数据采集系统的设计

数据采集系统的设计

张连华

摘要：单片机作为微型计算机的一个分支。其应用系统的设计方法与一般的微型计算机应用系统的设计在许多方面是一致的。但由于单片机系统通常作为系统的最前端。设计时更应注意应用现场的工程实际问题，使系统的可靠性能够满足应用的要求。数据采集是单片机应用系统中最为重要和普遍的应用要求。数据采集的对象可以是温度、压力、流量等各种物理量。数据采集系统可以是复杂控制系统的一部分。也可以是配备显示(或打印)输出的独立系统(或仪表)。

关键词：单片机；温度；设计

中图分类号：TP274+.2文献标识码：A文章编号：1000-8136(2009)35-0164-02

1模拟通道的组成

模拟通道的一般构成见图1。

1.1传感器

传感器把被测的物理量(如温度、压力等)作为输入参数，转换为电量(电流、电压、电阻等)输出。物理量性质和测量范围的不同。传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号(已有许多新型传感器采用数字量输出)。当信号的数值符合MD转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A／D转换器的输入等级时。就需要放大器的放大。

1.2多路开关

多路开关的作用是可以利用一个A／D转换器进行多路模拟量的转换。利用多路开关轮流切换各被测回路与A／D转换器间的通路，以达分时享用A／D转换器的目的。常用的多路开关有CD4051／CD4052和AD7501／AD7502等。

1.3放大器

放大器通常采用集成运算放大器，常用的集成运算放大器有OP-07，5G7650等。在环境条件较差时，可以采用数据放大器(也称为精密测量放大器)或传感器接口专用模块。

1.4取样保持器

取样保持器具有取样和保持两个状态。在取样状态时，电路的输出跟随输入模拟信号变化；在保持状态时，电路的输出保持着前一次取样结束前瞬间的模拟量值。使用取样保持器的目的是使A／D转换器转换期间输入的模拟量数值不变，从而提高A／D转换的精度。常用的取样保持芯片有LF398，AD582等。

当前输入的信号变化与MD转换器的转换时间慢的多时，可以不用取样保持器。

1.5A／D转换器

A／D转换器的主要指标是分辨率，A／D转换器的位数与其分辨率有直接的关系。8位的A／D转换器可以满量程的1／256进行分辨。A／D转换器的另一重要指标是转换时间．选择A／D转换器时必须满足采样分辨率和速度的要求。

2数据采集系统的设计

2.1设计要求

设计一个温度数据采集系统，被测温度范围是0-500度，被测点为4个。要求测量的温度分辨率为0.5度。每2s测量一次。

2.2器件选择

传感器选用镍铬一镍硅热电偶，分度号为K(旧分度号为EU-2)。当温度为500度时，热电势为20.64 mV。

满量程为500度。对于0.5℃的分辨率要求，A／D转换器要具有0.5／500=111000的分辨能力。8位的A／D转换器的分辨能力为1／256。10位的A／D转换器的分辨能力为1／1024。5G14433具有1／2048的分辨率。

每2s对4点进行一次巡回检查时，每点取样时间为2s/4=0.5s，即1s取样2次。对于5G14433．当外接电阻Rc为300 kn时，时钟频率为147 Hz,每秒转换约9次。

另外，还需要将热电偶输出的20.64 mV的信号放大到5G14433的输入电压为2V，放大器的增益为2000／20.64=96.9。为了提高放大器的抑制共模干扰的能力，多路开关选用差动多路转换器CD4052。

由于温度信号变化缓慢，可不用取样保持器。

2.3硬件电路

数据采集系统的模拟输入通道电路见图2。

图2中未画出显示及输出部分电路，数据放大器可以选用单片高性能数据放大器芯片，也可以采用普通运算放大器组合而成。

2.4软件流程

数据采集是利用单片机完成测控任务的最为基本的任务。由于使用的要求和环境不同，系统构成的方案、器件选择会有较大的差异，应根据具体情况灵活处理。见图3。