基于ADC0809和51单片机的多路数据采集系统设计

收稿日期：2010-12-03 “数据采集” 是指将温度、 压力、 流量、 位移 等模拟物理量采集并转换成数字量后， 再由计算 机进行存储、 处理、 显示和打印的过程， 相应的 系统称为数据采集系统。 本文的主要任务是对0～5V的直流电压进行测 量并送到远端的PC机上进行显示。 由于采集的是 直流信号， 对于缓慢变化的信号不必加采样保持 电路 ， 因此选用市面上比较常见的逐次逼近型 ADC0809芯片， 该芯片转换速度快， 价格低廉 ， 可以直接将直流电压转换为计算机可以处理的数 字量。 同时选用低功耗的LCD显示器件来满足其在 终端显示采集结果的需求。 终端键盘控制采用尽 可能少的键来实现控制功能， 为了防止键盘不用 时的误操作， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 时还设置了锁键功能， 在键盘 的输入消抖方面， 则采用软件消抖方法来降低硬 件开销， 提高系统的抗干扰能力。 软件设计方面 则采用功能模块化的设计思想； 键盘模数转换等 采用中断方式来实现， 从而大大提高了单片机的 效率以及实时处理能力。 1 数据采集系统的硬件结构 数据采集系统的硬件结构一般由信号调理电 路、 多路切换电路、 采样保持电路、 A/D转换器以 及单片机等组成。 本文主要完成功能的系统硬件 框图如图1所示。 2 ADC0809模数转换器简介 2.1 ADC0809的结构功能 本数据采集系统采用计算机作为处理器。 电 子计算机所处理和传输的都是不连续的数字信号， 而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量， 模拟 量经传感器转换成电信号后， 需要模/数转换将其 基于ADC0809和5 1单片机的 多路数据采集系统设计 方 江， 郭 勇 (成都理工大学信息工程学院， 四川 成都 610059) 摘 要： 给出了采用8051单片机为核心来实现多路数据采集与通信控制的设计方法。 该方法将8路 被测电压通过通用ADC0809模数转换来实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换， 然 后由单片机对数据进行处理， 再将数据通过串行口传输到PC机上， 同时采用MAX232接口芯 片来实现MCU与 PC机间的电平匹配， 最后由PC机完成数据的接收和显示。 关键词： 多路数据采集； 单片机； 模数转换； 串行通信 图1 数据采集系统硬件结构框图 通用元器件 doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2011.05.004 13 变成数字信号才可以输入到数字系统中进行处理 和控制， 因此， 把模拟量转换成数字量输出的接 口电路， 即A/D转换器就是现实信号转换的桥梁。 目前， 世界上有多种类型的A/D转换器， 如并 行比较型、 逐次逼近型、 积分型等。 本文采用逐 次逼近型A/D转换器， 该类A/D转换器转换精度高， 速度快， 价格适中， 是目前种类最多， 应用最广 的A/D转换器。 逐次逼近型A/D转换器一般由比较 器、 D/A转换器、 寄存器、 时钟发生器以及控制逻 辑电路组成。 ADC0809就是一种CMOS单片逐次逼近式A/D 转换器， 其内部结构如图2所示。 该芯片由8路模 拟开关、 地址锁存与译码器、 比较器、 8位开关树 型D/A转换器、 逐次逼近寄存器、 三态输出锁存器 等电路组成。 因此， ADC0809可处理8路模拟量输 入， 且有三态输出能力。 该器件既可与各种微处 理器相连， 也可单独工作。 其输入输出与TTL 兼 容。 ADC0809是8路8位A/D转换器 (即分辨率8位)， 具有转换起停控制端， 转换时间为100μs采用单＋ 5V电源供电， 模拟输入电压范围为0～＋5V， 且不 需零点和满刻度校准， 工作温度范围为-40～＋85℃ 功耗可抵达约15mW。 ADC0809芯片有28条引脚， 采用双列直插式 封装， 图3所示是其引脚排列图。 各引脚的功能如 下： IN0～IN7： 8路模拟量输入端； D0~D7： 8位数字量输出端； ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址输入线， 用 于选通8路模拟输入中的一路； ALE： 地址锁存允许信号， 输入， 高电平有 效； START： A/D转换启动信号， 输入， 高电平有 效； EOC： A/D转换结束信号， 输 出， 当A/D转换结束时， 此端输出 一个高电平 (转换期间一直为低 电平)； OE： 数据输出允许信号， 输 入， 高电平有效。 当A/D转换结束 时， 此端输入一个高电平才能打 开输出三态门， 输出为数字量； CLK： 时钟脉冲输入端 。 要 求时钟频率不高于640kHz； REF (+)、 REF (-)： 基准电 压； Vcc： 电源， 单一＋5V； GND： 地。 ADC0809工作时， 首先输入3 位地址， 并使ALE为1， 以将地址 存入地址锁存器中。 此地址经译 图3 ADC0809的引脚排列图 图2 ADC0809的内部结构图 通用元器件 14 码可选通8路模拟输入之一到比较器。 START上升 沿将逐次逼近寄存器复位； 下降沿则启动 A/D转 换， 之后， EOC输出信号变低， 以指示转换正在进 行， 直到A/D转换完成， EOC变为高电平， 指示A/ D转换结束， 并将结果数据存入锁存器， 这个信号 也可用作中断申请。 当OE输入高电平时， ADC的 输出三态门打开， 转换结果的数字量可输出到数 据总线。 A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分 辨率。 对于8通道的输入信号， 其分辨率为0.5%。 8位A/D转换器的精度为： 2-8=0.39% 因此， 输入为0～5V时， 分辨率为： vFs 2N-1 = 5 28-1 =0.0196V 上式中， vFs为A/D转换器的满量程值， N为ADC二进制位数。 此时的量化误差为： Q= vFs(2N-1) ×2 ＝ 5 (28-1) ×2 ＝0.0098 2.2 ADC0809的工作时序 图4所示是ADC0809的工作时序图。 从该时序 图可以看出， 地址锁存信号ALE在上升沿将三位通 道地址锁存， 相应通道的模拟量经过多路模拟开 关送到A/D转换器。 启动信号START上升沿复位内 部电路， START的下降沿启动转换， 此时转换结束 信号EOC呈低电平状态， 由于逐位逼近需要一定过 程， 所以， 在此期间， 模拟输入量应维持不变， 比较器要一次次比较， 直到转换结束， 此时变为 高电平。 若CPU发出输出允许信号OE (输出允许为 高电平)， 则可读出数据。 另外， ADC0809具有较 高的转换速度和精度， 同时受温度影响也较小。 2.3 ADC0809与MCS-51单片机的接口电路 ADC0809与MCS-51系列单片机的接口电路如 图5所示 。 图中 ， 74LS373输出的低3位地址A2、 A1、 A0加到通道选择端A、 B、 C， 可作为通道编 码。 其通道基本地址为0000H～0007H。 8051的WR 与P2.7经过或非门后， 可接至ADC0809的START及 ALE引脚 。 8051的RD与P2.7经或非门后则接至 图4 ADC0809的工作时序图 通用元器件 15 ADC0809的OE端。 ADC0809的EOC经反相后接到 8051单片机的P3.3 (INT1)。 3 单片机与PC机的互连 目前的串行通信接口 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 都是在RS-232标准 的基础上经过改进而形成的。 RS-323C标准是美国 EIA (电子工业联合会) 与BELL等公司一起开发通 信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。 它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围 内的通信。 这个标准对串行通信接口 (如信号线功 能、 电器) 特性都作了明确规定。 由于通行设备厂 商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备， 因此， 它作为一种标准， 目前已在微机通信接口中广泛 采用。 3.1 电气特性 EIA-RS-232C对电器特性、 逻辑电平和各种 信号线功能都作了规定。 在TxD和RxD上， 逻辑1 (MARK) 电平为-3V～-15V， 逻辑0 (SPACE) 电平 为+3～＋15V； 而在RTS、 CTS、 DSR、 DTR和DCD等 控制线上， 信号有效 (接通， ON状态， 正电压) 电 压为+3V～+15V， 信号无效 (断开， OFF状态， 负 电压) 电压为-3V～-15V。 以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定 义。 对于数据 (信息码)： 逻辑 “1” (传号) 的电 平低于-3V， 逻辑 “0” (空号 ) 的电平高于+3V； 对于控制信号； 接通状态 (ON) 即信号有效的电平 高于+3V， 断开状态 (OFF) 即信号无效的电平低 于-3V， 也就是说， 当传输电平的绝对值大于3V 时， 电路才可以有效地检查出来， 介于-3～+3V之 间的电压无意义。 低于-15V或高于+15V的电压也 认为无意义， 因此， 实际工作时， 应保证电平在± (3～15) V之间。 图5 ADC0809与8051单片机的接口电路图 通用元器件 16 对于EIA-RS-232C与TTL的转换， 由于EIA- RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态， 它与TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。 因此， 为 了能够同计算机接口或与终端的TTL器件连接， 就 必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻 辑关系的变换。 实现这种变换的方法可用分立元 件， 也可用集成电路芯片。 3.2 DB-9连接器 DB-9连接器作为提供多功能 I/O卡或主板上 COM1和COM2两个串行接口的连接器。 它只提供 异步通信的9个信号。 由于DB-9型连接器的引脚分 配与DB-25型引脚信号完全不同。 因此， 若要与配 接DB-25型连接器的DCE设备进行连接， 就必须使 用专门的电缆线。 设计时对电缆长度的要求是在通信速率低于 20kb/s时， RS-232C所直接连接的最大物理距离应 为15m (50英尺)。 根据RS-232C标准规定， 若不使用MODEM， 在码元畸变小于4%的情况下， DTE和DCE之间的 最大传输距离为15m (50英尺)。 由于这个最大距离 是在码元畸变小于4%的前提下给出的。 因此， 为 了保证码元畸变小于4%的要求， 本接口标准在电 气特性中规定， 驱动器的负载电容应小于2500pF。 3.3 单片机与MAX232的连接 MAX232是一种双组驱动器/接收器， 该芯片可 完成TTL←→EIA双向电平转换。 其片内含有一个 电容性电压发生器， 可以在单+5V伏电压供电时提 供EIA/TIA-232-E电平 。 每个接收器都应将EIA/ TIA-232-E电平转换为5V TTL/CMOS电平。 这些接 收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞， 而 且可以接收 30V输入 。 每个驱动器都应将 TTL/ CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。 所有 的驱动器， 接收器及电压发生器都可以在德州仪 器公司的元件库中得到标准单元。 MAX232的工作 温度范围为0~70℃。 图6所示是MAX232芯片的工作电路图。 在实 际应用中， 该器件对电源的噪声很敏感。 图中的 四个取同样数值的电解电容 (1.0μF/16V)， 用以提 高抗干扰能力。 本设计可从MAX232芯片中的两路 发送接收器中选用一路作为接口， 但设计时应注 意发送与接收的对应。 4 结束语 本文给出了一个基于AD0809和单片机的多路 数据采集系统的硬件实现方法， 该方法在终端采 用8051单片机为核心来控制数据采集及数据上传 工作， 并通过A/D转换器将0～5V的直流电压转换为 计算机可以进行处理的数字信号， 然后经过单片 机对其进行处理， 从而完成在终端显示以及将数 据上传等功能。 系统中的上位机完成对所采集的 数据进行显示及对下位机的控制等功能。 笮 参考文献 [1] 李建忠 .单片机原理及应用 [M].北京：西安电子科技大 学出版社，2005. [2] 李华.MCS-51系列单片机使用接口技术[M].北京：北京 航空航天大学出版社，1993. [3] 祝常红数据采集与处理技术 [M].北京：电子工业出版 社，2008. [4] 李念强，魏长智.数据采集技术与系统设计[M].北京：机 械工业出版社，2009. 图6 MAX232的应用电路图 笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 笮 更 正 本刊2011年4月 （第13卷第4期 ） 《基于 ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计》 作 者 (李丽莉) 单位更正为： 西南交通大学电气 工程学院， 四川 成都 610031 ， 并郑重向李丽 莉道歉。 通用元器件 17