单片机的多通道电压采集器
引言 1
一、 电路功能及设计思想 2
（一）电路设计的功能要求 2
（二）基本设计思路 2
二、 高精度多通道数字电压采集器简介 3
（一）系统概况 3
（二）采集器的电路特点 3
（三）智能型数字电压表的发展趋势 3
三、设计方案论证 4
（一）基于STC89C52模拟I2C总线实现多通道高精度电压采集器的设计 4
（二）基于STC89C52与8255扩展I/O口实现的多通道高精度电压采集器设计 4
（三）基于MSP单片机实现的多通道高精度电压采集器设计 5
（四）综合分析 5
四、基于STC89C52模拟I2C总线实现多通道高精度电压采集器的总体电路设计 6
（一）基于STC89C52模拟I2C总线实现多通道高精度电压采集器总体电路设计 6
（二）部分模块的设计说明 6
（三）部分功能分析 7
（四）I2C总线简介 7
五、硬件模块 8
（一）电压采集模块 8
（二）AD模数转换模块 9
（三）高精度外部时钟PCF8563模块 9
（四）保护电路与滤波电路设计 10
六、软件模块 11
（一）程序功能说明 11
（二）程序编写说明 11
（三）电压采集子程序 12
七、硬件调试 18
（一）原理图与PCB制板 18
（二）实物调试 19
八、 总结 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
引言< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 数字型电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，采用数字化测量技术,通过把采集到的模拟信号经过AD转换成数字量来显示，通过数字显示看起来更加直观，数字量更适合单片机做各种数据处理。
但随着生产的发展，单一的即时数字显示已经不能适应新的多变的生产要求，更加智能的数字型电压表越来越受到广泛的欢迎。通过一段时间的实际生产考察，发现采集电压数据在当前生产制造过程中是一个相当重要且繁琐单调的环节，严重的浪费了许多的人力资源成本。本文则根据实际的生产要求，综合各方面的因素考虑，设计并制作了一款基于单片机的数字式高精度多通道的电压采集器。
本设计采用STC89C52单片机通过模拟I2C总线时序来实现处理18位高精度ＡＤ转换芯片MCP3424采集到的数据，并依据生产要求定时保存数据以便统一分析。采用此方法设计的数字电压采集器测量精度高，系统采用总线方式连接，有着可扩展性强、方便编程拓展等诸多优点。该高精度数字电压采集器适合在测量精度高，需要定时采集多路电压信号的地方推广应用。
一、 电路功能及设计思想
（一）电路设计的功能要求
本课题要求设计一台高精度的数字式直流电压采集器。本设计通过数字电路和模拟电路相结合的方式来实现设计，本设计的核心由51单片机来控制实现；模拟电路部分包括电压采集电路、信号放大电路、 AD转换电路组成。单片机系统设计用来实现量程的切换控制、AD 转换后的数据处理、LCD液晶显示的控制、按键操作控制等功能。
（二）基本设计思路
该设计主要使用ST89C52芯片和MCP3424芯片以及AT24C02C存储芯片等，ST89C52用来控制整个系统的工作电路，模拟I2C总线实现控制硬件电路的工作时序，读取各个通道的电压，以及当前的时钟数据并存入存储器中。本系统可以定时读取电压数值并保存，并有数据断电保护功能，安全可靠。
本设计总体方案见图1-1。
二、 高精度多通道数字电压采集器简介
（一） 系统概况
本课题要求设计一台高精度的数字式直流电压采集器。本设计通过数字电路和模拟电路相结合的方式来实现设计，采用51单片机来实现系统控制；模拟电路部分包括电压采集电路、电流采集电路、信号放大电路、 AD转换电路组成。采用总线连接方式，将AD转换器、EEPROM及时钟芯片通过单片机的2个I/O口实现数据处理功能。单片机系统设计用来实现量程的转换、AD 转换后的数据处理、LCD液晶显示的控制、按键操作控制等功能。
（二）采集器的电路特点
I2C总线控制方式实现多种类型数据的读取、转换、存储、调用，可以方便的实现可靠地定时读取数据、处理并保存的功能。I2C总线使用51单片机I/O口模拟读写时序，简化了外围电路的设计，并且方便未来升级拓展，拥有极强的生命力。可以实现长时间的无人值守自动记录电压数据的功能，所采集的电压数据精度极高，便于生产分析数据，提高工作效率。
本设计采用Microchip公司生产的支持I2C总线的16位高精度4通道AD模数转换器，通过MCU控制总线读取电压，MCU在处理完数据后启动总线，将电压数值按固定地址偏移量写入支持总线操作的EEPROM中。
（三）智能型数字电压表的发展趋势
随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。
数字电压表（DigitalVoltmeter）采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示，通过与MCU的紧密配合，可以实现多样化、智能化的解决方案，显示出强大的生命力。
当前数字化的时代，人们已经不仅满足于简单的数字电压表的应用，智能化自动化的仪器正越来越受到人们的欢迎。
三、设计方案论证
（一）基于STC89C52模拟I2C总线实现多通道高精度电压采集器的设计
本设计中使用的芯片主要有AD模数转换器、E2PROM存储器、外部精准时钟数据芯片，采用STC89C52模拟I2C总线实现单主机式的应用比较适宜。可以有效地节约了单片机宝贵的I/O口资源。
选择STC89C52 作为整个系统的主控制器。STC89C52是MCS-51系列单片机的增强型版本，功能强劲。
I2C总线（InterIntegratedCircuitBus）是PhiIips公司首先推出的芯片间串行传输总线，由两根线（SDA、SCL）实现全双工同步数据通信。在I2C总线上可以挂接各种类型的外围器件，例如RAM、EEPROM、I/O扩展、A/D、D/A及日历/时钟等。特别是近几年发展迅速的FIash存储器和日历/时钟芯片，I2C总线得到了广泛的应用。
（二）基于STC89C52与8255扩展I/O口实现的多通道高精度电压采集器设计
由于本设计要实现多通道电压采集、外围时钟数据采集、 EEPROM存储、扫描按键、LCD液晶显示等功能，单片机外围IO口数量不够，综合考虑I/O口的扫描周期、频率，负载驱动能力等多方面因素，选用Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片8255。
一、 电路功能及设计思想 2
（一）电路设计的功能要求 2
（二）基本设计思路 2
二、 高精度多通道数字电压采集器简介 3
（一）系统概况 3
（二）采集器的电路特点 3
（三）智能型数字电压表的发展趋势 3
三、设计方案论证 4
（一）基于STC89C52模拟I2C总线实现多通道高精度电压采集器的设计 4
（二）基于STC89C52与8255扩展I/O口实现的多通道高精度电压采集器设计 4
（三）基于MSP单片机实现的多通道高精度电压采集器设计 5
（四）综合分析 5
四、基于STC89C52模拟I2C总线实现多通道高精度电压采集器的总体电路设计 6
（一）基于STC89C52模拟I2C总线实现多通道高精度电压采集器总体电路设计 6
（二）部分模块的设计说明 6
（三）部分功能分析 7
（四）I2C总线简介 7
五、硬件模块 8
（一）电压采集模块 8
（二）AD模数转换模块 9
（三）高精度外部时钟PCF8563模块 9
（四）保护电路与滤波电路设计 10
六、软件模块 11
（一）程序功能说明 11
（二）程序编写说明 11
（三）电压采集子程序 12
七、硬件调试 18
（一）原理图与PCB制板 18
（二）实物调试 19
八、 总结 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
引言< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 数字型电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，采用数字化测量技术,通过把采集到的模拟信号经过AD转换成数字量来显示，通过数字显示看起来更加直观，数字量更适合单片机做各种数据处理。
但随着生产的发展，单一的即时数字显示已经不能适应新的多变的生产要求，更加智能的数字型电压表越来越受到广泛的欢迎。通过一段时间的实际生产考察，发现采集电压数据在当前生产制造过程中是一个相当重要且繁琐单调的环节，严重的浪费了许多的人力资源成本。本文则根据实际的生产要求，综合各方面的因素考虑，设计并制作了一款基于单片机的数字式高精度多通道的电压采集器。
本设计采用STC89C52单片机通过模拟I2C总线时序来实现处理18位高精度ＡＤ转换芯片MCP3424采集到的数据，并依据生产要求定时保存数据以便统一分析。采用此方法设计的数字电压采集器测量精度高，系统采用总线方式连接，有着可扩展性强、方便编程拓展等诸多优点。该高精度数字电压采集器适合在测量精度高，需要定时采集多路电压信号的地方推广应用。
一、 电路功能及设计思想
（一）电路设计的功能要求
本课题要求设计一台高精度的数字式直流电压采集器。本设计通过数字电路和模拟电路相结合的方式来实现设计，本设计的核心由51单片机来控制实现；模拟电路部分包括电压采集电路、信号放大电路、 AD转换电路组成。单片机系统设计用来实现量程的切换控制、AD 转换后的数据处理、LCD液晶显示的控制、按键操作控制等功能。
（二）基本设计思路
该设计主要使用ST89C52芯片和MCP3424芯片以及AT24C02C存储芯片等，ST89C52用来控制整个系统的工作电路，模拟I2C总线实现控制硬件电路的工作时序，读取各个通道的电压，以及当前的时钟数据并存入存储器中。本系统可以定时读取电压数值并保存，并有数据断电保护功能，安全可靠。
本设计总体方案见图1-1。
二、 高精度多通道数字电压采集器简介
（一） 系统概况
本课题要求设计一台高精度的数字式直流电压采集器。本设计通过数字电路和模拟电路相结合的方式来实现设计，采用51单片机来实现系统控制；模拟电路部分包括电压采集电路、电流采集电路、信号放大电路、 AD转换电路组成。采用总线连接方式，将AD转换器、EEPROM及时钟芯片通过单片机的2个I/O口实现数据处理功能。单片机系统设计用来实现量程的转换、AD 转换后的数据处理、LCD液晶显示的控制、按键操作控制等功能。
（二）采集器的电路特点
I2C总线控制方式实现多种类型数据的读取、转换、存储、调用，可以方便的实现可靠地定时读取数据、处理并保存的功能。I2C总线使用51单片机I/O口模拟读写时序，简化了外围电路的设计，并且方便未来升级拓展，拥有极强的生命力。可以实现长时间的无人值守自动记录电压数据的功能，所采集的电压数据精度极高，便于生产分析数据，提高工作效率。
本设计采用Microchip公司生产的支持I2C总线的16位高精度4通道AD模数转换器，通过MCU控制总线读取电压，MCU在处理完数据后启动总线，将电压数值按固定地址偏移量写入支持总线操作的EEPROM中。
（三）智能型数字电压表的发展趋势
随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。
数字电压表（DigitalVoltmeter）采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示，通过与MCU的紧密配合，可以实现多样化、智能化的解决方案，显示出强大的生命力。
当前数字化的时代，人们已经不仅满足于简单的数字电压表的应用，智能化自动化的仪器正越来越受到人们的欢迎。
三、设计方案论证
（一）基于STC89C52模拟I2C总线实现多通道高精度电压采集器的设计
本设计中使用的芯片主要有AD模数转换器、E2PROM存储器、外部精准时钟数据芯片，采用STC89C52模拟I2C总线实现单主机式的应用比较适宜。可以有效地节约了单片机宝贵的I/O口资源。
选择STC89C52 作为整个系统的主控制器。STC89C52是MCS-51系列单片机的增强型版本，功能强劲。
I2C总线（InterIntegratedCircuitBus）是PhiIips公司首先推出的芯片间串行传输总线，由两根线（SDA、SCL）实现全双工同步数据通信。在I2C总线上可以挂接各种类型的外围器件，例如RAM、EEPROM、I/O扩展、A/D、D/A及日历/时钟等。特别是近几年发展迅速的FIash存储器和日历/时钟芯片，I2C总线得到了广泛的应用。
（二）基于STC89C52与8255扩展I/O口实现的多通道高精度电压采集器设计
由于本设计要实现多通道电压采集、外围时钟数据采集、 EEPROM存储、扫描按键、LCD液晶显示等功能，单片机外围IO口数量不够，综合考虑I/O口的扫描周期、频率，负载驱动能力等多方面因素，选用Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片8255。
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