基于51單片機量程自動轉換系統設計

趙群

摘 要： 儀器儀表數據采集之前，往往需要經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轉換精度的范圍之內。系統利用單片機與多路選擇器及A/D轉換器實現儀器儀表量程的自動轉換過程，提高測量儀器儀表智能化程度。

關鍵字： 量程自動控制； CD4051； 多路選擇器； A/D轉換

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

0 引 言

近年來，隨著科學技術的快速發展，特別是單片機的普及使用，推動了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發展。其中儀器儀表量程自動轉換技術就是突出的表現，傳統儀器儀表量程選擇以人為手動為主，使用中不同量程間轉換頻繁極易損壞儀器儀表中機械部件，甚至可能造成測量誤差影響測量結果。新型儀器儀表量程自動轉換解決了這個難題，利用單片機控制完成量程選擇，不需要人為干預自動對被測量選擇合適的量程，保護設備不被人為操作損壞。使測量儀器儀表具有智能化特性，真正實現檢測技術領域的智能化測量，減輕使用人員工作負擔。本系統利用單片機與多路選擇器及A/D轉換器完成對量程自動控制。

1 設計思路

1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

CD4051最大的特點就是能選通模擬信號和實現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個電阻相當于放大器的反饋電阻[Rf。]這時，如果CD4051的地址線A、B、C在單片機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，因為這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 量程自動轉換

在多通道信號檢測系統中，多個通道可通過CD4051實現某一通道信號的選通，這個被選通的信號經過放大等處理后至A/D進行數字化轉換。由于各個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輸出范圍為l00～200 mV。這樣就出現一個問題，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轉換的最大分辨率。

這種放大器只有一種放大倍數顯然是不能完美地應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，也常會出現小信號得不到盡可能高的放大倍數而喪失A/D轉換精度的問題。這就是圖1使用了兩個CD4051的原因，一個用來切換通道，另一個用來調整放大器的增益。

量程自動轉換的方法與圖1所示的方法是一致的，即在模擬信號通道中設置增益可控的放大器，借助量程轉換控制信號，使量程根據實際需要進行轉換。

2 量程自動轉換電路設計

圖2所示為單通道數據采集量程自動轉換的硬件電路，圖中量程控制部分使用CD4051來調整反饋電阻的阻值，當P1.1=P1.0=0時，CD4051的X0與X連通，此時，放大器的放大倍數為1，相當于一個跟隨器。

4 結 語

以本系統為基礎可以實現多種儀器儀表量程自動轉換功能，為儀器儀表數據采集做好準備，具有集成化、智能化、簡便的特點。本系統最大優點是利用單片機進行核心控制，在整個工作過程中改變單片機程序可以使控制方式多樣化，并可以單片機為核心添加數據處理，數據顯示，過程控制等單元，為下一步的擴展留有空間。

參考文獻

[1] 張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.

[2] 龔尚福，朱宇.微機原理與接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[3] 于海生.微型計算機控制技術[M].北京：清華大學出版社，1998.

[4] 柴鈺，劉曉榮，楊良煜.QTH?2008XS單片機實驗指導書[M].西安：西安科技大學出版社，2007.

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

[6] 沙占友，沙江.數字萬用表功能擴展與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 沙占友.新型數字電壓表原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[8] 朱齊嬡，莫長江.單片機控制自動量程轉換設計[J].淮陰工學院學報，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能儀表原理與設計技術[M].上海：華東理工大學出版社，2003.

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

摘 要： 儀器儀表數據采集之前，往往需要經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轉換精度的范圍之內。系統利用單片機與多路選擇器及A/D轉換器實現儀器儀表量程的自動轉換過程，提高測量儀器儀表智能化程度。

關鍵字： 量程自動控制； CD4051； 多路選擇器； A/D轉換

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

0 引 言

近年來，隨著科學技術的快速發展，特別是單片機的普及使用，推動了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發展。其中儀器儀表量程自動轉換技術就是突出的表現，傳統儀器儀表量程選擇以人為手動為主，使用中不同量程間轉換頻繁極易損壞儀器儀表中機械部件，甚至可能造成測量誤差影響測量結果。新型儀器儀表量程自動轉換解決了這個難題，利用單片機控制完成量程選擇，不需要人為干預自動對被測量選擇合適的量程，保護設備不被人為操作損壞。使測量儀器儀表具有智能化特性，真正實現檢測技術領域的智能化測量，減輕使用人員工作負擔。本系統利用單片機與多路選擇器及A/D轉換器完成對量程自動控制。

1 設計思路

1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

CD4051最大的特點就是能選通模擬信號和實現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個電阻相當于放大器的反饋電阻[Rf。]這時，如果CD4051的地址線A、B、C在單片機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，因為這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 量程自動轉換

在多通道信號檢測系統中，多個通道可通過CD4051實現某一通道信號的選通，這個被選通的信號經過放大等處理后至A/D進行數字化轉換。由于各個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輸出范圍為l00～200 mV。這樣就出現一個問題，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轉換的最大分辨率。

這種放大器只有一種放大倍數顯然是不能完美地應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，也常會出現小信號得不到盡可能高的放大倍數而喪失A/D轉換精度的問題。這就是圖1使用了兩個CD4051的原因，一個用來切換通道，另一個用來調整放大器的增益。

量程自動轉換的方法與圖1所示的方法是一致的，即在模擬信號通道中設置增益可控的放大器，借助量程轉換控制信號，使量程根據實際需要進行轉換。

2 量程自動轉換電路設計

圖2所示為單通道數據采集量程自動轉換的硬件電路，圖中量程控制部分使用CD4051來調整反饋電阻的阻值，當P1.1=P1.0=0時，CD4051的X0與X連通，此時，放大器的放大倍數為1，相當于一個跟隨器。

4 結 語

以本系統為基礎可以實現多種儀器儀表量程自動轉換功能，為儀器儀表數據采集做好準備，具有集成化、智能化、簡便的特點。本系統最大優點是利用單片機進行核心控制，在整個工作過程中改變單片機程序可以使控制方式多樣化，并可以單片機為核心添加數據處理，數據顯示，過程控制等單元，為下一步的擴展留有空間。

參考文獻

[1] 張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.

[2] 龔尚福，朱宇.微機原理與接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[3] 于海生.微型計算機控制技術[M].北京：清華大學出版社，1998.

[4] 柴鈺，劉曉榮，楊良煜.QTH?2008XS單片機實驗指導書[M].西安：西安科技大學出版社，2007.

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[6] 沙占友，沙江.數字萬用表功能擴展與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 沙占友.新型數字電壓表原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[8] 朱齊嬡，莫長江.單片機控制自動量程轉換設計[J].淮陰工學院學報，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能儀表原理與設計技術[M].上海：華東理工大學出版社，2003.

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

摘 要： 儀器儀表數據采集之前，往往需要經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轉換精度的范圍之內。系統利用單片機與多路選擇器及A/D轉換器實現儀器儀表量程的自動轉換過程，提高測量儀器儀表智能化程度。

關鍵字： 量程自動控制； CD4051； 多路選擇器； A/D轉換

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

0 引 言

近年來，隨著科學技術的快速發展，特別是單片機的普及使用，推動了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發展。其中儀器儀表量程自動轉換技術就是突出的表現，傳統儀器儀表量程選擇以人為手動為主，使用中不同量程間轉換頻繁極易損壞儀器儀表中機械部件，甚至可能造成測量誤差影響測量結果。新型儀器儀表量程自動轉換解決了這個難題，利用單片機控制完成量程選擇，不需要人為干預自動對被測量選擇合適的量程，保護設備不被人為操作損壞。使測量儀器儀表具有智能化特性，真正實現檢測技術領域的智能化測量，減輕使用人員工作負擔。本系統利用單片機與多路選擇器及A/D轉換器完成對量程自動控制。

1 設計思路

1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

CD4051最大的特點就是能選通模擬信號和實現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個電阻相當于放大器的反饋電阻[Rf。]這時，如果CD4051的地址線A、B、C在單片機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，因為這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 量程自動轉換

在多通道信號檢測系統中，多個通道可通過CD4051實現某一通道信號的選通，這個被選通的信號經過放大等處理后至A/D進行數字化轉換。由于各個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輸出范圍為l00～200 mV。這樣就出現一個問題，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轉換的最大分辨率。

這種放大器只有一種放大倍數顯然是不能完美地應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，也常會出現小信號得不到盡可能高的放大倍數而喪失A/D轉換精度的問題。這就是圖1使用了兩個CD4051的原因，一個用來切換通道，另一個用來調整放大器的增益。

量程自動轉換的方法與圖1所示的方法是一致的，即在模擬信號通道中設置增益可控的放大器，借助量程轉換控制信號，使量程根據實際需要進行轉換。

2 量程自動轉換電路設計

圖2所示為單通道數據采集量程自動轉換的硬件電路，圖中量程控制部分使用CD4051來調整反饋電阻的阻值，當P1.1=P1.0=0時，CD4051的X0與X連通，此時，放大器的放大倍數為1，相當于一個跟隨器。

4 結 語

以本系統為基礎可以實現多種儀器儀表量程自動轉換功能，為儀器儀表數據采集做好準備，具有集成化、智能化、簡便的特點。本系統最大優點是利用單片機進行核心控制，在整個工作過程中改變單片機程序可以使控制方式多樣化，并可以單片機為核心添加數據處理，數據顯示，過程控制等單元，為下一步的擴展留有空間。

參考文獻

[1] 張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.

[2] 龔尚福，朱宇.微機原理與接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[3] 于海生.微型計算機控制技術[M].北京：清華大學出版社，1998.

[4] 柴鈺，劉曉榮，楊良煜.QTH?2008XS單片機實驗指導書[M].西安：西安科技大學出版社，2007.

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

[6] 沙占友，沙江.數字萬用表功能擴展與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 沙占友.新型數字電壓表原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[8] 朱齊嬡，莫長江.單片機控制自動量程轉換設計[J].淮陰工學院學報，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能儀表原理與設計技術[M].上海：華東理工大學出版社，2003.

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