DZ178数据采集电路PCB的设计与制作
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四川万江信息系统有限公司 第1页适配器通讯协议一、 基本原则1、 采用 RS485 总线方式实现终端机（或计算机）与适配器的通信。2、 采用终端机（或计算机）发送命令，适配器返回数据的通信方式。3、 所有命令和数据全采用 ASCII 形式。二、 通信帧结构查询数据终端机（或计算机）发出：CCTSVVn： 帧头CC： 通道号（如：01：表示通道 1）T： 数据类型：现只用了？S 是否省电，1 表示让 C51 芯片控输出信号使电源 SHUTDOWN 引脚有效，并使自己进入空闲工作方式。VV： 前面所用字节和的十六进制 ASCII 形式n： 回车适配器返回数据： CCLXXXXVVn： 帧头CC： 通道号（如：01：表示通道 1）L： 数据长度（决定 XXXX 的长度，如 4 表示 XXXX 为 4 位数）XXXX： 水位数据或闸位数据（如“1.53”表示水位为 1.53 米）VV： 前面所用字节和的十六进制 ASCII 形式n： 回车注意：如果适配器返回的数据长度为 0，说明传感器出错。分类号：TP315 U D C：D10621-408-(2007)6203-0密 级：公开 编 号：2003032184成 都 信 息 工 程 学 院学 位 论 文基于 C51 的数据采集电路 PCB 的设计与制作论文作者姓名： 张茂申请学位专业： 网络工程申请学位类别： 工学学士指 导 教 师 姓 名 （职 称 ）： 李中志 (讲师)论文提交日期： 2007 年 06 月 10 日基于 C51 的数据采集电路 PCB 的设计与制作摘 要“基于 C51 的数据采集电路 PCB 的设计与制作”是针对现代水利行业水情数据采集而设计制作的电路 PCB。同时，也是为了响应国家提出的数字水利这样一个大背景下，把水利信息化尽快的实现、完善、壮大起来。本设计讲述了电子电路设计软件 Protle99 的基本功能，而后逐一介绍开发数据采集系统的步骤：需求分析、系统分析、系统设计、系统实现、系统维护。需求分析介绍了针对水利行业而进行了本系统的设计，在系统分析中分析了电子电路设计功能的各种元气件功能和各种连线要完成的功能，以及整个要完成的功能。在系统的设计中，详细的展现了系统的各个功能模块、原理图绘制、PCB 的完成所需的准备步骤。在系统的实现中，给出了一个满足系统功能的完整 PCB。通过反复的测试，我们得出结果，整个系统的设计是成功的，可以应用到所有的水利行业，进行数据的采集。关键字：PCB；数据采集；电子电路；数字水利 The Design and Implementation of Data Acquisition Circuit Based on C51Abstract“The design and implementation of data acquisition circuit based on C51” is the circuit PCB designed and implemented according to data of water situation of modern conservancy industry. At the same time, in order to response to the digital conservancy raised by our country, it makes the conservancy informationization implement, perfect and grow. This paper discusses the basic function of electronic circuit design software-Protle99. It takes this system for example to introduce the development steps of this system one by one: demand analysis, system analysis, system design, system implementation and system maintenance. Demand analysis introduces the design of this system focusing on conservancy industry. It analyses functions of various components and various connections of electronic circuit design in system analysis, as well as the function of completion. In the design of this system, it shows the preparing steps of every functional module, drawing of principle chart, and completion of PBC of this system. In the implementation of this system, it gives a complete PBC matched for the function of the system. After repeated tests, the result is that the design of this system is successful and it can be applied to all conservancy industries to collect data.Key words：PCB; data collection; electronic circuit; digital conservancy目 录论文总页数：23 页1 引言 .12 开发概述 .12.1 数据采集系统概述 .12.2 目前水利现状分析 .23 需求分析 .33.1 需求调研 .33.2 组织结构的分析 .33.3 系统功能特点 .43.4 开发运行环境 .43.5 新数据采集系统设计加防雷特性： .54 系统设计 .54.1 Protel99 简介 .54.1.1 Protel99 的组成 .54.1.2 原理图设计系统 .54.1.3 Protel99 主要特色 .64.1.4 Protel99 主要特性 .64.2 数据采集系统电路原理图 .74.3 原理图工作过程及主要元气件介绍 .84.3.1 MAX813L 芯片 .84.3.2 MC1403 芯片 .94.3.3 HCNR201 芯片 .104.3.4 MAX1659 芯片 .114.3.5 AT89C51 芯片 .124.3.6 AD1705 芯片 .134.4 新特性防雷设计介绍 .154.5 主要元气件封装形式 .174.6 元件布局 .184.7 元件布线 .194.8 生成的 PCB 图 .195 系统测试 .205.1 搭建测试环境 .205.2 得到结果 .20结 论 .20参考文献 .21致 谢 .22声 明 .23第 1 页 共 23 页1 引言水利行业在我国有着悠久的历史，随着国民经济的迅猛发展，水利工程在国民经济中所起的作用越来越大，防汛更是直接影响国民经济发展的一个重要方面。目前，国家提出了建设“数字水利”的目标。全面实施大型水库远程视频实时监控系统建设。防汛抗洪工作逐步从被动抗洪向主动防汛转变。为进一步提高防汛抗洪决策的有效性和可靠性，实施防汛远程视频实时监控系统建设，可及时对可能或正在发生的汛情、险情、灾情进行动态监视，随时了解现场情况，以便采取相应的预防和补救措施确保水库安全运行。对领导决策和减少洪水灾害，缓解城市的防洪压力，保障人民生命财产的安全具有重要作用。信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势。水利信息化是水利现代化的基础和重要标志。在水利现代化建设中，要大力推进水利信息化进程，利用水利信息化推动水利现代化。要充分利用科学技术发展创造的有利条件，坚持用高新技术对水利传统行业进行技术改造，特别要注意采用计算机技术、微电子技术、现代通信技术、遥感技术、地理信息系统(GIS)、全球定位系统及自动化技术等，实现水利信息化。小结:通过以上的背景意义,我们根据当今水利行业的现状,认真分析了我们选题的重要性,所以我们力争开发出一个最好的数据采集系统,让它为水利部门提供最好、最稳定的系统。2 开发概述2.1 数据采集系统数据采集是“数字水利”的重要基础。无论如何理解“数字水利” ，数据采集都是“数字水利”得以实现的基础。水利工作的基础信息以十分复杂的方式分布在流域空间中，目前采集的数据无论在时空分布上，还是在要素类型上，都十分不足。因此，应用和发展以“高新”技术为主体的数据采集技术，是十分重要和必要的。另外，流域内信息种类繁多，必须弄清相互关系，分清采集责任，进行多行业协作。水文信息、工情信息、水环境信息等水利专业数据的采集是“数字水利”的建设内容，而基础地理数据则通过数据交换从测绘部门获得。数据采集系统是一个连续工作的不间断系统，其建设和运行维护费用均很高，但又是不可缺少的重要基础。因此，如何保障这一系统的可持续发展，将影响“数字水利”的成败。过去水利系统也建设过一些当时处于先进水平的信息系统，最终大多没有发挥应有的作用，主要原因是信息的严重不足。近年来，在国家防汛指挥系统规划设计和建设中，均优先考虑了水情等信息采集系统的第 2 页 共 23 页建设，并将极其有限的资金主要投入到水情采集示范区的建设中，说明数据采集的基础地位已经在水利行业得到应有的认识和足够的重视。同样， “数字水利”建设必须将数据采集系统的建设置于优先考虑的基础地位。 2.2 目前水利现状分析水利部委员会提出“数字水利” ， “数字水利”是水利行业发展的战略导向，充分反映了信息时代对水利行业发展的要求，也是水利行业发展现代化的必由之路，从空间方面看， “数字水利” 涉及到水利行业工作的各个方面，从时间角度看， “数字水利”是一个不断发展的历史过程。因此，不能用传统水利工程建设的方法来规划和设计“数字水利” 。鉴于“数字水利”发展的战略性和整体性，必须先行研究制定其发展的总体战略及阶段发展规划，而不是总体建设规划。在“数字水利”发展规划的基础上，再制定专项建设规划，并采用“急用先建，基础先行，应用驱动，逐步发展”的发展策略，把“数字水利”与水利行业信息化有机地结合起来。狭义地说，水利工作的任何方面应用了数字技术，其应用都是“数字水利”的组成部分，如果在水利工作的所有方面或主要方面都广泛而有效地应用了数字技术，则标志着“数字水利”这一历史过程在技术层面的完成。 “数字水利”的发展结果是生产力的发展，必然引发与生产关系的矛盾，因此，协调生产力与生产关系的矛盾必然成为“数字水利”的另一个重要方面，从某种意义上可认为是“数字水利”成败的关键。所以， “数字水利”只能是发展战略，是多方面高度关联的系统工程，而不是单一的工程建设。从信息技术的角度看，应用是不断发展变化的，而数据是相对稳定的，因此，以应用为先导建设的种种信息系统，必须将数据从应用中剥离出来，才能保障系统的可持续发展。所有水利信息系统应用所剥离出来的数据，构成“数字水利”的数据基础，也是“数字水利”存在的基本条件。 如果不站在发展战略和系统工程的高度来理解和建设“数字水利” ，必然将“数字水利”等同于基于目前信息技术的各类水利信息系统建设的组合，难免陷入难以把握、难以推进、难以协调，从而难以持续发展的境地。从技术层面看， “数字水利”所面临的主要问题包括数字化程度不高,导致的信息资源严重不足，非统一规划和建设导致的有限的信息资源却形成了一个个的“信息孤岛” ，各式各样的专业应用带来大量的重复建设，并形成事实上的“资源壁垒” ，从而导致信息资源开发困难，系统整体水平不高。概括起来，主要是资源严重不足、资源共享困难和资源开发利用水平不高。为了解决上述问题，需要尽快从根源做起，抓住规划这一龙头，尽快编制“数字水利”发展规划及“数字水利”建设项目建议书。第 3 页 共 23 页小结：先说明数据采集对当今水利行业的重要性，然后再把数字信息化采集在水利行业的重要性加入进去，最后分析目前我国的水利行业对信息化建设的迫切要求的现状，更体现出有一套完善的水利行业信息化建设特别是信息化数据采集的重要性。3 需求分析3.1 需求调研假设以某某水利部门为例。该水利部门是一个大型的水电站，同时还有很多下属的小水电站，这些水电站承担着这个地区的灾情预报，关系着整个地区广大人民的切身利益，是人民生活中不可缺少的重要组成部分。下面简单地介绍一下该水利部门的现状：（下图是该水利部门的各个组成部门,一些系统未涉及的部门没有包括在内）水利部门（中心站）Internet水电站 1 水电站 2 水电站 N水情 工情 水情 工情 水情 工情图 3-1 水利部门组成略图这个水利部门的工作主要是由各个水电站负责水情、雨量数据信息的采集，随时关注数据信息的更新和当前数据最新数据的分析、处理，做到确保对数据采集、分析、整理、精确度方面更高质量的要求。3.2 组织结构的分析下图是水电站需完成任务组成结构：第 4 页 共 23 页图 3-2 水电站组织图3.3 系统功能特点分为以下几个方面： 采用 485 总线可同时支持两路水位信号（或其他信号）的采集，每路信号可单独控制 可支持雨量信号的采集 采用 124 大屏幕中文液晶显示屏，中文菜单，独特背光设计，直观易读，操着方便 可就地和远程修正/设置水位流量对应关系、起始高程、采数间隔、北京时间等，并可显示包括电池电压在内的上述各种参数 市电(或太阳能)和蓄电池双备份供电功能。低功耗设计，无市电时6V12AH 蓄电池可用 3 个月以上，休眠时工作电流可降至 1mA 以下 对系统的运行故障(如传感器损坏)能自动向中心站和管理人员报警 可存储一年以上的水情或雨量数据。并具有掉电保护功能 具有 1 路报警输出接口 采用 uC/OS-II 操作系统证 采用 64K 的 I2C 存储器，增加了数据的安全性金 大部分元件改用贴片元件，增加了系统的可靠性，降低了生产成本 3.4 开发运行环境开发此系统电脑所需的基本软、硬件环境为： Windows9X、 Windows2000 或 WindowsNT/2003/XP Protel99 Pentium100 及以上档次的 IBM PC 及其兼容机 128M 以上内存水 电 站W 物业公司物业公司水电站 1 数据采集水电站 2 数据采集水电站 3 数据采集水电站 N 数据采集第 5 页 共 23 页 5000M 以上可用硬盘空间 高密软盘驱动器 VGA 显示器此系统在 WindowsXP 操作系统下，以中文版(汉化版) Protel99 为开发工具，进行电子电路设计、原理图设计和 PCB 的生成。3.5 新数据采集系统设计加防雷特性为适应野外环境，特别是雷电产生的大磁场，对于一些元气件容易产生损坏，我们加入了防雷电路（即三级保护电路） 。可以有效防止雷电带来的影响。小结：以一个水利部门为分析对象，确定该部门的组织结构和系统功能特点后，拟确定数据采集系统应该具备的功能，以确定系统的主要模块，也简单介绍了该系统的开发环境和运行条件。4 系统设计4.1 Protel99 简介4.1.1 Protel99 的组成原理图设计系统印刷电路板设计系统信号模拟仿真系统可编程逻辑设计系统 Protel99 内置编辑器4.1.2 原理图设计系统原理图设计系统是用于原理图设计的 Advanced Schematic 系统。这部分包括用于设计原理图的原理图编辑器 Sch 以及用于修改、生成零件的零件库编辑器 SchLib。印刷电路板设计系统：印刷电路板设计系统是用于电路板设计的 Advanced PCB。这部分包括用于设计电路板的电路板编辑器 PCB 以及用于修改、生成零件封装的零件封装编辑器 PCBLib。信号模拟仿真系统：信号模拟仿真系统是用于原理图上进行信号模拟仿真的 SPICE 3f5 系统。可编程逻辑设计系统：可编程逻辑设计系统是基于 CUPL 的集成于原理图设计系统的 PLD 设计系统。Protel99 内置编辑器：第 6 页 共 23 页这部分包括用于显示、编辑文本的文本编辑器 Text 和用于显示、编辑电子表格的电子表格编辑器 Spread。4.1.3 Protel99 主要特色Protel99 是基于 Win95/Win NT/Win98/Win2000 的纯 32 位电路设计制版系统。Protel99 提供了一个集成的设计环境，包括了原理图设计和 PCB 布线工具，集成的设计文档管理，支持通过网络进行工作组协同设计功能。4.1.4 Protel99 主要特性(1) Protel99 系统针对 Windows NT4/9X 作了纯 32 位代码优化，使Protel99 设计系统运行稳定而且高效。(2) SmartTool（智能工具）技术将所有的设计工具集成在单一的设计环境中。(3) SmartDoc（智能文档）技术将所有的设计数据文件储存在单一的设计数据库中，用设计管理器来统一管理。设计数据库以.ddb 为后缀方式，在设计管理器中统一管理。使用设计管理器统一管理的文档是在 Protel99 中新提出来的，以前版本中没有。(4) SmartTeam（智能工作组）技术能让多个设计者通过网络安全地对同一设计进行单独设计，再通过工作组管理功能将各个部分集成到设计管理器中。(5) PCB 自动布线规则条件的复合选项极大的方便了布线规则的设计。(6) 用在线规则检查功能支持集成的规则驱动 PCB 布线。(7) 继承的 PCB 自动布线系统最新的使用了人工智能技术，如人工神经网络、模糊专家系统、模糊理论和模糊神经网络等技术，即使对于很复杂的电路板其布线结果也能达到专家级的水平。(8) 对印刷电路板设计时的自动布局采用两种不同的布局方式，即Cluster Placer（组群式）和基于统计方式（Statistical Placer） 。在以前版本中只提供了基于统计方式的布局。(9) Protel99 新增加了自动布局规则设计功能，Placement 标签页是在Protel99 中新增加的，用来设置自动布局规则。(10) 增强的交互式布局和布线模式，包括“Push-and-shove” （推挤） 。(11) 电路板信号完整性规则设计和检查功能可以检测出潜在的阻抗匹配、信号传播延时和信号过载等问题。Signal Integrity 标签页也是在 Protel99中新增加的，用来进行信号完整性的有关规则设计。(12) 零件封装类生成器的引入改进了零件封装的管理功能。(13) 广泛的集成向导功能引导设计人员完成复杂的工作。(14) 原理图到印刷电路板的更新功能加强了 Sch 和 PCB 之间的联系。第 7 页 共 23 页(15) 完全支持制版输出和电路板数控加工代码文件生成。(16) 可以通过 Protel Library Development Center 升级广泛的器件库。(17) 可以用标准或者用户自定义模板来生成新的原理图文件。(18) 集成的原理图设计系统收集了超过 60000 元器件。(19) 通过完整的 SPICE 3f5 仿真系统可以在原理图中直接进行信号仿真。(20) 可以选择超过 60 中工业标准计算机电路板布线模板或者用户可以自己生成一个电路板模板。(21) Protel99 开放的文档功能使得用户通过 API 调用方式进行三次开发。(22) 集成的（Macro）宏编程功能支持使用 Client Basic 编程语言。4.2 数据采集系统电路原理图图 4-1 电路原理图第 8 页 共 23 页4.3 原理图工作过程及主要元气件介绍水情终端数据采集传感器采集 420mA 信号经过长距离传输后，由于在条件十分恶劣，容易受到外界，特别是雷电和雷电感应的袭击，严重时会经常把传感器和数据采集模块击毁，为了避免这种情况，在 420mA 信号转换成电压后用HCNR201 进行隔离，这样就避免了遭受雷击的厄运。15V 的电压经过 AD7705 模数转换后，由 AT89S51 处理和发送，而发送部分则由 485 总线网络传输。4.3.1 MAX813L 芯片几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致 EEPROM 中的数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器（有些单片机无看门狗定时器）外，还需另外加个看门狗电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。MAXIM 公司推出的 MAX813L 刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法。 图 4-2 MAX813L 芯片结构图MAX813L 有双列直插和贴片两种封装形式，其双列直插如图 4 中的图 1 所示，引脚功能如下：第(1)脚为手动复位输入，低电平有效；第(2)、(3)脚分别为电源和地；第(4)脚为电源故障输入；第(5)脚为电源故障输出；第(6)脚为看门狗输入，第(7)脚为复位输出，第(8)脚为看门狗输出。第 9 页 共 23 页MAX813L 的内部结构框图如图 4 中的图 2 所示，由图可知该芯片具有以下主要性能特点：（1）复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，第(7)脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为 200ms，高电平有效，复位门限的典型值为4.65V。（2）看门狗电路输出。如果在 1.6s 内没有触发该电路（即第(6)脚无脉冲输入） ，则第(8)脚输出一个低电平信号。（3）手动复位输入，低电平有效，即第(1)脚输入一个低电平，则第(7)脚产生复位输出。（4）1.25V 时，第(5)脚输出一个低电平信号。具有 1.25V 门限值检测器，第 4 脚为输入，第 5 脚为输出。MAX813L 的典型应用电路如图 4 中的图 3 所示。图中单片机以 AT89C51 为例，MAX813L 的第(1)脚与第(8)脚相连。第(7)脚接单片机的复位脚（AT89C51的第(9)脚） ；第(6)脚与单片机制 P1.0 相连。在软件设计中，P1.0 不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则 P1.0 无脉冲输出。于是 1.6s后在 MAX813L 的第(8)脚输出低电平，该低电平加到第(1)脚，使 MAX813L 产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于限值 4.65V 时，MAX813L 也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低进单片机产生错误的动作。电源故障输入 PFI 通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当 PFI 低于 1.25V 时，电源故障输出脚第 5 脚 PFO 变低，可引起 AT89C51 中断进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。把分压接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。结束语:MAX813L 是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片；它使用简单、方便。它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。4.3.2 MC1403 芯片MC1403 是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源。MC1403 是低压基准芯片。一般用作 812bit 的 D/A 芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。 输出电压: 2.5 V /- 25 mV 输入电压范围: 4.5 V to 40 V 第 10 页 共 23 页输出电流: 10 mA .Vin. |1.8|.NC.Vout |2.7|.NC.GND. |3.6|.NC.NC. |4.5|.NC图 4-3 MC1403 芯片引脚图因为输出是固定的，所以电路很简单。就是 Vin 接电源输入，GND 接底，Vout 加一个 0.1uf1uf 的电容就可以了。Vout 一般用作 812bit 的 D/A 芯片的基准电压。4.3.3 HCNR201 芯片图 4-4 HCNR201 芯片结构图其中 1、2 引作为隔离信号的输入，3、4 引脚用于反馈，5、6 引脚用于输出。1、2 引脚之间的电流记作 IF，3、4 引脚之间和 5、6 引脚之间的电流分别记作 IPD1 和 IPD2。输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流 IF上，IPD1 和 IPD2 基本与 IF 成线性关系，线性系数分别记为 K1 和 K2,即图 4-5 线形系数计算公式K1 与 K2 一般很小（HCNR200 是 0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在 0.25%到 0.75%之间），但芯片的设计使得 K1 和 K2 相等。在后面可以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。采用 HCNR201 进行隔离的一些指标如下所示：* 线性度：HCNR201：0.05%；第 11 页 共 23 页* 线性系数 K3：HCNR201：5%；* 温度系数： -65ppm/oC；* 隔离电压：1414V；* 信号带宽：直流到大于 1MHz。4.3.4 MAX1659 芯片MAX1659：低压差线形稳压器（low-dropout linear regulators）Low-dropout：指稳压器输入端和输出端之间的电压差图 4-6 MAX1659 芯片内部原理图双模式工作：1、稳压器：输出3.3V（1658） ；5V（1659）2、调压器：输出1.2V16V输入电压范围：2.7V16.5V（Wide Input Voltage Range: 2.7V to 16.5V）Low, 490mV Dropout at 350mA Output Current(MAX1659)30A Supply Current1A Max Shutdown Current High-Power(1.2W) 8-Pin SO Package热过载保护（Thermal Overload Protection）限流保护（Current-Limit Protection）第 12 页 共 23 页反向电压保护（Reverse Battery Protection）引脚：图 4-7 MAX1659 引脚图1，SET：外电压输入。SET 接地选择出厂预先设置的 5V 输出电压；调压时SET 连接到一个阻抗式电压分配器 OUT 到 GND。2，SHDN：关闭输入。低电平时，装置关闭并且供应 0.1 微安的典型电流。3，6，7，IN：输入无规定的电压。2.7V 到 16.5V 输入范围。可做散热（heatsinks） 。4，5，OUT：稳压输出。输出固定 3.3V（1658） 、5V（1659） ，或调压从1.25V 到 16V。源电流达 350 微安。为稳定工作，在 OUT 和 GND 之间加旁路用一个 10 微法，低阻（0.2 欧姆）电容。为了改良的负荷-瞬时响应，用大的低阻电容。8，GND：接地。典型应用（稳压、调压）：图 4-8 MAX1659 应用结构图解4.3.5 AT89C51 芯片AT89C51 是一款 8 位单片机，他完全兼容传统的 8051，8031 的指令系统，第 13 页 共 23 页也就是说程序可以直接移植过去而不用做任何修改，但是他的运行速度要比8051 快，最高支持达 33MHz 的晶体震荡器，比 8051 多一个定时器，而且价格便宜。简介：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，两个 16 位定时/计数器,一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时,S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。图 4-9 AT89C51 芯片引脚图4.3.6 AD7705 芯片AD7705 是 AD 公司新推出的 16 位 -A/D 转换器。器件包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路，- 调制器，可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行 A/D 转换。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点，非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。它采用三线串行接口,有两个全差分输入通道,能达到 0.003%非线性的 16 位无误码数据输出，其增益和数据输出更新率均可编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。工作电压 3V 或 5V。3V 电压时，最大功耗为 1 mW，等待模式下电源电流仅为 8A。 AD7705 是完整的 16 位 A/D 转换器。内部结构如图 1。若外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容，即可连续进行 A/D 转换。它采用了成本较低但能获得极高分辨率的 - 转换技术，可以获得 16 位无误码数据输出。这一点非第 14 页 共 23 页常符合对分辨率要求较高但对转换数字要求不高的应用，例如数字音频产品和智能仪器仪表产品等。下面对该器件几个重要部分和特性作简要说明。增益可编程放大器 AD7705 包括两个全差分模拟输入通道。片内的增益可编程放大器 PGA 可选择 1、2、4、8、16、32、64、128 八种增益之一，能将不同摆幅范围的各类输入信号放大到接近 A/D 转换器的满标度电压再进行 A/D 转换，这样有利于提高转换质量。当电源电压为 5 V，基准电压为 2.5 V 时，器件可直接接受从 020 mV 至 02.5 V 摆幅范围的单极性信号和从 020 mV 至02.5 V 范围的双极性信号。必须指出：这里的负极性电压是相对 AIN()引脚而言的，这两个引脚应偏置到恰当的正电位上。在器件的任何引脚施加相对于 GND 为负电压的信号是不允许的。输入的模拟信号被 A/D 转换器连续采样，采样频率 fS 由主时钟频率 fCLK 和选定的增益决定。增益（16128）是通过多重采样并利用基准电容与输入电容的比值共同得到的。图 4-10 AD7705 内部结构图数字滤波和输出更新速率模拟信号由 - 调制器变换为占空比被模拟电压调制(调宽)的数字脉冲串，然后在片内使用低通数字滤波器将其解释成 16 位二进制数码并滤去噪声，以完成 A/D 转换。采用一个(sinNx/sinx)3 函数低通数字滤波器，其振幅频率特性如下：图 411 AD7705 芯片频率计算公式式中：N 为调制速率与输出更新速率之比。第 15 页 共 23 页需要指出器件产生的噪声源主要来自半导体噪声和量化噪声，PGA 放大量和滤波器第一凹口频率越低，则输出的半导体噪声和量化噪声越小，A/D 转换器的实际分辨率越高。 校准和自校准为提高 A/D 转换质量，AD7705 提供自校准和系统校准两种功能选择。每当环境温度和工作电压发生变化，或者器件的工作状态改变如输入通道切换、增益或数字滤波器第一凹口频率变动、信号输入范围变化等任一项发生时，必须进行一次校准。对于自校准方式，校准过程在器件内部一次完成。AD7705 内部设置 AIN(+)端和 AIN()端为相同的偏置电压，以校准零标度；满标度校准是在一内部产生的 VREF 电压和选定的增益条件下进行的。系统校准则是对整个系统增益误差和偏移误差，包括器件内部误差进行校准。在选定的增益下，先后在外部给 AIN(+)端施加零标度电压和满标度电压，先校准零标度点，然后校准满标度点。根据零标度和满标度的校准数据，片内的微控制器计算出转换器的输入输出转换函数的偏移和增益斜率，对误差进行补偿。数字接口 AD7705 的串行数据接口包括 5 个接口，其中片选输入 CS、串行时钟输入 SCLK、数据输入 DIN、转换数据输出口 DOUT 用于传输数据，状态信号输出口用于指示什么时候输出数据寄存器的数据准备就绪。当为低电平时，转换数据可用；当为高电平时，输出寄存器正在更新数据，不能读取数据。器件的 A/D 转换过程是按设定的数据输出更新速率连续进行的。任何操作都需要对相应片内寄存器送入新的编程指令。片内寄存器 AD7705 包括 8 个寄存器，均通过器件串行口访问。第一个是通信寄存器，它的内容决定下一次操作是对哪一个寄存器进行读操作还是写操作，并控制对哪一个输入通道进行采样。所有与器件的通信都必须先写通信寄存器。上电或复位后，器件默认状态为等待指令数据写入通信寄存器。它的寄存器选择位 RS2RS0 确定下次操作访问哪一个寄存器，而输入通道选择位 CH1，CH0则决定对哪一个输入通道进行 A/D 转换或访问校准数据。第 2 个是设置寄存器，它是一个可读/写 8 位寄存器，用于设置工作模式、校准方式、增益等等。第 3个是时钟寄存器，它也是一个可读/写的 8 位寄存器，用于设置有关 AD7705 运行频率参数和 A/D 转换输出更新速率。第 4 个是数据寄存器，它是一个 16 位只读寄存器，它存放 AD7705 最新的转换结果。值得注意的是，数据手册上虽然说明它是一个 16 位的寄存器，但实际上它是由两个 8 位的存贮单元组成的，输出时 MSB 在前，如果接收微控制器需要 LSB 在前，例如 8051 系列，读取的时候应该分两次读，每次读出 8 位分别倒序，而不是整个 16 位倒序。其他的寄存器分别是测试寄存器、零标度校准寄存器、满标度校准寄存器等，用于测试和存放校准数据，可用来分析噪声和转换误差。第 16 页 共 23 页4.4 新特性防雷设计介绍工作原理：水压传感器把采集的模拟信号通过 AD 转换后，经过 C51 芯片处理后，把数据存贮起来，当计算机需要数据时，发出指令，得到所需的信号。图 412 系统工作流程图我们工作的外部环境比较复杂，可能会受到雷电，电磁干扰，和其它的物理的或化学方面的破坏和侵蚀。而自身工作电路状态不稳定，比如说电压波动等，都可能造成通信的失败，轻者会使采集的数据不准确，重者可能造成电路器件的损坏，或者失火事件的发生，这给设计工作和维护造成很大不便，所以对电路进行优化，是我们必须解决的问题。对于雷击，雷电感应，或者电压波动产生的瞬间高压，会对器件和信号产生损坏，所以要对电路进行保护。我们所做的对硬件保护，主要包括：设计一个三级保护电路，让瞬间高压被限制在允许的范围内；在传感器回路线上接一个继电器，在不工作的时候可将电路断开，大大减少了雷电感应对电路器件损坏的机率；在传感器回路加一个线性光耦器件，这样避免感应，电热等对下一级电路的影响。下面对以下电路进行详细说明(一)继电器继电器是一种自动和远程距离操纵用的电器，广泛地应用于自动控制系统，遥控，遥测系统，电力保护系统以及通信系统中，起着控制，检测，保护和调节的作用，是现代电气装置中最基本的器件之一。功能：继电器是当输入激励量达到规定要求，在电气输出电路中，被控参量发生预定的阶跃变化的一种自动电器。我们要用在传感器回路中，对 AD 及后面的电路进行保护，可由 PC 操纵控制，当不需要采集信号时，可以让 C51 芯片产生一个信号，使继电器与后面的电路断开，这样不仅节省功耗，更重要的是，如果产生雷击或感应时，继电路后面的电路可以受到保护。当我们需要数据时，让 C51 芯片产生一个信号，可第 17 页 共 23 页让继电器把电路连接，这样就可以收集数据了。这时虽然理论上电路损坏的机率还存在，但机率已经大大降低。选用的继电器可以是小型直流继电器也可以是一种小型号的脉冲继电器，额定电压值在 5V 左右，吸收电压在 4.5v 左右，释放电压在 0.5V 左右，这样即能满足电路要求也可以最大限度的降低功耗。还有一种可编程的继电器，通过软件编程烤入器件对电路进行控制，可以不用 C51 芯片，但增加了电路复杂度，和软件编程。对简单的电路来说有杀鸡用牛刀的意味。(三)光电耦合隔离对于外部工作电路，难免要受到电气，磁，热等的一系列干扰，如何降低干扰，使电路处于一种稳定的工作状态， 必须采取一定的隔离措施。光耦器件，是当前较为流行的一种器件，它较之电磁等其它的隔离器件有着抗扰性强，不易受外界影响等优点，所以它有一种替代其它同类产品成为主流的趋势。我们要用的光耦如图所示：图 413 光藕隔离电路图4.5 主要元气件封装形式表 41 主要元器件封装表元气件 个数 封装内型第 18 页 共 23 页电容 C 12 RAD0.1电容 CE 11 RB.2/.4电阻 R 16 AXIAL0.4电阻 R7、R8 2 10K电阻 R4、R5 2 20K电阻 R3 1 100MAX813L 1 DIP8二极管 7 RB.1/.2J1 1 CH2.54-4PAD7705BN 1 DIP1689C51 1 DIP40SN75LBC184 1 DIP8L7805C 1 TO-220AMAX1659 2 SO8HE77KM24 1 HE77KM12 HEADER 1 SIP12SN74ALS573CDW (20) 1 S02OWSW-DIP8 1 DIP16MC1403 1 DIP8HCNR201 1 DIP84.6 元件布局通过了前期大量的准备工作，现在我们终于可以开始进行 PCB 的相关工作了，首先我们进入 Protel99 的 PCB 版面，我们首先应该确定我们制作的板子的物理大小，知道了物理大小后，我们可以在 Mechanical 层先固定板子实际大小，然后我们在固定电气层大小，电气层大小，就是我们把所有元气件放在规定的大小内。现在我们就可以把元气件添加进来了，Protel99 有元件自动布局功能，但是自动布局的效果不是很好，所以我们最好还是手动布局。手动布局我们应该注意以下问题：1、元气件的顺序应该尽量按照流程图，按流程来排版；2、元气件之间的距离，应尽量分布均匀；3、不要把散热大的元气件放在一起；4、上下、左右之间的距离应该适中；5、把连线较多，距离短的元气件放在一起；6、双面板应尽量把元气件放在一面上；第 19 页 共 23 页以上布局注意事项综合考虑，是一个很难解决好的问题，要布局很好的效果图来，是非常不容易的，但是只要我们肯花精力、时间、慢慢的、不焦不躁的认真去完成，相信我们必定会画出一个比较满意的布局出来。4.7 元件布线当我们把所有的元气件布局布好以后，我们就可以开始我们的布线工作了，如果你想你制作的 PCB 板子能够最稳定、最快速、最好的服务，那么你的布线工作就尤其重要了。当然我们可以利用 Protel99 的自动布线功能，但是自动布线的结果差强人意。所以，我们只能手动布线，以求达到最好的效果。手动布线我们可以先布电源线，因为电源是我们整个 PCB 板子工作的核心，所以我们可以从电源先布线，为了达到好的效果，电源线和地线都应该比其他元气件的线更粗，各元气件之间布线的距离尽可能的大，这要看我们板子的大小和元气件的多少，总之要尽可能的大，且布线均匀，还有就是布线我们不应该用九十度的折线，我们要用四十五度的折线，避免噪音。所有元气件布线工作完成后，我们可以进行规则检查，看看是不是所有元气件各个引脚都已连上，根据需要我们可以对板子覆铜，覆铜的大小，应该根据需要而定，不是一味的、凭想象的，电源发热量大的地方可以不覆。到这里，我们的整个工作就基本上完成了，下面应该对板子的功能、性能、稳定性进行测试了。4.8 生成的 PCB 图第 20 页 共 23 页图 414 生成的 PCB 图通过以上步骤，我们最终看到了一个成品。5 系统测试5.1 搭建测试环境有了 PCB 图，我们就可以把板子制作出来了，制作好了以后，我们就开始对板子进行测试。我们现在实验室测试，如果在实验室测试功能良好，那么我们再到自然环境中去测试。实验室里，我们通过模拟软件对其进行测试，发现能很好地进行数据采集，同时我们通过瞬间变压，如果从数据采集板子变压，我们的三级保护电路能够非常迅速的降压，可以很好地保护我们电路板一些重要的元器件。同时，我们又模拟了一个真实的环境，我们需要一个大水缸，一个漏斗，一台微机（装有我们所需软件和良好的硬件环境） ，一个符合要求的变压器，我们通过漏斗改变水位数据变化，经过传感器采集数据，通过 485 总线输出，通过我们的软件自动进行数据筛选比较，根据自动计算得出数据，得出了准确的数据。说明我们的系统能正常的工作且能准确地完成功能，然后我们再对其进行性能测试，通过产生几万伏的高压且瞬间变化，我们的三级保护电路起到了很好的变压作用。在实验室，我们的系统是成功的。所有好的设计产品都会投入市场，自然环境下才能最终考验出我们的性能。我们找了一个自然环境比较恶劣的水电站，采用我们设计的产品，对其进行数据采集，而且我们也在雷雨多的季节下，通过三个月的实践考验，我们的系统不仅能准确的采集数据，还能在自然环境这么恶劣的条件下，长时间、正常的工作，说明我么的系统是成功的。5.2 得到结果通过我们的测试，得出结果，此板子满足了我们所有的需求分析，达到了预期的效果，在反复测量中，性能稳定，可以应用推广。小结：到此我们所研究的课题全部结束，在对整个系统的研究、设计中，从最开始的分析设计,从电子电路的设计,电子元气件的选择,原理图的绘制,封装形式的整理,元件布局,到最后的元件布线,最后完成了 PCB 的制作。结 论在系统设计过程中，我们深刻感觉到前期工作的重要性。现在所有的设计人员都十分重视自己前期设计工作的素养，把整个前期设计开发都纳入严格的管理之中。设计工作的一个重要方面就是使用新技术，应用更佳的解决反方案。第 21 页 共 23 页在整个开发中我们感觉到如果能够对设计过程的质量加以控制，则可以大幅度的提高系统质量。只有在开发工程中严格贯彻质量管理，设计的产品的质量才有保证。否则开发工作一旦进行到后期，无论怎样通过测试和补漏洞，都会无济于事。在作毕业设计过程中，我深切体会到应用最佳元气件的必要性和重要性每一个元气件都在系统中起着举足轻重的作用，不容忽视。系统设计中所有细小的问题我们都应该认真对待，并加以解决，这样我们才能保证整个设计系统的稳定性，养成开发工作者良好的习惯。参考文献1 李飞编. 单片机原理及系统设计.成都:四川大学出版社,2004。2 孙育才编MCS51 系列单片微型计算机及其应用南京：东南大学出版社,1998。3 王秀珍编微型计算机 AD、DA 转换接口技术及数据采集系统北京：清华大学出版社,1984。 4 陆坤.奚大顺等电子设计技术.电子科技大学出版社,1997.5。5 刘守义编. 单片机应用技术.西安电子科技大学出版社,2004。6 曾峰等编著. PowerPCB 高速电子电路设计与应用.电子工业出版社,2004。7 曾峰等编著. 印刷电
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