单片机原理及应用辅导资料十四主 题：课件第七章第3节
学习时间：2020年6月29日--7月5日
“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
每周文摘：担使命，就是要牢记我们党肩负的实现中华民族伟大复兴的历史使命，勇于担当负责，积极主动作为，用科学的理念、长远的眼光、务实的作风谋划事业；保持斗争精神，敢于直面风险挑战，知重负重、攻坚克难，以坚忍不拔的意志和无私无畏的勇气战胜前进道路上的一切艰难险阻；在实践历练中增长经验智慧，在经风雨、见世面中壮筋骨、长才干。
摘选自《在“不忘初心、牢记使命”主题教育工作会议上的讲话》课程内容：
我们这周主要学习课件第七章单片机应用系统设计第3节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对单片机相关知识的理解。一、学习要求
理解单片机数据采集系统一般构成；进一步了解单片机应用系统软件设计的方法。二、主要内容
1.数据采集系统的设计
数据采集是单片机应用系统中最为普遍的应用需求。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）。
（1）模拟输入通道的组成
图1 模拟输入通道一般构成 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。
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到各被测回路与A/D 转换器间的通路，以达到分时享用A/D转换器的目的。常用的多路开关有CD4051/CD4052和AD7501/AD7502等。
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。
④采样保持器
采样保持器具有采样和保持两个状态，在采样状态时，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采样结束前瞬间的模拟量值。使用 采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。常用的采样保 持器芯片有LF398，AD582等。
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转换器可以对满量程的1/256进行分辨。A/D转换器的另外一个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）设计实例
①设计要求
设计一个温度采集系统，被测温度范围是0～500℃，被测点为4个，要求测量的温度分辨率为0.5℃，每2秒测量一次。
②器件选择
传感器选用镍铬－镍硅热电偶，分度号为K。当温度为500℃ 时热电动势为20.64mV。满量程为500℃，对于0.5℃的分辨率要求，A/D转换器要具有0.5/500=1/1000的分辨能力，8位的A/D转换器的分辨率为1/256，10位的A/D转换器的分辨率为1/1024，常用的5G14433具有1/2048的分辨率。
时间上，要求每2秒对4个点进行一个巡回检测，所以每点的采样转换时间为2秒/4＝0.5秒，也就是要达到1秒采样2次，对于5G14433， 当外接RC电阻为300kΩ时，时钟频率为147KHz，每秒可以转换约9次。另外，还需要将20.64mV的信号放到到5G14433的输入电压2V，放大器的增益为2000/20.64=96.9，多路开关选用CD4052，由于温度信号变化很缓慢，所以不需要采样保持器。
③硬件电路
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.智能二线制温度变送器设计实例
80C51系列是一个集合各种新型单片机品种的大家族，每一种产品都有其独特的优点，在进行单片机应用系统设计时，首要任务就是要选择一种合适的单片机。
（1）智能温度变送器简介
二线制热电阻温度变送器的功能就是将温度信号线性地变换成4mA-20mA直流标准输出信号，同时在现场利用LCD液晶显示器指示温度。
如果采用模拟电路，使用分立元件组成，这些器件本身存在着较大的温度漂移，同时热电阻本身存在非线性，所以还要进行非线性处理。模拟元件处理非线性比较复杂，并且精度不高。
如果采用数字电路，数字元件，抗干扰能力强，一般不存在温度漂移，而且在处理非线性问题方面，非常有优势，完全可以通过编程的手段来实现，更加灵活，可以达到很高的精度。
（2）硬件设计
由于采用微处理器作为核心，因此要求微处理器和外围器件必须采用低功耗器件，必须保证整体功耗小于4mA。
①电源管理模块
普通的二线制变送器采用模拟器件来实现，因此对电源的功耗要求较低，一般采用78系列稳压模块，工作电流可以控制在2mA以下，但对于采用微处理器的数字电路来说，工作电流相对较大，所以要选择低功耗的数字电路芯片。这里采用Maxim公司的高电压低功耗线性。
变换器MAX1616作为电压变换器，采用该器件将输入的24V左右的电压变换成5V，可以向外围数字电路芯片供电，为了进一步降低微处理器的功耗和提高数据处理精度，再把5V电压经过MAX619（低功耗高精密电压基准源）输出一个3V高精密的电压基准，一方面对微处理器供电，另外一方面为A/D转换器提供参考电压，进而提高转换的精度。
②信号处理模块
图2所示为信号处理模块，采用的是TI公司的TLC27L2完成信号的放大与输出。TLC27L2是低功耗精密运算放大器，其特点是：单电源供电，超低功耗（25℃，5V时，电流为19μA）。采用数字电位器X9c104和X9c504作为信号的调零和放大，对变送器进行数字调零和满量程调整，其中R9，R10，R11，X9c104和Pt1000热电阻组成测温电桥，利用X9c104可以对不同量程的变送器进行零点的调整，电桥中间两点电压作为差动运算放大器的输入信号，经差动放大，送A/D进行转换。
图2 信号处理模块电路
③数据运算模块
数据运算模块式变送器的关键部件，它完成A/D转换，被测信号转换，键盘扫描，电压输出，信号分析处理及信息显示等功能。由于上述要求，以及低功耗的要求等，采用了Cygnal公司的C8051F017芯片，它与8051的指令完全兼容， 具有标准的80C52的所有部件，内部还带有4路10位A/D转换器，32KB片内Flash程序存储器，2304字节的数据存储器(RAM)，2路12位D/A转换器，22个中断源，可编程计数器阵列，支持I2C和SPI总线接口，它具有低功耗等待和停机方式，具有片内看门狗电路(WDT)，易于实现低功耗抗干扰设计。
此外，该芯片采用了CIP-51流水线结构，70%的指令执行时间为1-2个系统时钟周期， 与其它同类8位微处理器相比速度提高2-8倍，另外，采用2.7V-3.6V的工作电压，通过JTAG接口，可以进行非侵入式，全速的系统调试。因此， C8051F017芯片是低功耗智能仪表较为适宜的微控制器。
④V/I变换模块
V/I变换部分采用负载共地方式， 由TI公司的高速低功耗精密运算放大器TLE2021，精密电阻R3，R4，R5，R6，Rf，R8，T1组成。
（3）软件设计
①A/D转换
为使A/D转换器满足一定的转换精度，就必须让采样电路的保持电容有足够的充电时间，因此必须正确选择A/D转换的时钟源，系统采用1MHz晶振，A/D转换时钟周期选择16个系统时钟周期。具体的转换程序略。
②线性化处理
在实际应用中，多数传感器的输出信号与被测参数之间均呈非线性关系， 这是造成测量精度低，误差大的主要原因。热电阻的输出电压与被测温度之间也是非线性关系，对非线性的补偿，采用查表法和计算法结合的插值法。
首先通过精密电阻箱模拟铂电阻的分度表，每隔5℃获取其10位A/D转换结果显示在LCD上，得到关于被测温度与A/D转换数值的对应表。三、习题
（单选题）
下列选项中哪个不是直流电源抗干扰措施（ ）。
A．采用高质量的集成稳压电路单独供电
B．采用直流开关电源
C．采用DC-DC变换器
D．采用多点接地
答案：D
学习时间：2020年6月29日--7月5日
“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
每周文摘：担使命，就是要牢记我们党肩负的实现中华民族伟大复兴的历史使命，勇于担当负责，积极主动作为，用科学的理念、长远的眼光、务实的作风谋划事业；保持斗争精神，敢于直面风险挑战，知重负重、攻坚克难，以坚忍不拔的意志和无私无畏的勇气战胜前进道路上的一切艰难险阻；在实践历练中增长经验智慧，在经风雨、见世面中壮筋骨、长才干。
摘选自《在“不忘初心、牢记使命”主题教育工作会议上的讲话》课程内容：
我们这周主要学习课件第七章单片机应用系统设计第3节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对单片机相关知识的理解。一、学习要求
理解单片机数据采集系统一般构成；进一步了解单片机应用系统软件设计的方法。二、主要内容
1.数据采集系统的设计
数据采集是单片机应用系统中最为普遍的应用需求。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）。
（1）模拟输入通道的组成
图1 模拟输入通道一般构成 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。
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到各被测回路与A/D 转换器间的通路，以达到分时享用A/D转换器的目的。常用的多路开关有CD4051/CD4052和AD7501/AD7502等。
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。
④采样保持器
采样保持器具有采样和保持两个状态，在采样状态时，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采样结束前瞬间的模拟量值。使用 采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。常用的采样保 持器芯片有LF398，AD582等。
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转换器可以对满量程的1/256进行分辨。A/D转换器的另外一个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）设计实例
①设计要求
设计一个温度采集系统，被测温度范围是0～500℃，被测点为4个，要求测量的温度分辨率为0.5℃，每2秒测量一次。
②器件选择
传感器选用镍铬－镍硅热电偶，分度号为K。当温度为500℃ 时热电动势为20.64mV。满量程为500℃，对于0.5℃的分辨率要求，A/D转换器要具有0.5/500=1/1000的分辨能力，8位的A/D转换器的分辨率为1/256，10位的A/D转换器的分辨率为1/1024，常用的5G14433具有1/2048的分辨率。
时间上，要求每2秒对4个点进行一个巡回检测，所以每点的采样转换时间为2秒/4＝0.5秒，也就是要达到1秒采样2次，对于5G14433， 当外接RC电阻为300kΩ时，时钟频率为147KHz，每秒可以转换约9次。另外，还需要将20.64mV的信号放到到5G14433的输入电压2V，放大器的增益为2000/20.64=96.9，多路开关选用CD4052，由于温度信号变化很缓慢，所以不需要采样保持器。
③硬件电路
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.智能二线制温度变送器设计实例
80C51系列是一个集合各种新型单片机品种的大家族，每一种产品都有其独特的优点，在进行单片机应用系统设计时，首要任务就是要选择一种合适的单片机。
（1）智能温度变送器简介
二线制热电阻温度变送器的功能就是将温度信号线性地变换成4mA-20mA直流标准输出信号，同时在现场利用LCD液晶显示器指示温度。
如果采用模拟电路，使用分立元件组成，这些器件本身存在着较大的温度漂移，同时热电阻本身存在非线性，所以还要进行非线性处理。模拟元件处理非线性比较复杂，并且精度不高。
如果采用数字电路，数字元件，抗干扰能力强，一般不存在温度漂移，而且在处理非线性问题方面，非常有优势，完全可以通过编程的手段来实现，更加灵活，可以达到很高的精度。
（2）硬件设计
由于采用微处理器作为核心，因此要求微处理器和外围器件必须采用低功耗器件，必须保证整体功耗小于4mA。
①电源管理模块
普通的二线制变送器采用模拟器件来实现，因此对电源的功耗要求较低，一般采用78系列稳压模块，工作电流可以控制在2mA以下，但对于采用微处理器的数字电路来说，工作电流相对较大，所以要选择低功耗的数字电路芯片。这里采用Maxim公司的高电压低功耗线性。
变换器MAX1616作为电压变换器，采用该器件将输入的24V左右的电压变换成5V，可以向外围数字电路芯片供电，为了进一步降低微处理器的功耗和提高数据处理精度，再把5V电压经过MAX619（低功耗高精密电压基准源）输出一个3V高精密的电压基准，一方面对微处理器供电，另外一方面为A/D转换器提供参考电压，进而提高转换的精度。
②信号处理模块
图2所示为信号处理模块，采用的是TI公司的TLC27L2完成信号的放大与输出。TLC27L2是低功耗精密运算放大器，其特点是：单电源供电，超低功耗（25℃，5V时，电流为19μA）。采用数字电位器X9c104和X9c504作为信号的调零和放大，对变送器进行数字调零和满量程调整，其中R9，R10，R11，X9c104和Pt1000热电阻组成测温电桥，利用X9c104可以对不同量程的变送器进行零点的调整，电桥中间两点电压作为差动运算放大器的输入信号，经差动放大，送A/D进行转换。
图2 信号处理模块电路
③数据运算模块
数据运算模块式变送器的关键部件，它完成A/D转换，被测信号转换，键盘扫描，电压输出，信号分析处理及信息显示等功能。由于上述要求，以及低功耗的要求等，采用了Cygnal公司的C8051F017芯片，它与8051的指令完全兼容， 具有标准的80C52的所有部件，内部还带有4路10位A/D转换器，32KB片内Flash程序存储器，2304字节的数据存储器(RAM)，2路12位D/A转换器，22个中断源，可编程计数器阵列，支持I2C和SPI总线接口，它具有低功耗等待和停机方式，具有片内看门狗电路(WDT)，易于实现低功耗抗干扰设计。
此外，该芯片采用了CIP-51流水线结构，70%的指令执行时间为1-2个系统时钟周期， 与其它同类8位微处理器相比速度提高2-8倍，另外，采用2.7V-3.6V的工作电压，通过JTAG接口，可以进行非侵入式，全速的系统调试。因此， C8051F017芯片是低功耗智能仪表较为适宜的微控制器。
④V/I变换模块
V/I变换部分采用负载共地方式， 由TI公司的高速低功耗精密运算放大器TLE2021，精密电阻R3，R4，R5，R6，Rf，R8，T1组成。
（3）软件设计
①A/D转换
为使A/D转换器满足一定的转换精度，就必须让采样电路的保持电容有足够的充电时间，因此必须正确选择A/D转换的时钟源，系统采用1MHz晶振，A/D转换时钟周期选择16个系统时钟周期。具体的转换程序略。
②线性化处理
在实际应用中，多数传感器的输出信号与被测参数之间均呈非线性关系， 这是造成测量精度低，误差大的主要原因。热电阻的输出电压与被测温度之间也是非线性关系，对非线性的补偿，采用查表法和计算法结合的插值法。
首先通过精密电阻箱模拟铂电阻的分度表，每隔5℃获取其10位A/D转换结果显示在LCD上，得到关于被测温度与A/D转换数值的对应表。三、习题
（单选题）
下列选项中哪个不是直流电源抗干扰措施（ ）。
A．采用高质量的集成稳压电路单独供电
B．采用直流开关电源
C．采用DC-DC变换器
D．采用多点接地
答案：D
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