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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者: 学 号：教学点: 专 业:机电一体化工程题 目:基于51单片机的数据采集系统设计 指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月南 京 理 工 大 学毕业设计（论文）评语学生姓名： 班级、学号： 题 目：基于51单片机的数据采集系统设计 综合成绩： 指导者评语： 指导者(签字)： 年 月 日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语： 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日毕业设计说明书（论文）中文摘要数据采集时单片机的一个重要应用，同时它也是单片机和
2、传感其的重要接口。使用A/D芯片进行数据转换时单片机的一个主要应用。微型计算机的广泛应用，促进了测量仪表和测量系统的自动化、智能化。在A/D、D/A接口系统设计中，设计者的主要任务就是根据所需的D/A、A/D转换通道的技术要求吗合理的选择通道的结构以及按一定的技术、经济准则，恰当地选用所需的各种集成电路，在硬件设计的同时还必须考虑通道驱动程序的设计，较好的驱动程序可以使用同样规模的硬件设备发挥更高的效率。本次用A/D芯片进行电压测量的设计，考虑了4方面的内容，首先对于选择使用单片机进行选择，其次是如何针对系统的需求选择合适的A/D器件（MAX197），二是如何根据所选的A/D器件设计外围电路与
3、单片机（895C2）的接口电路（通过Protel99se完成电路设计），以及三是利用KeilC51编写控制A/D器件进行数据采集（电压测量）的单片机程序。关键词 数据采集 单片机 A/D芯片毕业设计说明书（论文）外文摘要Title 51 Microcontroller Based Data Acquisition System AbstractData collected one important application of single chip, and it is also the important microcontroller and sensing its interface
4、. Use A/D chips for data transfer when A major application of single chip. The wide application of micro computer, promoted the measuring instrument and measurement system of automation, intelligent. In A/D and D/A interface system design, the main task is according to the designer for D/A, A/D conv
5、ersion channel technical requirements? Reasonable selection of channel structure and according to certain technical, economic standard, appropriately selects all kinds of hardware design of integrated circuit, also must consider channel driver design, good drivers can use the same scale hardware dev
6、ice play higher efficiency. The A/D chips for voltage measurement design, consider three aspects; first is how to vying for system needs to choose the appropriate A/D devices (MAX197), second is selected according to the A/D device design with buffer circuit (MCU interface circuit 895C2) (through Pr
7、otel99se complete circuit design), and third is to use the A/D KeilC51 write control devices data collection microcontroller program.Keywords Data acquisition Microcontroller A/D chip 目 次1. 引言11.1 数据采集介绍11.2 数据采集的目的11.3 数据采集的原理21.4 本设计所研究的问题及方法32. 系统概况设计52.1 系统设计框图52.2 系统硬件构成及原理简介52.2.1单片机52.2.2 A/D
8、器件112.2.3 MAX197 A/D芯片142.3 本章小结173. 系统电路与程序设计183.1 MAX197与89C52的接口设计183.2 电路设计图203.2.1 电路原理及器件选择213.2.2 地址分配和连接213.3.3 电源的设计223.3 程序设计22结 论26致 谢27参考文献281. 引言1.1 数据采集介绍数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具1。被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一
9、般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包抱对面状连续物理量的采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据2-4。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系
10、统在国内外已经取得了长足的发展。其次,总线兼容型数据采集插件的数量不断增大,与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据采集机先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。1.2 数据采集的目的 数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是 结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。基于PC的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。数
11、据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件3-6。1.3 数据采集的原理 在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。 假设对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0,t,2t,3t等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0),x(t),x(2t)都是采样值。根据采样定理，最低采样频率必须是信
12、号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变7-15。 采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠(alias)。出现的混频偏差(aliasfrequency)是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。 采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50Hz)的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了30、40和10Hz的畸变频率F2、F3和F4。计算混频偏差的公
13、式是：混频偏差ABS(采样频率的最近整数倍输入频率)其中ABS表示“绝对值”， 为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。这个滤波器称为抗混叠滤波器。 采样频率应当怎样设置。也许可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用510倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。 通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如FFT等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据
14、样本，希望有510个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n)和采样频率。这是测量与分析的唯一依据。数据采集卡，数据采集模块，数据采集仪表等，都是数据采集工具7。综述，可以看出，不管原始信号是何种类型的变量，都必须转换为数字量以后才能通过并行口送入微计算机。数据采集系统主要部分有：（1）信号调理。多路转换器、可调增益放大器、抗混叠滤波器。（2）采样/保持。采样/保持器。（3）数模转换。A/D转换器（ADC
15、），V/F（电压/频率转换）或I/F（电流/频率转换）变换器。（4）数模转换。D/A转换器。（5）其他。例如：定时/计数器、总线接口电路等20。1.4 本设计所研究的问题及方法本次课题设计主要采用A/D芯片进行数据转换时单片机的一个主要应用。微型计算机的广泛应用，促进了测量仪表和测量系统的自动化、智能化。在A/D、D/A接口系统设计中，设计者的主要任务就是根据所需的D/A、A/D转换通道的技术要求吗合理的选择通道的结构以及按一定的技术、经济准则，恰当地选用所需的各种集成电路，在硬件设计的同时还必须考虑通道驱动程序的设计，较好的驱动程序可以使用同样规模的硬件设备发挥更高的效率。本次用A/D芯片进
16、行电压测量的设计，考虑了4方面的内容：1）如何选择适用的单片机（89C52）2）如何针对系统的需求选择合适的A/D器件（MAX197）。3）如何根据所选的A/D器件设计外围电路与单片机（895C2）的接口电路（通过Protel99se完成电路设计）。4）利用KeilC51编写控制A/D器件进行数据采集（电压测量）的单片机程序。通过本次设计，主要了解了MAX197芯片在单片机89C52中的使用方法，同时对其数据采集通道的选择、数据的读取和数据采集方式的选择进行近一步了解和学习。2. 系统概况设计2.1 系统设计框图数据采集是单片机的一个重要应用。同时它也是单片机和传感器的重要接口。其中使用A/D
17、芯片进行数据采集就是单片机的一个典型应用。当今，微机的广泛应用，促进了测量仪表和测量系统的自动化、智能化。因此本次制作一个“用A/D芯片进行电压测量”设计。以下图2-1为信号采集电路的基本框图。单片机CSBUSS时钟基准A/D芯片信号电源基准2.2 系统硬件构成及原理简介2.2.1单片机（1）单片机介绍自20世纪70年代推出单片机以来，随着计算机技术的发展和它在控制系统中的应用，单片机以其体积小，可靠性高、控制共功能强、开发较为容易等特点，在智能仪表、机电仪化、实时控制、分布式多机系统、家用电器等各个领域得到了广泛的应用。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化控制领域。从此
18、，计算机技术在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极大的发展。单片微型计算机简称单片机，因为它主要用于控制系统，所以又称为微控制器。单片机是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、I/O接口电路、定时/计数器，以及串行通信接口等部件制作在一块芯片中，构成一个完整的计算机。51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机16,17。后来随着Flash Rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL
19、公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机即是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。（2）本次设计使用的89C52：89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。89C52是I
20、NTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还
21、可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。这里采用52单片机是因为它是51子系列的增强型，但是其成本并没有因此增加，有时甚至还会出现比51更便宜18-22。89C52的主要特性见表2-1：表2-189C52主要特性 标准MCS-51内核和指令系统 片内8kROM(可扩充64kB外部存储器) 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器) 3个16位可编程
22、定时/计数器 时钟频率3.5-12/24/33MHz 向上或向下定时计数器 改进型快速编程脉冲算法 6个中断源 5.0V工作电压 全双工串行通信口 布尔处理器帧错误侦测 4层优先级中断结构自动地址识别 兼容TTL和CMOS逻辑电平 空闲和掉电节省模式 PDIP(40)和PLCC(44)封装形式89C52的管脚图见图2-2，其管脚说明如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入
23、口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外
24、部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P
25、3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE
26、的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP
27、）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器的特性：外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容C1、C2接在放大器的反馈回路（AT89C52内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大电路，XTAL1、XTAL2分别是该放大器的输入和输出端）中构成并联振荡电路。 为了使装置能够被外部时钟信号激活，XATL1应该有效，而XTAL2应该被悬空。由于输入到内部的时钟信号电路通过了一个二分频的信号，外部信号的工作周期比没有别的要求，但是最大值和最小值的大小可以在数据表上观察出来。 当正常工作时，外部振荡器可以计算出XTAL1上的电容，最大可达到10
28、0pF。这是由于振荡器电容和反馈电容之间的相互作用。当外部信号是标准高电平或者低电平时，电容不会超过20pF。空闲模式：用户的软件都可以调用空置模式。当单片机出于这种模式，耗能就会自然降低。特殊功能端和板子上的随机存储器在空置状态保持各自的电平。但是处理器阻止装置执行指令。空置模式会被激活如果端口处于复位状态或者中断系统有效。2489C52的结构特点有：n 互补高性能金属氧化物半导体结构可擦可 n 编程只读存储器/只读存储器/中央处理器 n 12/24/33MHz操作 n 三个16位的定时器/计数器 n 可编程的时钟输出 n Up/Down定时器/计数器 n 三级程序锁定系统 n 8K/16K
29、/32K片内程序存储器 n 256字节片内RAM n 改进的快速脉冲编程算法 n 布尔处理器 n 32根可编程的输入/输出线 n 六个中断源 n 可编程的串行通道带有：帧错误检测 n 自动地址识别 n TTL和CMOS兼容逻辑电平 n 64K片外程序存储空间 n 64K片外数据存储空间 n MCS51单片机可兼容指令集 n 闲置节能和掉电模式 n ONCE（On-Circuit仿真）模式 n 四级中断优先级 n 扩展温度范围（40到85）图2-2 85C52的管脚图2.2.2 A/D器件(1) 概述模拟-数字转换器简称为模数转换器，它是用来把连续的模拟信号转换为合适数字系统处理的数字信号，它是
30、数据采集系统的核心，被广泛应用于闭环控制系统、数字通讯系统、空间遥测系统、数字电压表和混合仿真系统中。将模拟量转化为数字量的过程成为模数转换，常写为A/D转换。将模拟量转换为数字量的装置成为模数转换器（A/D转换器或ADC）。在测控系统中，模数转换是非常重要的环节，尤其在以单片机或计算机为核心的数据采集系统中更是不可缺少。因为单片机只能识别数字信号，因此必须要通过A/D转换才能够得到计算机能够识别的数字信号。同时，A/D的转换速度和精度也是特别重要的，因为在有些情况下，如果A/D选择不当将会得不到预期的结果。如果说单片机是数据采集系统的核心，那么ADC就是主体（躯干），其他都是辅助功能。因此，
31、模数转换器是数据采集系统的核心部分之一7,12。（2）ADC的分类1）按转换输出数据的方式，可分为串行与并行两种，其中ADC又可根据宽度分为8位、12位、14位、16位等。2）按输出数据类型，可分为BCD码输出型和二进制数出行。BCD码输出采用输出千、百、十、个位的方法，由于它可以很方便地驱动LCD显示，故常用于诸如数字万用表等应用场合；二进制输出一般要将转换数据送单片机处理后使用。3）按转换原理，可分为逐次逼近型、双积分型、计数器型和并行型。并行型ADC的转换速度最快，但因结构复杂而造价较高，计数器型ADC结构很简单，但转换速度最慢，所以这两种很少使用；双积分型ADC的转换速度较慢，一般是m
32、s级，但转换精度高，常用于数字式测量仪表中。逐次逼近型ADC的结构不太复杂，转换速度也很高，一般是ns级，且转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。但逐次逼近型的ADC抗干扰能力相对积分的差些。在计算机应用系统中广泛采用7,12。（3）ADC主要技术指标ADC的性能指标是正确选用ADC芯片的基本依据，也是衡量ADC质量的关键问题。ADC的技术参数主要是静态参数和动态参数。其中静态以分辨率和转换误差最主要；动态参数主要的是转换时间。1）分辨率ADC的分辨率是指转换器所能分辨的输入模拟量的最小值，也就是使数字最低为（LSB）发生变化时的输入模拟量变化的最小值。理论上，ADC的分辨率仅与最大输入电压
33、（或电流）有关。在ADC器件性能上，通常用位数来表示分辨率。在最大输入电压相同的情况下，不同位数的ADC对应不同的分辨率。在一定范围内，位数越多，分辨率就越高。2）转换误差有时也称为转换精度。ADC的转换无偿有绝对误差和相对误差两种表示方法。ADC的绝对误差是指与输出数字量对应的理论模拟值与产生数字量的实际输入模拟值之间的差值。引起ADC的误差的原因包括量化误差和设备误差。由于ADC各种元器件的非理想特性造成的误差成为设备误差，如元器件参数的偏差、温度漂移等因素均可引起。设备误差包含失调误差、增益误差和非线性误差等。需要注意的是，精度和分辨率是两个不同的概念/精度指的是转换结构相对与理论值的准
34、确度；而分辨率指的是能对转换结果产生印象的最小输入量。分辨率高的ADC也可以因为设备误差的存在而精度不一定高。3）转换时间转换时间是描述ADC动态特性的技术参数。转换时间被定义为ADC完成一次完整的转换所需要的时间，也就是从发出对输入模拟信号进行采样的命令开始，知道输出端产生完整而有效的数字量输出的这一段时间。ADC的转换时间与许多因素有关，不同转换原理ADC有很大差别。对于各种ADC而言，比较器的响应时间、运算放大器的频宽度、时钟频率、输出位数、输出方式等因素对转换时间都会产生一定的影响。4）采样/保持器采集直流和变化非常缓慢的模拟信号时可不用采样保持器。对于其他模拟信号一般都要加采样保持器
35、。如果信号频率不高，ADC的转换时间短，即采用高度ADC时，也可不用采样/保持器。5）电源灵敏度电源灵敏度是指ADC芯片的供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。一般用电源电压变化1%时相当的模拟量变化的百分数来表示。6）量程量程是指所能转化的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。例如：单极性量程为0+5V，0+10V，0+20V。双极性量程为-5V+5V，-10V+10V。7）输出逻辑电平。多数ADC的输出逻辑电平与TTL电平兼容。在考虑数字量输出与微计算机的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否对数据进行锁存等。8）工作温度范围由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生
36、印象，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般ADC的工作唯独范围为（070度）军用品的工作温度范围为（-55+125度）。9）其他参数例如还有一些值得考虑的有满刻度误差、线性度、信噪比(SNR)、信号与噪声加失真之和之比(SINAD)和无寄生动态范围（SFDR）。借鉴以上的指标，在选择ADC时还要综合考虑设计的诸项因素，如系统技术指标、成本、功耗、安装等。对于采样系统而言，选择何种ADC还需考虑的就是其在单片机的使用情况1623。2.2.3 MAX197 A/D芯片单片机中的ADC芯片一般有3种：片内A/D芯片（目前，大量的单片机中自带ADC，例如ATMEL公司推出的90系列单片机，
37、通称AVR单片机，设计上采用低功耗CMOS技术，而且在软件上有效支持C高级语言和汇编语言。较典型的有AT90S8535。）、片外串行总线的A/D芯片（其特点是随着科技的发展期传输速率也可以做得很高，加上它体积小、占用单片机的端口少，因此串行模数转换器的应用越来越广泛。较典型的有Maxim公司的MAX195，他不仅速度快、精度高、功耗低，并且与单片机连接方便，编程简单，它在高精度的以单片机为核心的测控系统中是很好地选择。），还有一种也是在本次设计中所使用的A/D芯片是片外并行总线的A/D芯片113。MAX1971芯片是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，
38、且转换时间很短，具有8路输入通道，还提供了标准的并行接口8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。MAX197芯片的特点使其适用于作为信号采集芯片的主要原因有：n 电源：单一5V电源，与MG100（妙腾）的供电方式和信号输出方式相同。n 分辨率：12位分辨率、误差0.5（LSB ），对于MG100的输出而言，精度足够高。n 通道：8路模拟输入通道；可以同时测量MG100的两路输出。n 量程：输入量程可用软件选定不同范围：10V、5V、0V10V、0V5V。n 转换时间：为6微妙，采样速率为100KSPS.对于测控系统而言，转换时间足以满足单片机控制算法的要求。n 时钟：可
39、通过软件选择内部或外部时钟，便于单片机控制采样基准。n 电压基准：可用软件选择使用内部4.096V电压基准或外部电压基准。n 功耗：可通过SHDN引脚和软件选择低功耗工作方式，对于独立电源的测控系统而言尤其重要。 MAX197的内部核心部分是一个采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一个用来切换模拟输入通道的多路复用器以及输入信号调理和过压保护电路。其内部还建有一个2.5V的能隙基准电压源，管脚如图2-3所示。图2-3 MAX197引脚定义视图其相应的功能如下：n CLK：时钟输入，在外部时钟模式下，输入与TTL/MOS相匹配的时钟脉冲。在内部时钟模式下，从这个引脚接一个电容CCLK至地，施舍内部
40、时钟频率；当CCLK=100（皮法）时，CLK典型值为1.56兆赫兹。n CS：片选角，低电平有效。n WR：当CS为低电平时，在内部采集模式下，WR的上升沿将锁住数据，并发出一个采集脉冲，当CS为低电平时，在外部采集模式下，WR的第一个上升沿启动一次采集，WR的第二个上升沿结束采集并开始一次转换。n RD：如果CS为低电平，RD的下降沿将实现数据总线上的一次读操作。n HBEN：输入脚，控制数据总线复用，以得到12位转换结果。当HBEN为高电平时，数据总线上输出高4位数据；当HBEN为低电平时，数据总线上为低8位数据。n SHDN：掉电平输入脚，当SHDN为低电平时，器件进入到工作状态。n
41、D7D4：三态数据I/O口。n D3/D11D0/D8三态数据口。当HBEN=0时，输出为D3D0的数据，当HBEN=1时，输出为D11D8数据。n AGND：模拟地。CH0CH7为8路模拟输入通道。n INT：中断输出脚，当转换完毕，输出数据准备就绪，INT为低电平。n REFADJ：为带隙电压基准输出/外部调节引脚。可连接一个0.01微法电容旁路至地。当在REF脚上采用外部基准电压时，次管脚连到VDD上。n REF：缓冲器基准电压输出/ADC基准电压输入。在内部基准电压模式下，基准缓冲器提供4.096V的标准电压，可在REFADJ脚上微调。在外部基准电压模式下，通过把REFADJ连至VDD
42、使内部缓冲器无效。n VDD：+5V电源，通过0.1微法电容旁路至地。n DGND：是数字地723。2.3 本章小结 通过对于51单片机和A/D器件的基本情况的了解和学习，确定本设计的实际所需的核心设备：单片机选用89C52，采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能。A/D器件选用MAX197，具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短，具有8路输入通道，
43、还提供了标准的并行接口8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。3. 系统电路与程序设计3.1 MAX197与89C52的接口设计在单片机中使用MAX197数据采集芯片23，以及数据采集过程中主要涉及以下几方面：n 时钟和功耗模式选择n 采集方式选择n 量程和极性的选择n 数据的读取这些通道和采样方式等内容的选择，主要是基于单片机向MAX197发送控制字来来实现。其控制字格式如表3-1所示表3-1 MAX197的控制字D7D6D5D4D3D2D1D0PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0表中的各个控制位如下：n PD1、PD0：选择时钟和低功耗模式，其设置见表3
44、-2。表3-2 PD1、PD0位设置PD1PD0说明00正常工作，外部时钟模式01正常工作，内部时钟模式10后备低功耗模式，不影响时钟模式11低功耗模式，不影响时钟模式MAX197可以用内部或外部时钟模式工作。控制字节的D6、D7位选择内部或外部时钟模式。一旦选择了所需要的时钟模式，改变这些位编程选择低功耗模式时，不会影响时钟模式。刚上电时，选择外部时钟模式。内部时钟模式设置控制字节的D7位为0，D6位为1可以选择这种模式。在CLK脚和地址接一个100皮法的电容，可产生156兆赫兹频率。外部时钟模式时设置控制字节的D7位为0、D6位为0选择外部时钟模式。一般情况下，要求100千赫兹2兆赫兹的外部时钟具有45%55%的占空比。当工作时钟频率低于100千赫兹时，在保持电容上将产生一个电压降，导致性能下降。n ACQMOD：0为内部控制采集，1为外部控制采集。通过写控制字节的ACQMOD位为0，选择内部采集方式。此方式产生一个脉冲初始化采集间隔，这个时间是内部定时的。当6个时钟周期采集间隔结束时，转换开始。通过写控制字节的ACQMOD位为0，选择内部采集方式。外部采集方式可以更精确地控制采样间隔和转换。在这种方式下，用户通过2个写脉冲控制采集和启动转换。在第一个写脉冲中，要使ACQMOD位等于1，它将启动一次采集开始。在第二个写脉冲中，要使ACDMOD位等于0，在WR的上升沿开
