基于ADC0809和51单片机的多路数据采集系统设计图

基于ADC0809和51单片机的多路数据采集系统设计[图]

“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。

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。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：

2.2 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。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。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。

对于EIA-RS-232C与TTL的转换，由于EIARS-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