号加一
if（ad_now==11）ad_now=0;//返回0通道
}
//数据通过10通道选择器进入AD574（AD574是一个12位数模转换期间，内置采样保持电路，无需附加外围电路），通过单片机控制数据选择器的控制端口，选择进行AD转换的通道，进行循环采集转换，并存入数组result[10]
7、电路连接图
五、系统误差分析与补充说明
1、AD574采样频率大于200HZ，且满足12位精度转换，达到本实验要求。
由于先高8位送入锁存器锁存，再传送低4位，因此会对转换速度有一定的影响。
2、AD574转换速率为25us，一个采样周期延迟25us。
故每个采样数据转化后比原信号延迟25us。
3、本设计AD574采用10VIN口，模拟信号输入电压幅值小于10V，1LBS<2.44mv。
故转化误差小于2.44mv。
4、由于单片机80C51的存储单元非常少，采集转化后的数据量很大，因此用80C51来存储采集转化后的数据没有实用性。
本设计程序中仅保存了当前采集的一个数据。
因此在数据存储这部分设计中，只是给出了一种方法。
若要把本系统应用于实际时，可以给单片机添加扩展存储单元，把采集的数据存放在该扩展存储器中。
但现在一般更多的应用是把本系统与PC机相连接使用，应用PC机的存储与显示系统，此时本问题就不用单独考虑了。
六、参考文献
1、刘乐善等《微型计算机接口技术及应用》华中科技大学出版社；
2、李广弟等《单片机基础》北京航空航天大学出版社；
3、80C51单片机技术资料、
AD574模数转换芯片技术资料、
74LS150十六选一数据选择器技术资料、
74HC573锁存器技术资料。
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