微机数据采集卡

摘 要

数据采集技术是信息科学的重要分支，结合了传感器、信号获取、存储与处理等信息技术。数据采集系统是模拟领域与数字领域之间必不可少的纽带，在自动控制、电气测量、航空航天等工程实际中有着极为广泛的应用。

本文主要完成了数据采集系统的硬件电路和软件程序设计。硬件部分是以单片机为AT89C52核心，A/D模数转换模块采用AD7862，显示模块采用LCD液晶显示，串口通信采用USB实现上位机与下位机的通信。被测信号通过模数转换器进行模数转换，并将转换后的数据通过串行口USB传输到上位机，由上位机负责数据的接收、处理和显示。软件部分包括下位机程序设计与上位机程序设计，上位机应用VB6.0编写控制软件，下位机采用C语言对数据采集、模数转换、数据显示、数据通信等进行编译。

本系统人机界面友好，结构简单、稳定性高、使用方便、价格低，可实时的显示、存储和处理采样数据。是进行多路数据采集、处理与传输的理想解决方案，具有很高的应用价值和现实意义。

Data mining technology is an important branch of information science, is a combination of sensors, signal acquisition, storage, and handling information technology, etc. Data acquisition system is to simulate field with indispensable link between digital domain, in automatic control, electrical measurement, aerospace and other engineering practice has the extremely widespread application.

The hardware and software design data acquisition system are mainly completed in this paper. AT89C52 micro controller is the core in the hardware , A / D analog-digital conversion module AD7862, the display module LCD display, USB serial communication applies the host computer to communicate with the next crew. The signal is measured through the ADC analog to digital conversion, and the converted data USB serial port transmitted to the host computer, is received by the host computer is responsible for data processing and display. Software includes lower computer programming and PC programming, PC application written in VB6.0 control software, the next bit machine using C language for data acquisition, analog to digital conversion, data display, data communication to be compiled.

The system has many advantages, friendly interface, simple structure, high stability, ease to use, low price, real-time display, storage and processing of sampling data are included. It is a multi-channel data acquisition, processing and transmission of the ideal solution, they have high value and practical significance.

目 录

摘要        I

Abstract        II

第1章 绪 论        1

1.1 课题研究的背景及意义        1

1.2 国内外发展的现状        2

1.3 本文的主要工作        4

第2章 整体方案设计        5

2.1 系统设计内容和功能        5

2.2 系统总体方案的设计        5

2.3 小结        6

第3章 单元电路设计        7

3.1 单片机最小系统电路        7

3.1.1 单片机功能介绍        7

3.1.2 最小系统电路设计        9

3.2 电源电路设计        10

3.3 信号采集电路设计        11

3.3.1 AD7862芯片介绍        11

3.3.2 数据采集电路设计        12

3.4 数码显示电路设计        14

3.4.1 显示驱动芯片介绍        14

3.4.2 显示电路设计        15

3.5 串口通信电路设计        15

3.5.1 PL2303接口转换器芯片介绍        15

3.5.2 串口通信电路设计        17

3.6 小结        18

第4章 系统软件设计        19

4.1 下位机软件程序的设计        19

4.1.1 系统主程序流程图        19

4.1.2 信号采集部分程序设计        20

4.1.3 数据传输程序设计        21

4.2 上位机软件程序设计        22

4.2.1 系统进入界面设计        22

4.2.2 密码修改界面设计        23

4.2.3 系统主界面设计        24

4.3 小结        27

第5章 系统调试        28

5.1 硬件调试        28

5.2 软件调试        28

5.3 实物图        29

第6章 结论        31

参考文献        32

致 谢        33

附 录I        34

附 录II        43

附 录III        44

附 录Ⅳ        46

数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。

20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。

20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。

20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。

国外数据采集技术较上世纪有了很大的发展，从最近国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展方向可以概括为使用方便、功能多样和体积减小三个方面。国内数据采集技术起步比较晚，国内的数据采集系统与国外数据采集系统相比，在技术上仍然存在一定的差距，主要表现在：

(1) 由于整个国内的微电子技术还与世界水平有一定差距，模数转换芯片的速度还不能达到世界先进水平，同时高速PCB设计方面的人才比较稀少，所以国内较少研制出速度非常高同时性能又非常好的数据采集系统。

(2) 数据采集系统的内存不大，数据采集系统本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单的数据分析，大多数的处理要离线到计算机上去做。

(3) 系统的软件水平以及人机界面方面的水平还不是很高，设备操作起来有很多不人性化的地方。

虽然国内与国外在数据采集技术上存在差距，但是总体来看这个差距在不断缩小，在不久的将来中国的数据采集系统肯定会晋升国际一流的水准。随着数字化步伐的不断加深，数据采集技术作为走进数字世界的一把钥匙，必须要紧跟数字化的脚步，只有掌握了尖端的数据采集技术才能在这个飞速变化的世界具有竞争力。

数据采集系统常见的结构有三种：多通道分时复用数据采集系统、多通道同步数据采集系统和分布式数据采集系统，其中多通道同步数据采集系统是目前数据采集系统的主流设计结构。在现代信号处理系统中，多通道同步数据采集系统广泛应用于各种军用、商用和工业领域中，如雷达系统、弹上设备及通信系统等。为了更快速更全面地分析系统，在采集系统主要信号时，往往需要对一些相关信号进行测量。早先的多通道分时复用数据采集系统只能实现循环采集多路信号，不能得到多个通道同一时刻的采样点，并且数据采集的速率也不是很高，而多通道同步数据采集系统恰恰弥补了分时复用数据采集系统的不足。

目前针对多通道数据采集体统的研究主要集中在数据传输的同步性、系统容量及低能耗等特点。有些研究虽然在同步性上有所突破，但在系统容量或者能耗方面仍需改进，或者在能耗方面取得一定的成就，但系统的精度或分辨率等均达不到要求。可见本课题在一定的程度上还是有很大发展空间的。

下面针对几种常见的数据采集系统的优缺点进行简单介绍：

1、多类型多通道的数据采集系统设计

以基于PXI总线的虚拟仪器为平台所构建的信号采集系统，具有开发周期短，体积小，配置灵活的优势，可方便在现场完成最高采样率为3MS/s、采样通道最多为64路的模拟量信号，以及采样通道32路的数字信号采样工作。系统设计中采用了DMA，高速磁盘流，同步触发，多线程等技术，较好的解决了信号采集时间长，存储容量大，时间精度要求高的问题。

2、高速大容量多通道数据采集系统设计

上述数据采集系统在设计方面充分利用 PIC单片机自身的软硬件资源， 大大降低了软硬件设计的复杂度和整个系统开发、维护的成本，提高了系统的可靠性。相比其它实现方案，具有使用器件少、节约成本、调试方便等特点，很好地满足了数据采集系统对实时性、同步性、高速性的要求。此系统在应用时配上不同的传感器及相应的处理电路，稍加改动，便可在许多领域得到广泛应用，因而具有较高的实用性和开发价值。

3、基于CPLD和USB的高速数据采集系统的设计

本虚拟仪器数据采集系统可以完成多路双极性输人模拟量的采集， 输出多种信号波形，实现以CPLD为核心，USB为接口的高速多通道数据采集系统，可适合于高速、实时性信号的数据采集和处理。由于具备计算机的强大资源，虚拟仪器有利于产品的开发和研制。文中介绍的数据采集系统，只需配置测量所需的传感器，设计相应的信号调理电路，就可以对各种模拟量进行采集。所采集到的数据可以在计算机上实现存储，计算，控制，从而具有广泛的使用价值。并且所采用的USB接口符合微机接口高速、串行的发展方向。

数据采集系统的发展主要体现在以下几个趋势：

首先，在专业测控方面基于PC计算机的数据采集系统越来越成熟和智能化。在过去的二十年中，开放式架构PC机的处理能力平均每十八个月就增强一倍。为了充分利用处理器速度的发展，现代开放式测量平台结合了高速总线接口。如PCI和PXI/CompactPCI 以便获得性能的进一步提升。计算机的性能提升和由此引起的基于计算机的测量技术的创新，正在持续不断地模糊着传统仪器和基于计算机的测量仪器之间的界线。其次，在通用测控方面，采用嵌入式微处理器的方案也由早期的采用A/D器件和4标准单片机组成应用系统发展到在单芯片上实现完整的数据采集与分析，即目前极为热门的SOC（System On Chip），通常在一块芯片上会集成一个可以采样多路模拟信号的A/D转换子系统和一个硬CPU核，比如增强型8052内核，而且其CPU的运算处理速度和性能也较早期的标准CPU内核提高了数倍，而且有着极低的功耗。这种单芯片解决方案降低了系统的成本和设计的复杂性。

此外，为了解决SOC方案中数据处理性能的不足，采用DSP作为数据采集系统的CPU的研究与应用目前也逐渐引起业内重视，如TI近年设计的TMS320C240x系列芯片就是一款较为完整的数据采集与控制单片系统 但是这类产品目前仅仅处于发展的初级阶段 在精度、速度或其它性能指标上并不能很好的满足要求。因此，国内外以DSP作为数据采集系统的采样控制和分析运算的研究与应用正在展开。

详细分析课题任务，对微机数据采集卡的发展现状进行分析，并对A/D转换器技术、串口通信技术和单片机控制原理进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件结构及其原理图和相关软件程序。下面对本设计的主要研究工作做个简述。

(1) 根据设计要求，提出几种方案，对它们进行了全面的论证；

(2) 根据系统需要，合理选择A/D转换器，并且详细地阐述了它的基本功能特性；

(3) 介绍了相关现代传感技术，选择出信号采集的最佳方案；

(4) 详细分析了AT89C52的工作原理，并对其软件的读写原理进行了详细的讨论；

(5) 应用LCD显示技术，可实时读取电压、电流信号的具体数值；

(6) 改进了普遍应用电源方案；

(7) 对整个系统的软、硬件进行了深入的分析，并且绘制了相关硬件电路图、软件流程图，还编写了相关软件程序。

数据采集系统采用高速模数转换器作为数据采集单元和AT89C52单片机来对其进行控制,采集到的电压、电流将模拟转换成数字量实时的送到单片机里处理，进而在LCD显示屏上显示出采集电压、电流具体数值，还可以通过USB串口实现单片机与PC机的通信，在上位机上通过VB编写的可视化程序界面看到波形的还原及显示，完成电压、电流数据采集、传输和控制。

（1）可采集周期或非周期的交、直流电压信号及电流信号。

（2）采集卡测量信号频率范围为0-1MHZ。

（3）输入信号范围：电压有效值0-20V，电流有效值：0-500mA。

（4）测量精度0.2%。

（5）上位机管理程序具有波形还原显示及频谱分析功能。

本系统分为五大部分：传输信号部分、模数转换电路部分、单片机最小系统部分、串口通信电路部分和显示电路部分。

传输信号部分：包括数据采集、信号调理电路。其中数据采集由Header 2两脚插针完成，电压采集的信号调理电路采用4个电阻完成电压衰减，以便实现AD数据转换。电流采集的信号调理电路主要由运算放大电路和电压跟随器组成。核心运算放大器为LM358。

模数转换电路部分：由于数据采集系统的精度和实时性对于与整个控制系统的性能至关重要，所以必须合理设计使其能提供预期的采样速度、达到一定的转换精度，并能做到电路简单、抗干扰性能强。为了和本设计的指标一致，本采集系统采用ADI公司生产的12位模数转换器AD7862，它是一款高速、低功耗、双核12位模数转换器（ADC），采用+5 V单电源供电。AD7862内置两个4 微秒逐次逼近型ADC、两个采样保持放大器、一个+2.5 V内部基准电压源和一个高速并行接口。4个模拟输入组成两个通道（A和B），通过A0输入选择通道。模拟输入均具有过压保护，采样的电压范围、精度及速度满足本设计的要求，芯片可应用于光电传感器、电机电流／电压传感器、医疗检测仪器、高速数据采集系统等。

单片机最小系统：单片机最小系统包括AT89C52单片机、晶振电路、复位电路。单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。此系统是由CPU、随即存取数据存储器，还包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机任务。而本设计选用的是AT89C52。晶振的作用是选频，要求运算速度快的电路选用谐振频率高的晶振，要求省电的电路则选用谐振频率低的晶振。复位电路使单片机初始化操作，作用是使CPU和系统中其它部件在通电的瞬间都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

串口通信电路：该串行口我选用了标准USB接口，它是电平与TTL电平转换驱动电路。USB在速度上远比并行端口与串行接口等传统电脑用标准总线快上许多。USB 2.0的最大传输带宽为12Mbps，USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。

显示电路部分：液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本文选用的是LCD1602液晶显示块，用户可以从显示器上观察电压、电流数值和相关设备工作状态。

整体框图如图 2.1所示。

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图2.1 微机数据采集系统方案结构

本章首先介绍了微机数据采集卡的组成，各部分功能做了简要介绍，对系统主要技术指标及各部分组成芯片作了简要介绍。系统设计方案主要侧重于系统简洁方便，性能可靠稳定等特点。

本次设计的微机数据采集卡具有实时采集并显示电压、电流信号的功能，系统总体电路主要由最小系统电路、电源电路、信号采集电路、A/D转换电路、数码显示电路与上位机通信电路等组成。

单片机是本系统的核心部件，一方面它要接收来自AD转换器的数字信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。AT89C52引脚图如图3.1所示。

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AT89C52 是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程。AT89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位可编程I/O口，1个看门狗定时器，1个数据指针，3个16位定时器/计数器，具有8个中断源，6个中断向量，2个中断优先级，1个全双工串行口。另外，AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89C52的电源工作电压4.0～5.5V。

二、引脚功能：

P1口（1脚～8脚）：P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS-52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。

P3口（10脚～17脚）：P3.0～P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能如表3.1所示。

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XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。

XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

VSS（20脚）：接地。

P2口（21脚～28脚）：P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。

ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低8位地址和数据。

EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS-52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。

P0口（39脚～32脚）：P0.0～P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。

VCC（40脚）：接+5V电源正端。

综上所述，MCS-51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：

1).单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；

2).单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。

时钟电路的设计：单片机内部有一个高增益、反相放大器。内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHz～12MHz之间，本设计选用12MHz，通过XTAL这两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容（电容一般取30pF）。这样就构成一个稳定的自激振荡器。

复位电路的设计：复位是单片机的硬件初始化操作。经复位操作后，单片机系统才能开始正常工作。AT89C52复位信号引脚RESET，用于从外界引入复位信号。本系统采用手动复位，通过专用的复位电路实现。在单片机系统中，若遇到死机、死循环或程序跑飞等情况，手动复位是摆脱这种尴尬局面的最常用的方法。        单片机最小系统如图3.2所示。

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图3.2 单片机最小系统电路

直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变成为直流电；经过滤波后，稳压器在把不稳定的直流电压变为稳定的直流电流输出。本设计主要采用单路输出直流稳压，构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电变为稳定的直流电，并实现固定输出电压5V。集成稳压电源具有可靠性高、稳压精度高、体积小、重量轻等优点。

本文设计了一种简单实用的直流稳压电源。本设计用以三端固定式集成稳压器LM7805为核心构成的直流稳压电源，这类稳压器有输入，输出和公共端3个端子。输出电压固定不变,本设计就是应用上述原理实现了直流稳压电源的设计。用LM78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7805表示输出电压为正5V，LM7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器(当然小功率的条件下不用)。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意:并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。电源电路如图3.3所示。

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图3.3 电源电路

AD7862是美国ADI公司出品的12位高速、低功耗转换器，单电源5伏供电。它包含两个4us的延时的ADC,两个锁存器，一个内部的+2.5V参考电压和一个高速并行输出端口。有四个模拟输入通道，分为两组，由A0选择。每一组通道有两个输入(VA1 & VA2 or VB1 & VB2)，它们能同时的被采样和转化，保存相关的信号信息，对高噪声环境中的输入噪声抑制起到非常重要的作用。

AD7862的数据转换读取过程：AD7862通过多路选择控制信号A0来对输入模拟通道进行选择。当A0=0时,AD7862将对A组两路信号VA1、VA2同时进行模数转换;当A0=1时,AD7862将对B组两路信号VB1、VB2同时进行模数转换。器件在CONVST信号的脉冲下降沿作用下跟踪/保持两路输入信号,并开始对2路信号同时进行转换。在经历4us以后,转换完成,BUSY脚电平变低,数据存放到输出锁存器中。

AD7862包含一个芯片内部的+2.5v的参考电压。当用这个作为参考源时，简单地连接一个0.1uf的陶瓷电容在VREF和AGND管脚当中就可以了。这时应用在AD7862的参考电压是内部缓冲区的电压。如果AD7862需要用外部的参考电压，这部分有一系列的FET开关在缓冲区，从而切换成外部的参考源输出，这样的话它将带来3k的输出电阻。在25度时内部参考的波动范围是+10mv，典型的温度系数是25ppm/度和由温度导轮大最大的波动电压是+25v。  

如果应用需要很小的波动的参考源或AD7862需要被用在系统的参考时，用户这时可以连接一个外部的参考到VREF管脚上即可。外部的参考将有效而内部的参考没有效，它提供AD的参考源。参考输入在被应用到AD之前被放到缓冲区去，允许的最大的输入电流为+100uA。

AD7862 特性:

（1）2个快速12位ADC；

（2）4个输入通道；

（3）同时采样和转换；

（4）吞吐时间：4 μs；

（5）单电源供电；

（6）高速并行接口；

（7）低功耗：60 mW（典型值）；

（8）输入范围选择：±10 V （AD7862-10）、±2.5 V （AD7862-3）、0 V至2.5 V （AD7862-2）；

（9）省电模式：50 μW（典型值）；

（10）模拟输入过压保护；

（11）14位引脚兼容升级版（AD7863）。

AD7862芯片如图3.4所示。

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图3.4  AD7862电路图

本设计使用的是LM358运算放大器。LM358是双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的主要特性：

（1） 内部频率补偿：直流电压增益高(约100dB)、单位增益频带宽(约1MHz)；

（2）电源电压范围宽：单电源(3—30V)、双电源(±1.5 一±15V)；

（3）低功耗电流，适合于电池供电· 低输入偏流；

（4）低输入失调电压和失调电流；

（5）共模输入电压范围宽，包括接地；

（6）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；

（7）输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。

外部数据由P4插针进行采集，通过功率电阻产生压降，电压信号经过LM358运算放大器放大电压，其中电压跟随器在本电路中起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。经过整流的数据信号通过P11端口进入AD7862模数转换器进行AD转换。电流信号采集电路如图 3.5所示。

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图3.5 电流信号采集电路

外部数据由P3插针进行采集，通过多级电阻进行电压衰减以便于AD7862模数转换器进行A/D模数转换，因为采集的电压范围为0~20V，所以衰减为1/4。经过整流的数据信号通过P10端口进入AD7862模数转换器进行AD转换。电压信号采集电路如图3.6所示。

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图3.6 电压信号采集电路

数码显示是很多智能仪器的必备部分，传统的数码显示驱动方式是经过微处理器的串口送出显示数据至数码显示驱动电路，这种显示方式虽然显示成本相对较低，但是要占用微处理器的串口，而在很多智能仪器中，具有串行通信方式是设备的一个重要功能，因此就造成显示部分和通信部分的冲突。而LCD1602可以像微处理器的其它并行接口一样直接挂接在系统的数据总线上，通过微处理器编程而实现系统的参数显示。

工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

一、LCD1602的引脚功能：

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：VSS为电源地；

第2脚：VCC接5V电源正极；

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高；

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；

第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作；

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令；

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端；

第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

二、LCD1602的主要特性：

(1)  3.3V或5V工作电压，对比度可调；

(2) 内含复位电路；

(3) 提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；

(4) 有80字节显示数据存储器DDRAM；

(5) 内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；

(6) 8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

本文中显示电路选用的是LCD1602液晶显示模块。具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点。在系统功能中，外部输入的数据采集成功后由模拟量转化为数字量，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。

LCD显示电路如图3.7所示。

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图3.7  LCD1602显示电路

PL2303 是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232 全双工异步串行通信装置与USB 功能接口便利连接的解决方案。

PL2303的高兼容驱动可在大多操作系统上模拟成传统COM 端口，并允许基于COM 端口应用可方便地转换成USB接口应用，通讯波特率高达6 Mb/s。在工作模式和休眠模式时都具有功耗低，是嵌入式系统手持设备的理想选择。该器件具有以下特征：完全兼容USB1.1协议；可调节的3～5 V 输出电压，满足3V、3.3V和5V不同应用需求；支持完整的RS232接口，可编程设置的波特率：75b/s～6 Mb/s，并为外部串行接口提供电源；512字节可调的双向数据缓存；支持默认的ROM和外部EEPROM存储设备配置信息,具有I2C总线接口，支持从外部MODEM 信号远程唤醒，支持Windows98、Windows2000、WindowsXP、Windows Vista、Windows7等操作系统；28引脚的SOIC封装。PL2303芯片引脚图如图3.8所示。

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图3.8 PL2303芯片引脚图

一、PL2303的引脚功能

PL2303采用标准的28脚接口，其中：

第1脚：TXD的功能是将数据输出到串口；  

第2脚：DTR_N的功能是将数据终端准备好，在低电平时有效；

第3脚：RST_N的功能是发送请求，在低电平时有效；  

第4脚：VDD_232是RS232的电源，为串行端口信号的电源引脚；

第5脚：RXD的功能是将串口数据输入；  

第6脚：RI_N的功能是输入/输出串行端口（环指示器）；  

第7脚：GND为接地引脚；

第8脚：VDD引脚连接电源；   

第9脚：DSP_N的功能是输入/输出串行端口(数据集就绪)；  

第10脚：DCD_N的功能是输入/输出串行端口(数据载波检测)；  

第11脚：CTS_N的功能是输入/输出串行端口(清除发送)；  

第12脚：SHTD_N的功能是控制RS232收发器关机；  

第13脚：EE_CLK的功能的输入/输出串行EEPROM时钟；  

第14脚：EE_DATA 的功能是输入/输出串行EEPROM 数据；  

第15脚：DP 的功能是输入/输出USB端口D+信号；  

第16脚：DM 的功能是输入/输出USB端口D-信号；  

第17脚：VDD_3V3是常规 3.3V电源输出；  

第18脚：GND_3V3引脚接地；  

第19脚：RESER引脚连接电源；   

第20脚：VDD引脚连接电源；  

第21脚：GND引脚接地；   

第22脚：TRI_STATE 输入/输出 通用 I/O 引脚 0；  

第23脚：LD_MODE 输入/输出 通用 I/O 引脚 1；  

第24脚：VCC_PLL引脚接电源；   

第25脚：GND_PLL引脚接地；   

第26脚：PLL_TEST的功能是控制晶体振荡器输入；  

第27脚：OSC1的功能是晶体振荡器输出；  

第28脚：OSC2的功能是晶体振荡器输出。

PL2303的特性：

完全符合 USB 规范 2.0（全速兼容）、片内拥有 USB 1.1 收发器，5V 转 3.3V 的稳压器，12 MHz 的晶体振荡器、支持 RS232 这样的串行接口、全双工发送器和接收器（TXD 和 RXD）、六个调制解调控制引脚（RTS，CTS，DTR，DSR，DCD 和 RI）、内容可以为 5，6，7 或 8 个数据位、支持自动握手各种模式、一、一个半，或两个停止位、奇偶错误，帧错误和串行中断检测、可编程波特率从 75bps 到 6 Mbps、外部的 RS232 驱动下降控制、独立的串行接口电源、宽广的流量控制机制、自动与 CTS / RTS 流控制、自动使用的 XON / XOFF 流量控制、入站数据缓冲区溢出检测、可配置的512个字节双向数据缓冲器、256 字节的输出缓冲区和 256 字节的输入缓冲区、128 字节的输出缓冲区和 384 字节的输入缓冲区、支持从远程输入相关调制信号进行唤醒功能、两个通用的 I / O（GPIO）引脚、启动时可以将配置存储于外部的 EEPROM、提供支持 Windows 和 Mac OS，Linux 和 Win CE 的驱动程序、具有专为 Windows XP 驱动程序认证的标志、该 IC 是 SSOP 封装的小尺寸 28 引脚。

USB最初是由英特尔与微软倡导发起，其最大的特点是支持热插拔和即插即用。当设备插入时，主机枚举到此设备并加载所需的驱动程序，因此在使用上远比PCI和ISA总线方便。

USB(Universal Serial Bus2.0，通用串行总线)是一种应用在计算机领域的新型接口技术。USB接口具有传输速度更快，支持热插拔以及连接多个设备的特点。目前已经在各类外部设备中广泛的被采用。

电脑的原有的串口，叫作RS232接口，这是一种CMOS接口，接口电压从-15到+15v之间，而51系列单片机都是TTL电平，电平电压只有0V 或是 5V两种。用这个串口做出来的就是单片机上用的TTL电平，所以可以不用再接MAX232芯片。这是采用PL2303芯片的好处。

电路可以提取出USB接口的+5V电压，正好用于51系列单片机的使用，非常方便。另外PL2303还能对外提供一个+3.3V的电压，这个电压，对于AVR单片机，非常合适。串口通信电路如图3.9所示。

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图3.9  串口通信电路

本章设计了系统的各部分硬件电路，包括单片机控制电路、数据信号采集电路、A/D转换电路和LCD显示电路等部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍，整个系统的核心是单片机控制电路和数据信号采集电路，由单片机控制数据信号采集电路，提高数据采集能力能力。

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