基于51单片机量程自动转换系统设计

赵群

摘 要： 仪器仪表数据采集之前，往往需要经过量程控制电路衰减或放大，使其电压处于适合于取得较高A/D转换精度的范围之内。系统利用单片机与多路选择器及A/D转换器实现仪器仪表量程的自动转换过程，提高测量仪器仪表智能化程度。

关键字： 量程自动控制； CD4051； 多路选择器； A/D转换

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0140?03

0 引 言

近年来，随着科学技术的快速发展，特别是单片机的普及使用，推动了仪器仪表向着集成化、小型化、智能化发展。其中仪器仪表量程自动转换技术就是突出的表现，传统仪器仪表量程选择以人为手动为主，使用中不同量程间转换频繁极易损坏仪器仪表中机械部件，甚至可能造成测量误差影响测量结果。新型仪器仪表量程自动转换解决了这个难题，利用单片机控制完成量程选择，不需要人为干预自动对被测量选择合适的量程，保护设备不被人为操作损坏。使测量仪器仪表具有智能化特性，真正实现检测技术领域的智能化测量，减轻使用人员工作负担。本系统利用单片机与多路选择器及A/D转换器完成对量程自动控制。

1 设计思路

1.1 通道模拟多路选择器CD4051

CD4051最大的特点就是能选通模拟信号和实现多路信号的选择和分配，也就是说模拟信号除了能从X0～X7进入CD4051而选择惟一输出外，还能从CD4051的第3管脚X输入，而从X0～X7管脚某一路输出。可见CD4051是一个双向输入、输出型器件，而且它能选通的模拟信号的最大峰?峰值[VP-P=]15 V，非常适用于多通道信号选通/分配的场合。

如果在CD4051的X0～X7端连接不同阻值的电阻，如图1所示，把这些电阻另一端一同连接到放大器模型的反相输入端，而CD4051的X端与放大器模型的输出端连接，CD4051和8个电阻相当于放大器的反馈电阻[Rf。]这时，如果CD4051的地址线A、B、C在单片机I/O口的控制下每次只选通某一通道，这样不同阻值的电阻在某次选通下成为了放大器模型的反馈电阻，因为这些电阻阻值有所不同，所以在不同地址线信号的控制下，放大器具有了不同的增益。

1.2 量程自动转换

在多通道信号检测系统中，多个通道可通过CD4051实现某一通道信号的选通，这个被选通的信号经过放大等处理后至A/D进行数字化转换。由于各个传感器的输入信号幅度不同，例如，传感器2所测量的物理量对应电信号输出范围为10～50 mV，而传感器6所测量的物理量可能对应输出范围为l00～200 mV。这样就出现一个问题，某些传感器最大的输出电平还没有其他传感器最小的输出电平大，而放大器的职责是把传感器的最大信号尽可能地放大到贴近A/D输入的最大值，以获得A/D转换的最大分辨率。

这种放大器只有一种放大倍数显然是不能完美地应付不同幅度范围信号放大问题的。

即便对于单通道的信号，如果该信号的变化范围很大，若放大器只有一种放大倍数，也常会出现小信号得不到尽可能高的放大倍数而丧失A/D转换精度的问题。这就是图1使用了两个CD4051的原因，一个用来切换通道，另一个用来调整放大器的增益。

量程自动转换的方法与图1所示的方法是一致的，即在模拟信号通道中设置增益可控的放大器，借助量程转换控制信号，使量程根据实际需要进行转换。

2 量程自动转换电路设计

图2所示为单通道数据采集量程自动转换的硬件电路，图中量程控制部分使用CD4051来调整反馈电阻的阻值，当P1.1=P1.0=0时，CD4051的X0与X连通，此时，放大器的放大倍数为1，相当于一个跟随器。

4 结 语

以本系统为基础可以实现多种仪器仪表量程自动转换功能，为仪器仪表数据采集做好准备，具有集成化、智能化、简便的特点。本系统最大优点是利用单片机进行核心控制，在整个工作过程中改变单片机程序可以使控制方式多样化，并可以单片机为核心添加数据处理，数据显示，过程控制等单元，为下一步的扩展留有空间。

参考文献

[1] 张毅坤，陈善久，裘雪红.单片微型计算机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.

[2] 龚尚福，朱宇.微机原理与接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[3] 于海生.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，1998.

[4] 柴钰，刘晓荣，杨良煜.QTH?2008XS单片机实验指导书[M].西安：西安科技大学出版社，2007.

[5] 康华光.电子技术基础（数字部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 沙占友，沙江.数字万用表功能扩展与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[7] 沙占友.新型数字电压表原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[8] 朱齐嫒，莫长江.单片机控制自动量程转换设计[J].淮阴工学院学报，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能仪表原理与设计技术[M].上海：华东理工大学出版社，2003.

[10] 郭志友，孙慧卿.自动换量限的数字万用表[J].仪器仪表学报，2004（1）：96?98.

摘 要： 仪器仪表数据采集之前，往往需要经过量程控制电路衰减或放大，使其电压处于适合于取得较高A/D转换精度的范围之内。系统利用单片机与多路选择器及A/D转换器实现仪器仪表量程的自动转换过程，提高测量仪器仪表智能化程度。

关键字： 量程自动控制； CD4051； 多路选择器； A/D转换

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0140?03

0 引 言

近年来，随着科学技术的快速发展，特别是单片机的普及使用，推动了仪器仪表向着集成化、小型化、智能化发展。其中仪器仪表量程自动转换技术就是突出的表现，传统仪器仪表量程选择以人为手动为主，使用中不同量程间转换频繁极易损坏仪器仪表中机械部件，甚至可能造成测量误差影响测量结果。新型仪器仪表量程自动转换解决了这个难题，利用单片机控制完成量程选择，不需要人为干预自动对被测量选择合适的量程，保护设备不被人为操作损坏。使测量仪器仪表具有智能化特性，真正实现检测技术领域的智能化测量，减轻使用人员工作负担。本系统利用单片机与多路选择器及A/D转换器完成对量程自动控制。

1 设计思路

1.1 通道模拟多路选择器CD4051

CD4051最大的特点就是能选通模拟信号和实现多路信号的选择和分配，也就是说模拟信号除了能从X0～X7进入CD4051而选择惟一输出外，还能从CD4051的第3管脚X输入，而从X0～X7管脚某一路输出。可见CD4051是一个双向输入、输出型器件，而且它能选通的模拟信号的最大峰?峰值[VP-P=]15 V，非常适用于多通道信号选通/分配的场合。

如果在CD4051的X0～X7端连接不同阻值的电阻，如图1所示，把这些电阻另一端一同连接到放大器模型的反相输入端，而CD4051的X端与放大器模型的输出端连接，CD4051和8个电阻相当于放大器的反馈电阻[Rf。]这时，如果CD4051的地址线A、B、C在单片机I/O口的控制下每次只选通某一通道，这样不同阻值的电阻在某次选通下成为了放大器模型的反馈电阻，因为这些电阻阻值有所不同，所以在不同地址线信号的控制下，放大器具有了不同的增益。

1.2 量程自动转换

在多通道信号检测系统中，多个通道可通过CD4051实现某一通道信号的选通，这个被选通的信号经过放大等处理后至A/D进行数字化转换。由于各个传感器的输入信号幅度不同，例如，传感器2所测量的物理量对应电信号输出范围为10～50 mV，而传感器6所测量的物理量可能对应输出范围为l00～200 mV。这样就出现一个问题，某些传感器最大的输出电平还没有其他传感器最小的输出电平大，而放大器的职责是把传感器的最大信号尽可能地放大到贴近A/D输入的最大值，以获得A/D转换的最大分辨率。

这种放大器只有一种放大倍数显然是不能完美地应付不同幅度范围信号放大问题的。

即便对于单通道的信号，如果该信号的变化范围很大，若放大器只有一种放大倍数，也常会出现小信号得不到尽可能高的放大倍数而丧失A/D转换精度的问题。这就是图1使用了两个CD4051的原因，一个用来切换通道，另一个用来调整放大器的增益。

量程自动转换的方法与图1所示的方法是一致的，即在模拟信号通道中设置增益可控的放大器，借助量程转换控制信号，使量程根据实际需要进行转换。

2 量程自动转换电路设计

图2所示为单通道数据采集量程自动转换的硬件电路，图中量程控制部分使用CD4051来调整反馈电阻的阻值，当P1.1=P1.0=0时，CD4051的X0与X连通，此时，放大器的放大倍数为1，相当于一个跟随器。

4 结 语

以本系统为基础可以实现多种仪器仪表量程自动转换功能，为仪器仪表数据采集做好准备，具有集成化、智能化、简便的特点。本系统最大优点是利用单片机进行核心控制，在整个工作过程中改变单片机程序可以使控制方式多样化，并可以单片机为核心添加数据处理，数据显示，过程控制等单元，为下一步的扩展留有空间。

参考文献

[1] 张毅坤，陈善久，裘雪红.单片微型计算机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.

[2] 龚尚福，朱宇.微机原理与接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[3] 于海生.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，1998.

[4] 柴钰，刘晓荣，杨良煜.QTH?2008XS单片机实验指导书[M].西安：西安科技大学出版社，2007.

[5] 康华光.电子技术基础（数字部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 沙占友，沙江.数字万用表功能扩展与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[7] 沙占友.新型数字电压表原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[8] 朱齐嫒，莫长江.单片机控制自动量程转换设计[J].淮阴工学院学报，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能仪表原理与设计技术[M].上海：华东理工大学出版社，2003.

[10] 郭志友，孙慧卿.自动换量限的数字万用表[J].仪器仪表学报，2004（1）：96?98.

摘 要： 仪器仪表数据采集之前，往往需要经过量程控制电路衰减或放大，使其电压处于适合于取得较高A/D转换精度的范围之内。系统利用单片机与多路选择器及A/D转换器实现仪器仪表量程的自动转换过程，提高测量仪器仪表智能化程度。

关键字： 量程自动控制； CD4051； 多路选择器； A/D转换

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0140?03

0 引 言

近年来，随着科学技术的快速发展，特别是单片机的普及使用，推动了仪器仪表向着集成化、小型化、智能化发展。其中仪器仪表量程自动转换技术就是突出的表现，传统仪器仪表量程选择以人为手动为主，使用中不同量程间转换频繁极易损坏仪器仪表中机械部件，甚至可能造成测量误差影响测量结果。新型仪器仪表量程自动转换解决了这个难题，利用单片机控制完成量程选择，不需要人为干预自动对被测量选择合适的量程，保护设备不被人为操作损坏。使测量仪器仪表具有智能化特性，真正实现检测技术领域的智能化测量，减轻使用人员工作负担。本系统利用单片机与多路选择器及A/D转换器完成对量程自动控制。

1 设计思路

1.1 通道模拟多路选择器CD4051

CD4051最大的特点就是能选通模拟信号和实现多路信号的选择和分配，也就是说模拟信号除了能从X0～X7进入CD4051而选择惟一输出外，还能从CD4051的第3管脚X输入，而从X0～X7管脚某一路输出。可见CD4051是一个双向输入、输出型器件，而且它能选通的模拟信号的最大峰?峰值[VP-P=]15 V，非常适用于多通道信号选通/分配的场合。

如果在CD4051的X0～X7端连接不同阻值的电阻，如图1所示，把这些电阻另一端一同连接到放大器模型的反相输入端，而CD4051的X端与放大器模型的输出端连接，CD4051和8个电阻相当于放大器的反馈电阻[Rf。]这时，如果CD4051的地址线A、B、C在单片机I/O口的控制下每次只选通某一通道，这样不同阻值的电阻在某次选通下成为了放大器模型的反馈电阻，因为这些电阻阻值有所不同，所以在不同地址线信号的控制下，放大器具有了不同的增益。

1.2 量程自动转换

在多通道信号检测系统中，多个通道可通过CD4051实现某一通道信号的选通，这个被选通的信号经过放大等处理后至A/D进行数字化转换。由于各个传感器的输入信号幅度不同，例如，传感器2所测量的物理量对应电信号输出范围为10～50 mV，而传感器6所测量的物理量可能对应输出范围为l00～200 mV。这样就出现一个问题，某些传感器最大的输出电平还没有其他传感器最小的输出电平大，而放大器的职责是把传感器的最大信号尽可能地放大到贴近A/D输入的最大值，以获得A/D转换的最大分辨率。

这种放大器只有一种放大倍数显然是不能完美地应付不同幅度范围信号放大问题的。

即便对于单通道的信号，如果该信号的变化范围很大，若放大器只有一种放大倍数，也常会出现小信号得不到尽可能高的放大倍数而丧失A/D转换精度的问题。这就是图1使用了两个CD4051的原因，一个用来切换通道，另一个用来调整放大器的增益。

量程自动转换的方法与图1所示的方法是一致的，即在模拟信号通道中设置增益可控的放大器，借助量程转换控制信号，使量程根据实际需要进行转换。

2 量程自动转换电路设计

图2所示为单通道数据采集量程自动转换的硬件电路，图中量程控制部分使用CD4051来调整反馈电阻的阻值，当P1.1=P1.0=0时，CD4051的X0与X连通，此时，放大器的放大倍数为1，相当于一个跟随器。

4 结 语

以本系统为基础可以实现多种仪器仪表量程自动转换功能，为仪器仪表数据采集做好准备，具有集成化、智能化、简便的特点。本系统最大优点是利用单片机进行核心控制，在整个工作过程中改变单片机程序可以使控制方式多样化，并可以单片机为核心添加数据处理，数据显示，过程控制等单元，为下一步的扩展留有空间。

参考文献

[1] 张毅坤，陈善久，裘雪红.单片微型计算机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.

[2] 龚尚福，朱宇.微机原理与接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[3] 于海生.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，1998.

[4] 柴钰，刘晓荣，杨良煜.QTH?2008XS单片机实验指导书[M].西安：西安科技大学出版社，2007.

[5] 康华光.电子技术基础（数字部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 沙占友，沙江.数字万用表功能扩展与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[7] 沙占友.新型数字电压表原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[8] 朱齐嫒，莫长江.单片机控制自动量程转换设计[J].淮阴工学院学报，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能仪表原理与设计技术[M].上海：华东理工大学出版社，2003.

[10] 郭志友，孙慧卿.自动换量限的数字万用表[J].仪器仪表学报，2004（1）：96?98.