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      基于51單片機(jī)量程自動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2014-03-12 18:55:54趙群
      現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年5期
      關(guān)鍵詞:選擇器儀器儀表量程

      趙群

      摘 要: 儀器儀表數(shù)據(jù)采集之前,往往需要經(jīng)過量程控制電路衰減或放大,使其電壓處于適合于取得較高A/D轉(zhuǎn)換精度的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)儀器儀表量程的自動轉(zhuǎn)換過程,提高測量儀器儀表智能化程度。

      關(guān)鍵字: 量程自動控制; CD4051; 多路選擇器; A/D轉(zhuǎn)換

      中圖分類號: TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)05?0140?03

      0 引 言

      近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,特別是單片機(jī)的普及使用,推動了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發(fā)展。其中儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)就是突出的表現(xiàn),傳統(tǒng)儀器儀表量程選擇以人為手動為主,使用中不同量程間轉(zhuǎn)換頻繁極易損壞儀器儀表中機(jī)械部件,甚至可能造成測量誤差影響測量結(jié)果。新型儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換解決了這個(gè)難題,利用單片機(jī)控制完成量程選擇,不需要人為干預(yù)自動對被測量選擇合適的量程,保護(hù)設(shè)備不被人為操作損壞。使測量儀器儀表具有智能化特性,真正實(shí)現(xiàn)檢測技術(shù)領(lǐng)域的智能化測量,減輕使用人員工作負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器完成對量程自動控制。

      1 設(shè)計(jì)思路

      1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

      CD4051最大的特點(diǎn)就是能選通模擬信號和實(shí)現(xiàn)多路信號的選擇和分配,也就是說模擬信號除了能從X0~X7進(jìn)入CD4051而選擇惟一輸出外,還能從CD4051的第3管腳X輸入,而從X0~X7管腳某一路輸出??梢奀D4051是一個(gè)雙向輸入、輸出型器件,而且它能選通的模擬信號的最大峰?峰值[VP-P=]15 V,非常適用于多通道信號選通/分配的場合。

      如果在CD4051的X0~X7端連接不同阻值的電阻,如圖1所示,把這些電阻另一端一同連接到放大器模型的反相輸入端,而CD4051的X端與放大器模型的輸出端連接,CD4051和8個(gè)電阻相當(dāng)于放大器的反饋電阻[Rf。]這時(shí),如果CD4051的地址線A、B、C在單片機(jī)I/O口的控制下每次只選通某一通道,這樣不同阻值的電阻在某次選通下成為了放大器模型的反饋電阻,因?yàn)檫@些電阻阻值有所不同,所以在不同地址線信號的控制下,放大器具有了不同的增益。

      1.2 量程自動轉(zhuǎn)換

      在多通道信號檢測系統(tǒng)中,多個(gè)通道可通過CD4051實(shí)現(xiàn)某一通道信號的選通,這個(gè)被選通的信號經(jīng)過放大等處理后至A/D進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。由于各個(gè)傳感器的輸入信號幅度不同,例如,傳感器2所測量的物理量對應(yīng)電信號輸出范圍為10~50 mV,而傳感器6所測量的物理量可能對應(yīng)輸出范圍為l00~200 mV。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問題,某些傳感器最大的輸出電平還沒有其他傳感器最小的輸出電平大,而放大器的職責(zé)是把傳感器的最大信號盡可能地放大到貼近A/D輸入的最大值,以獲得A/D轉(zhuǎn)換的最大分辨率。

      這種放大器只有一種放大倍數(shù)顯然是不能完美地應(yīng)付不同幅度范圍信號放大問題的。

      即便對于單通道的信號,如果該信號的變化范圍很大,若放大器只有一種放大倍數(shù),也常會出現(xiàn)小信號得不到盡可能高的放大倍數(shù)而喪失A/D轉(zhuǎn)換精度的問題。這就是圖1使用了兩個(gè)CD4051的原因,一個(gè)用來切換通道,另一個(gè)用來調(diào)整放大器的增益。

      量程自動轉(zhuǎn)換的方法與圖1所示的方法是一致的,即在模擬信號通道中設(shè)置增益可控的放大器,借助量程轉(zhuǎn)換控制信號,使量程根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

      2 量程自動轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

      圖2所示為單通道數(shù)據(jù)采集量程自動轉(zhuǎn)換的硬件電路,圖中量程控制部分使用CD4051來調(diào)整反饋電阻的阻值,當(dāng)P1.1=P1.0=0時(shí),CD4051的X0與X連通,此時(shí),放大器的放大倍數(shù)為1,相當(dāng)于一個(gè)跟隨器。

      4 結(jié) 語

      以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)多種儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換功能,為儀器儀表數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備,具有集成化、智能化、簡便的特點(diǎn)。本系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是利用單片機(jī)進(jìn)行核心控制,在整個(gè)工作過程中改變單片機(jī)程序可以使控制方式多樣化,并可以單片機(jī)為核心添加數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)顯示,過程控制等單元,為下一步的擴(kuò)展留有空間。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 張毅坤,陳善久,裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1998.

      [2] 龔尚福,朱宇.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

      [3] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

      [4] 柴鈺,劉曉榮,楊良煜.QTH?2008XS單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].西安:西安科技大學(xué)出版社,2007.

      [5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].北京:高等教育出版社,2000.

      [6] 沙占友,沙江.數(shù)字萬用表功能擴(kuò)展與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2005.

      [7] 沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

      [8] 朱齊嬡,莫長江.單片機(jī)控制自動量程轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào),2005(5):47?49.

      [9] 凌志浩.智能儀表原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2003.

      [10] 郭志友,孫慧卿.自動換量限的數(shù)字萬用表[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2004(1):96?98.

      摘 要: 儀器儀表數(shù)據(jù)采集之前,往往需要經(jīng)過量程控制電路衰減或放大,使其電壓處于適合于取得較高A/D轉(zhuǎn)換精度的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)儀器儀表量程的自動轉(zhuǎn)換過程,提高測量儀器儀表智能化程度。

      關(guān)鍵字: 量程自動控制; CD4051; 多路選擇器; A/D轉(zhuǎn)換

      中圖分類號: TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)05?0140?03

      0 引 言

      近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,特別是單片機(jī)的普及使用,推動了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發(fā)展。其中儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)就是突出的表現(xiàn),傳統(tǒng)儀器儀表量程選擇以人為手動為主,使用中不同量程間轉(zhuǎn)換頻繁極易損壞儀器儀表中機(jī)械部件,甚至可能造成測量誤差影響測量結(jié)果。新型儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換解決了這個(gè)難題,利用單片機(jī)控制完成量程選擇,不需要人為干預(yù)自動對被測量選擇合適的量程,保護(hù)設(shè)備不被人為操作損壞。使測量儀器儀表具有智能化特性,真正實(shí)現(xiàn)檢測技術(shù)領(lǐng)域的智能化測量,減輕使用人員工作負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器完成對量程自動控制。

      1 設(shè)計(jì)思路

      1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

      CD4051最大的特點(diǎn)就是能選通模擬信號和實(shí)現(xiàn)多路信號的選擇和分配,也就是說模擬信號除了能從X0~X7進(jìn)入CD4051而選擇惟一輸出外,還能從CD4051的第3管腳X輸入,而從X0~X7管腳某一路輸出??梢奀D4051是一個(gè)雙向輸入、輸出型器件,而且它能選通的模擬信號的最大峰?峰值[VP-P=]15 V,非常適用于多通道信號選通/分配的場合。

      如果在CD4051的X0~X7端連接不同阻值的電阻,如圖1所示,把這些電阻另一端一同連接到放大器模型的反相輸入端,而CD4051的X端與放大器模型的輸出端連接,CD4051和8個(gè)電阻相當(dāng)于放大器的反饋電阻[Rf。]這時(shí),如果CD4051的地址線A、B、C在單片機(jī)I/O口的控制下每次只選通某一通道,這樣不同阻值的電阻在某次選通下成為了放大器模型的反饋電阻,因?yàn)檫@些電阻阻值有所不同,所以在不同地址線信號的控制下,放大器具有了不同的增益。

      1.2 量程自動轉(zhuǎn)換

      在多通道信號檢測系統(tǒng)中,多個(gè)通道可通過CD4051實(shí)現(xiàn)某一通道信號的選通,這個(gè)被選通的信號經(jīng)過放大等處理后至A/D進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。由于各個(gè)傳感器的輸入信號幅度不同,例如,傳感器2所測量的物理量對應(yīng)電信號輸出范圍為10~50 mV,而傳感器6所測量的物理量可能對應(yīng)輸出范圍為l00~200 mV。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問題,某些傳感器最大的輸出電平還沒有其他傳感器最小的輸出電平大,而放大器的職責(zé)是把傳感器的最大信號盡可能地放大到貼近A/D輸入的最大值,以獲得A/D轉(zhuǎn)換的最大分辨率。

      這種放大器只有一種放大倍數(shù)顯然是不能完美地應(yīng)付不同幅度范圍信號放大問題的。

      即便對于單通道的信號,如果該信號的變化范圍很大,若放大器只有一種放大倍數(shù),也常會出現(xiàn)小信號得不到盡可能高的放大倍數(shù)而喪失A/D轉(zhuǎn)換精度的問題。這就是圖1使用了兩個(gè)CD4051的原因,一個(gè)用來切換通道,另一個(gè)用來調(diào)整放大器的增益。

      量程自動轉(zhuǎn)換的方法與圖1所示的方法是一致的,即在模擬信號通道中設(shè)置增益可控的放大器,借助量程轉(zhuǎn)換控制信號,使量程根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

      2 量程自動轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

      圖2所示為單通道數(shù)據(jù)采集量程自動轉(zhuǎn)換的硬件電路,圖中量程控制部分使用CD4051來調(diào)整反饋電阻的阻值,當(dāng)P1.1=P1.0=0時(shí),CD4051的X0與X連通,此時(shí),放大器的放大倍數(shù)為1,相當(dāng)于一個(gè)跟隨器。

      4 結(jié) 語

      以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)多種儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換功能,為儀器儀表數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備,具有集成化、智能化、簡便的特點(diǎn)。本系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是利用單片機(jī)進(jìn)行核心控制,在整個(gè)工作過程中改變單片機(jī)程序可以使控制方式多樣化,并可以單片機(jī)為核心添加數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)顯示,過程控制等單元,為下一步的擴(kuò)展留有空間。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 張毅坤,陳善久,裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1998.

      [2] 龔尚福,朱宇.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

      [3] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

      [4] 柴鈺,劉曉榮,楊良煜.QTH?2008XS單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].西安:西安科技大學(xué)出版社,2007.

      [5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].北京:高等教育出版社,2000.

      [6] 沙占友,沙江.數(shù)字萬用表功能擴(kuò)展與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2005.

      [7] 沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

      [8] 朱齊嬡,莫長江.單片機(jī)控制自動量程轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào),2005(5):47?49.

      [9] 凌志浩.智能儀表原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2003.

      [10] 郭志友,孫慧卿.自動換量限的數(shù)字萬用表[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2004(1):96?98.

      摘 要: 儀器儀表數(shù)據(jù)采集之前,往往需要經(jīng)過量程控制電路衰減或放大,使其電壓處于適合于取得較高A/D轉(zhuǎn)換精度的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)儀器儀表量程的自動轉(zhuǎn)換過程,提高測量儀器儀表智能化程度。

      關(guān)鍵字: 量程自動控制; CD4051; 多路選擇器; A/D轉(zhuǎn)換

      中圖分類號: TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)05?0140?03

      0 引 言

      近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,特別是單片機(jī)的普及使用,推動了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發(fā)展。其中儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)就是突出的表現(xiàn),傳統(tǒng)儀器儀表量程選擇以人為手動為主,使用中不同量程間轉(zhuǎn)換頻繁極易損壞儀器儀表中機(jī)械部件,甚至可能造成測量誤差影響測量結(jié)果。新型儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換解決了這個(gè)難題,利用單片機(jī)控制完成量程選擇,不需要人為干預(yù)自動對被測量選擇合適的量程,保護(hù)設(shè)備不被人為操作損壞。使測量儀器儀表具有智能化特性,真正實(shí)現(xiàn)檢測技術(shù)領(lǐng)域的智能化測量,減輕使用人員工作負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器完成對量程自動控制。

      1 設(shè)計(jì)思路

      1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

      CD4051最大的特點(diǎn)就是能選通模擬信號和實(shí)現(xiàn)多路信號的選擇和分配,也就是說模擬信號除了能從X0~X7進(jìn)入CD4051而選擇惟一輸出外,還能從CD4051的第3管腳X輸入,而從X0~X7管腳某一路輸出??梢奀D4051是一個(gè)雙向輸入、輸出型器件,而且它能選通的模擬信號的最大峰?峰值[VP-P=]15 V,非常適用于多通道信號選通/分配的場合。

      如果在CD4051的X0~X7端連接不同阻值的電阻,如圖1所示,把這些電阻另一端一同連接到放大器模型的反相輸入端,而CD4051的X端與放大器模型的輸出端連接,CD4051和8個(gè)電阻相當(dāng)于放大器的反饋電阻[Rf。]這時(shí),如果CD4051的地址線A、B、C在單片機(jī)I/O口的控制下每次只選通某一通道,這樣不同阻值的電阻在某次選通下成為了放大器模型的反饋電阻,因?yàn)檫@些電阻阻值有所不同,所以在不同地址線信號的控制下,放大器具有了不同的增益。

      1.2 量程自動轉(zhuǎn)換

      在多通道信號檢測系統(tǒng)中,多個(gè)通道可通過CD4051實(shí)現(xiàn)某一通道信號的選通,這個(gè)被選通的信號經(jīng)過放大等處理后至A/D進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。由于各個(gè)傳感器的輸入信號幅度不同,例如,傳感器2所測量的物理量對應(yīng)電信號輸出范圍為10~50 mV,而傳感器6所測量的物理量可能對應(yīng)輸出范圍為l00~200 mV。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問題,某些傳感器最大的輸出電平還沒有其他傳感器最小的輸出電平大,而放大器的職責(zé)是把傳感器的最大信號盡可能地放大到貼近A/D輸入的最大值,以獲得A/D轉(zhuǎn)換的最大分辨率。

      這種放大器只有一種放大倍數(shù)顯然是不能完美地應(yīng)付不同幅度范圍信號放大問題的。

      即便對于單通道的信號,如果該信號的變化范圍很大,若放大器只有一種放大倍數(shù),也常會出現(xiàn)小信號得不到盡可能高的放大倍數(shù)而喪失A/D轉(zhuǎn)換精度的問題。這就是圖1使用了兩個(gè)CD4051的原因,一個(gè)用來切換通道,另一個(gè)用來調(diào)整放大器的增益。

      量程自動轉(zhuǎn)換的方法與圖1所示的方法是一致的,即在模擬信號通道中設(shè)置增益可控的放大器,借助量程轉(zhuǎn)換控制信號,使量程根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

      2 量程自動轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

      圖2所示為單通道數(shù)據(jù)采集量程自動轉(zhuǎn)換的硬件電路,圖中量程控制部分使用CD4051來調(diào)整反饋電阻的阻值,當(dāng)P1.1=P1.0=0時(shí),CD4051的X0與X連通,此時(shí),放大器的放大倍數(shù)為1,相當(dāng)于一個(gè)跟隨器。

      4 結(jié) 語

      以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)多種儀器儀表量程自動轉(zhuǎn)換功能,為儀器儀表數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備,具有集成化、智能化、簡便的特點(diǎn)。本系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是利用單片機(jī)進(jìn)行核心控制,在整個(gè)工作過程中改變單片機(jī)程序可以使控制方式多樣化,并可以單片機(jī)為核心添加數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)顯示,過程控制等單元,為下一步的擴(kuò)展留有空間。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 張毅坤,陳善久,裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1998.

      [2] 龔尚福,朱宇.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

      [3] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

      [4] 柴鈺,劉曉榮,楊良煜.QTH?2008XS單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].西安:西安科技大學(xué)出版社,2007.

      [5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].北京:高等教育出版社,2000.

      [6] 沙占友,沙江.數(shù)字萬用表功能擴(kuò)展與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2005.

      [7] 沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

      [8] 朱齊嬡,莫長江.單片機(jī)控制自動量程轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào),2005(5):47?49.

      [9] 凌志浩.智能儀表原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2003.

      [10] 郭志友,孫慧卿.自動換量限的數(shù)字萬用表[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2004(1):96?98.

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