畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于8051和ADC0809CCN的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

1、目 錄摘 要2abstract3前 言3第1章 任務(wù)分析與方案確定31.1 信號采集分析31.1.1 信號采集31.1.2 a/d轉(zhuǎn)換器的選取31.2 控制與顯示方法分析31.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)分析31.2.2 顯示與鍵盤分析31.3 傳輸方式分析3第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32.1 信號調(diào)理電路32.2 數(shù)據(jù)采集電路32.2.1 a/d轉(zhuǎn)換的一般步驟32.2.2 adc0809內(nèi)部功能與引腳介紹32.2.3 adc0809與mcs-51系列單片機(jī)的接口方法32.4 控制器、振蕩源和復(fù)位電路32.5 鍵盤與顯示電路32.6 通信電路3第3章 軟件設(shè)計(jì)33.1 a/d轉(zhuǎn)換33.2 標(biāo)度變換33.3 數(shù)

2、制轉(zhuǎn)換33.4 鍵盤程序33.5 led顯示程序33.6 通信程序33.6.1 上位機(jī)程序33.6.2 下位機(jī)程序3結(jié)論、討論和建議3致 謝3參考文獻(xiàn)3畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)3附錄3摘 要以adc0809和8051為核心，該系統(tǒng)有三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和顯示，終端接收。具體包括控制、顯示、a/d轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換接口、個(gè)人計(jì)算機(jī)等。設(shè)計(jì)中用adc0809進(jìn)行8路數(shù)據(jù)的采樣，利用mcs-51單片機(jī)的串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。顯示部分由8155、75452、7407和led數(shù)碼顯示器構(gòu)成。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程方法。關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)采集，eda，串行口，模塊化編程abstract

3、.前 言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集是工、農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，在醫(yī)藥、化工、食品、等領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，往往需要隨時(shí)檢測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時(shí)，還要對某一檢測點(diǎn)任意參數(shù)能夠進(jìn)行隨機(jī)查尋，將其在某一時(shí)間段內(nèi)檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來，以便進(jìn)行比較，做出決策，調(diào)整控制方案，提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。 隨著工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集勢必將得到越來越多的應(yīng)用，為適應(yīng)這一趨勢，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學(xué)研究中，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，也是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和生成知識的重要手段之一。總之，

4、不論在哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理將直接影響工作效率和所取得的經(jīng)濟(jì)效益。 此外，計(jì)算機(jī)的發(fā)展對通信起了巨大的推動(dòng)作用.計(jì)算機(jī)和通信緊密結(jié)合構(gòu)成了靈活多樣的通信控制系統(tǒng)，也可以構(gòu)成強(qiáng)有力的信息處理系統(tǒng),這樣對社會的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。數(shù)據(jù)通信是計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的必然產(chǎn)物。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴(yán)格的意義上來說，應(yīng)該是用計(jì)算機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測或巡回檢測，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲、處理、分析計(jì)算以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個(gè)部分組成。輸入通道要實(shí)現(xiàn)對被測對象的檢測，采樣和信號轉(zhuǎn)換等工作

5、。數(shù)據(jù)存儲與管理要用存儲器把采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行管理和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關(guān)干擾噪聲，無關(guān)信息和必要的信息，提取出反映被測對象特征的重要信息。另外，就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便于檢索；或者把數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來物理量的形式，以可輸出的形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出，例如打印，顯示，繪圖等。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行輸出和顯示。由于rs-232在微機(jī)通信接口中廣泛采用，技術(shù)已相當(dāng)成熟。在近端與遠(yuǎn)端通信過程中，采用串行rs-232標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)pc機(jī)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中對多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作了基本的研究。本系統(tǒng)主要解決的是怎樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

6、以及怎樣進(jìn)行多路的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。第1章 任務(wù)分析與方案確定根據(jù)系統(tǒng)基本要求，將本系統(tǒng)劃分為如下幾個(gè)部分：l 信號調(diào)理電路l 8路模擬信號的產(chǎn)生與a/d轉(zhuǎn)換器l 發(fā)送端的數(shù)據(jù)采集與傳輸控制器l 人機(jī)通道的接口電路l 數(shù)據(jù)傳輸接口電路數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，多路開關(guān)，采樣保持電路，a/d，單片機(jī)，電平轉(zhuǎn)換接口，接收端（單片機(jī)、pc或其它設(shè)備）組成。系統(tǒng)框圖如圖1-1所示圖1-1 一般系統(tǒng)框圖1.1 信號采集分析被測電壓為05v直流電壓，可通過電位器調(diào)節(jié)產(chǎn)生。1.1.1 信號采集多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用共享數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式。數(shù)據(jù)采集方式有順序控制數(shù)據(jù)采集和程序控制

7、數(shù)據(jù)采集。方案一：順序控制數(shù)據(jù)采集，顧名思義，它是對各路被采集參數(shù)，按時(shí)間順序依次輪流采樣。原理如下圖1-2所示，系統(tǒng)的性能完全由硬件設(shè)備決定。在每次的采集過程中，所采集參數(shù)的數(shù)目、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣速率、采樣精度都固定不變。若要改變這些指標(biāo)，需改變接線或更換設(shè)備方能實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集時(shí)，控制多路傳輸門開啟和關(guān)閉的信號來自脈沖分配器，在時(shí)鐘脈沖的推動(dòng)下，這些控制信號不斷循環(huán)，使傳輸門以先后順序循環(huán)啟閉。 圖1-2 順序數(shù)據(jù)采集原理 方案二：程序控制數(shù)據(jù)采集，由硬件和軟件兩部分組成。，據(jù)不同的采集需要，在程序存儲器中，存放若干種信號采集程序，選擇相應(yīng)的采集程序進(jìn)行采集工作，還可通過編新的程序，以滿足不同

8、采樣任務(wù)的要求。如圖1-3所示。程序控制數(shù)據(jù)采集的采樣通道地址可隨意選擇，控制多路傳輸門開啟的通道地址碼由存儲器中讀出的指令確定。即改變存儲器中的指令內(nèi)容便可改變通道地址。圖1-3 程序控制數(shù)據(jù)采集原理由于順序控制數(shù)據(jù)采集方式缺乏通用性和靈活性，所以本設(shè)計(jì)中選用程序控制數(shù)據(jù)采集方式。采集多路模擬信號時(shí)，一般用多路模擬開關(guān)巡回檢測的方式，即一種數(shù)據(jù)采集的方式。利用多路開關(guān)（mux）讓多個(gè)被測對象共用同一個(gè)采集通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。當(dāng)采集高速信號時(shí)，a/d轉(zhuǎn)換器前端還需加采樣/保持(s/h)電路。待測量一般不能直接被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通常要進(jìn)行放大、特性補(bǔ)償、濾波等環(huán)節(jié)的預(yù)處理。被測信

9、號往往因?yàn)榉递^小，而且可能還含有多余的高頻分量等原因，不能直接送給a/d轉(zhuǎn)換器，需對其進(jìn)行必要的處理，即信號調(diào)理。如對信號進(jìn)行放大、衰減、濾波等。通常希望輸入到a/d轉(zhuǎn)換器的信號能接近a/d轉(zhuǎn)換器的滿量程以保證轉(zhuǎn)換精度，因此在直流電流電源輸出端與a/d轉(zhuǎn)換器之間應(yīng)接入放大器以滿足要求。本題要求中的被測量為05v直流信號，由于輸出電壓比較大，滿足a/d轉(zhuǎn)換輸入的要求，故可省去放大器，而將電源輸出直接連接至a/d轉(zhuǎn)換器輸入端。多路數(shù)據(jù)采集輸入通道的結(jié)構(gòu)圖1-4所示。圖1-4 多路數(shù)據(jù)采集輸入通道結(jié)構(gòu)注：緩慢變化信號和直流信號，采樣保持電路可以省略。1.1.2 a/d轉(zhuǎn)換器的選取1.轉(zhuǎn)換時(shí)間的選擇

10、轉(zhuǎn)換速度是指完成一次a/d轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，是一個(gè)很重要的指標(biāo)。a/d轉(zhuǎn)換器型號不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。通常，8位逐次比較式adc的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右。由于本系統(tǒng)的控制時(shí)間允許，可選8位逐次比較式a/d轉(zhuǎn)換器。2.adc位數(shù)的選擇a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號采集的精度和分辨率。要求精度為0.5%。對于該8個(gè)通道的輸入信號，8位a/d轉(zhuǎn)換器，其精度為輸入為05v時(shí)，分辨率為a/d轉(zhuǎn)換器的滿量程值 adc的二進(jìn)制位數(shù)量化誤差為adc0809是ti公司生產(chǎn)的8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè)8位的逼近型的adc部分，并提供一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯，為模擬通道的設(shè)計(jì)提供了很大的方

11、便。用它可直接將8個(gè)單端模擬信號輸入，分時(shí)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回監(jiān)測、過程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛,所以本設(shè)計(jì)中選用該芯片作為a/d轉(zhuǎn)換電路的核心。1.2 控制與顯示方法分析用單片機(jī)作為這一控制系統(tǒng)的核心，接受來自adc0809的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過串口傳送，由于系統(tǒng)功能簡單，鍵盤僅由兩個(gè)開關(guān)和一個(gè)外部中斷端組成，完成采樣通道的選擇，單片機(jī)通過接口芯片與led數(shù)碼顯示器相連，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示相應(yīng)通道采集到的數(shù)據(jù)。1.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)分析1.復(fù)位電路 單片機(jī)在開機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便中央處理器cpu以及其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。51的rst引腳是復(fù)位信號的輸入端

12、。復(fù)位電平是高電平有效，持續(xù)時(shí)間要有24個(gè)時(shí)鐘周期以上。本系統(tǒng)中單片機(jī)時(shí)鐘頻率為6mhz則復(fù)位脈沖至少應(yīng)為4us。方案一：上電復(fù)位電路圖1-5 上電復(fù)位上電瞬間，rst端的的電位與vcc相同，隨著電容的逐步充電，充電電流減小，rst電位逐漸下降。上電復(fù)位所需的最短時(shí)間是振蕩器建立時(shí)間加上二個(gè)機(jī)器周期，在這段時(shí)間里，振蕩建立時(shí)間不超過10ms。復(fù)位電路的典型參數(shù)為：c取10uf,r取8.2k,故時(shí)間常數(shù)=rc=10108.210=82ms以滿足要求。圖1-6 外部復(fù)位方案二.外部復(fù)位電路按下開關(guān)時(shí)，電源通過電阻對外接電容進(jìn)行充電，使res端為高電平，復(fù)位按鈕松開后，電容通過下拉電阻放電，逐漸使r

13、et端恢復(fù)低電平。方案三：上電外部復(fù)位電路圖1-7 外部上電復(fù)位 典型的上電外部復(fù)位電路是既具有上電復(fù)位又具有外部復(fù)位電路，上電瞬間，c與rx構(gòu)成充電電路，rst引腳出現(xiàn)正脈沖，只要rst保持足夠的高電平，就能使單片機(jī)復(fù)位。一般取c=22uf，r=200,rx=1k,此時(shí)=2210110=22ms當(dāng)按下按鈕，rst出現(xiàn)5=4.2v時(shí)，使單片機(jī)復(fù)位。2.振蕩源 在mcs-51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳xtal1(19)、xtal2(18)分別是此放大器的輸入端和輸出端。方案一：內(nèi)部方式與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起組成一個(gè)自激振蕩器。方案二：外部方式 外部振蕩器信

14、號的接法與芯片類型有關(guān)。cmos工藝的mcu其xtal1端接外部時(shí)鐘信號，xtal2端可懸空。hmos工藝的mcu則xtal2端接外部時(shí)鐘信號，xtal1端須接地。在mcs-51單片機(jī)系列芯片中，用8051或8751芯片可以構(gòu)成最小系統(tǒng)。因?yàn)?051和8751是片內(nèi)有rom/eprom的單片機(jī)，用這種芯片構(gòu)成的單片及最小系統(tǒng)簡單、可靠。8051構(gòu)成的最小系統(tǒng)特點(diǎn)：l 受集成度所限，只能用于小型控制單元。l 有可供用戶使用的大量的i/o口線。l 僅有芯片內(nèi)部的存儲器，故存儲器的容量有限。l 8051的應(yīng)用軟件要依靠半導(dǎo)體掩膜技術(shù)植入，適于在大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)中使用。1.2.2 顯示與鍵盤分析

15、對系統(tǒng)發(fā)出命令和輸出顯示測量結(jié)果，主要是由鍵盤和led數(shù)碼顯示器組成。緩慢變化信號和直流信號，要求用數(shù)碼管適時(shí)地進(jìn)行十進(jìn)制顯示，由于精度要達(dá)到0.5%，所以這里用5只led數(shù)碼顯示器來表示該十進(jìn)制數(shù)，用兩只七段數(shù)碼顯示器表示通道號。為實(shí)現(xiàn)通道的選取，用鍵盤實(shí)現(xiàn)控制功能。1譯碼方法用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)led數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)（掃描）顯示，按譯碼方式可分硬件譯碼和軟件譯碼之分。方案一：硬件譯碼硬件譯碼就是顯示的段碼完全由硬件完成，cpu只要送出標(biāo)準(zhǔn)的bcd碼即可，硬件接線有一定標(biāo)準(zhǔn)。方案二：軟件譯碼 軟件譯碼是用軟件來完成硬件的功能，接線靈活，顯示段碼完全由軟件來處理，是目前

16、常用的顯示驅(qū)動(dòng)方式。2顯示方法 在該單片機(jī)系統(tǒng)中，使用7段led顯示器構(gòu)成8位顯示器，段選線控制顯示的字符，位選線控制顯示位的亮或暗。方案一：靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示，顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不用再管，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳送一次數(shù)據(jù)。編程容易，管理簡單，顯示亮度高，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的cpu時(shí)間。但引線多，線路復(fù)雜，硬件成本高。方案二：動(dòng)態(tài)顯示動(dòng)態(tài)顯示需要cpu時(shí)刻對顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)會有閃爍感，占用的cpu時(shí)間多。這兩種顯示方式各有利弊；靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的cpu時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的硬件較多；

17、動(dòng)態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的cpu時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。當(dāng)顯示裝置中有多個(gè)多段led時(shí)，通常采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)省開銷。3顯示接口芯片的選擇方案一：8279接口芯片8279是intel公司的通用可編程鍵盤和顯示器接口電路芯片，內(nèi)部有顯示ram。8279可以實(shí)現(xiàn)對鍵盤和顯示器的自動(dòng)掃描，識別閉合鍵的鍵號，完成顯示器的動(dòng)態(tài)顯示。從而大大節(jié)省了cpu處理鍵盤和顯示器的時(shí)間，提高了cpu的工作效率。另外，8279與單片機(jī)的接口簡單，顯示穩(wěn)定，工作可靠。但8279所需外圍元件多（顯示驅(qū)動(dòng)、譯碼等）、命令字多，調(diào)試?yán)щy，占用電路板面積大、綜合成本高，在中小系統(tǒng)中常常大材小用。方案二

18、：8155接口芯片采用并行口擴(kuò)展芯片擴(kuò)展并行口的方法來設(shè)計(jì)顯示系統(tǒng)。用做顯示系統(tǒng)的傳統(tǒng)的芯片有8155、8255、8279等。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是速度快，顯示數(shù)據(jù)簡單。缺點(diǎn)是，占用單片機(jī)口線多。如用8155，其內(nèi)部集成有：256個(gè)字節(jié)的sram、一個(gè)14位二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器和3個(gè)并行端口pa、pb和pc。但此方案同樣需要驅(qū)動(dòng)顯示，同時(shí)顯示掃描還需占用cpu大量時(shí)間。但為設(shè)計(jì)的簡單化帶來方便，所以采用該芯片作為顯示接口芯片，a口為位選線，b口為段選線。4鍵盤電路的確定 為了在控制系統(tǒng)中完成采集通道的選擇，還需要為該系統(tǒng)設(shè)置鍵盤。由于功能要求簡單，僅用兩個(gè)按鍵即可完成選擇功能，降低了系統(tǒng)的硬件開銷，軟件

19、處理簡單。1.3 傳輸方式分析1.傳輸方式的選擇串行通信有同步和異步兩種工作方式。方案一：同步方式要求發(fā)送與接受保持嚴(yán)格同步，由于串行傳輸逐位按順序進(jìn)行，為了約定數(shù)據(jù)是由哪一位開始傳輸，需設(shè)定同步字符。此方式傳輸速度快，但硬件復(fù)雜。方案二：異步方式，規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸格式，每個(gè)數(shù)據(jù)均以相同的幀格式傳送，每幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶效驗(yàn)位和停止位組成。幀與幀間用高電平分隔開，但每幀均需附加位，降低了傳輸效率。異步通信依靠起始位、停止位保持通信同步。對硬件的要求低，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單、靈活，適用于數(shù)據(jù)的隨機(jī)發(fā)送/接收，一般適用于509600bps的低速串行通信。2.電平轉(zhuǎn)換芯片選擇rs-232規(guī)定的電

20、平和一般微處理器的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。方案一：采用mcl488和mcl489芯片的轉(zhuǎn)換接口mcl488和mcl489芯片為早期的rs-232至ttl邏輯電平的轉(zhuǎn)換芯片，需要±12v電壓，并且功耗較大，不適合用于低功耗的系統(tǒng)。方案二：采用max232芯片的轉(zhuǎn)換接口max232是maxim公司的產(chǎn)品，包含兩路驅(qū)動(dòng)器和接收器的rs-232轉(zhuǎn)換芯片。芯片內(nèi)部有一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5v電壓轉(zhuǎn)換為rs-232接口所需的±10v電壓，尤其適用于沒有±12v的單電源系統(tǒng)。由于rs-232信號電平與msc-51型單片機(jī)信號電平（ttl電平）不一致，因此采用r

21、s-232標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須進(jìn)行信號的電平轉(zhuǎn)換。rs-232與ttl電平轉(zhuǎn)換芯片各有特點(diǎn)，此處選用maxim公司的max232芯片。小結(jié)：經(jīng)簡單的理論分析，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分核心采用adc0809，單片機(jī)系統(tǒng)選用8051構(gòu)成的最小系統(tǒng)，用led動(dòng)態(tài)顯示采集到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸則選用rs232標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與pc機(jī)的通信。第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 信號調(diào)理電路信號調(diào)理的任務(wù) 將被測對象的輸出信號變換成計(jì)算機(jī)要求的輸入信號。圖2-1 信號調(diào)理過程對于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道，設(shè)置多路選擇開關(guān)，可降低硬件開銷。如圖2-1所示。為避免小信號通過模擬開關(guān)造成較大的附加誤差，在傳感器輸出信號過小時(shí)，每個(gè)通

22、道應(yīng)設(shè)前置放大環(huán)節(jié)（本文可不加以考慮）。2.2 數(shù)據(jù)采集電路把連續(xù)變化量變成離散量的過程稱為量化，也可理解為信號的采樣。 把以一定時(shí)間間隔t逐點(diǎn)采集連續(xù)的模擬信號，并保持一個(gè)時(shí)間t，使被采集的信號變成時(shí)間上離散、幅值等于采樣時(shí)刻該信號瞬時(shí)值的一組方波序列信號，即采樣信號。2.2.1 a/d轉(zhuǎn)換的一般步驟1.采樣-保持為了能不失真的恢復(fù)原模擬信號，采樣頻率應(yīng)不小于輸入模擬信號的頻譜中最高頻率的兩倍，這就是采樣定理，即 由于a/d轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在每次采樣結(jié)束后，應(yīng)保持采樣電壓在一段時(shí)間內(nèi)不變，直到下一次采樣的開始。實(shí)際中采樣-保持是做成一個(gè)電路。2.量化與編碼模擬信號經(jīng)采樣-保持電路后，

23、得到了連續(xù)模擬信號的樣值脈沖，他們是連續(xù)模擬信號在給定時(shí)刻上的瞬時(shí)值，并不是數(shù)字信號。還要把每個(gè)樣值脈沖轉(zhuǎn)換成與它幅值成正比的數(shù)字量。以上為a/d轉(zhuǎn)換的一般步驟，在本電路中由adc0809芯片完成。2.2.2 adc0809內(nèi)部功能與引腳介紹分辨率和精度在第一章中已作了相應(yīng)的計(jì)算和分析。adc0809八位逐次逼近式ad轉(zhuǎn)換器是一種單片cmos器件，包括8位模擬轉(zhuǎn)換器、8通道轉(zhuǎn)換開關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。8路轉(zhuǎn)換開關(guān)能直接連通8個(gè)單端模擬信號中的任何一個(gè)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2 adc0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.adc0809主要性能u 逐次比較型u cmos工藝制造u 單電源供電u

24、無需零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整u 具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與ttl兼容u 易與各種微控制器接口u 具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)u 分辨率：8位u 功耗：15mwu 最大不可調(diào)誤差小于±1lsb（最低有效位）u 轉(zhuǎn)換時(shí)間（）128usu 轉(zhuǎn)換精度：u adc0809沒有內(nèi)部時(shí)鐘，必須由外部提供，其范圍為101280khz。典型時(shí)鐘頻率為640khz2.引腳排列及各引腳的功能，引腳排列如圖2-3所示。各引腳的功能如下：in0in7：8個(gè)通道的模擬量輸入端?？奢斎?5v待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。d0d7：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。三態(tài)輸出，d7是最高位，d0是最低位。a、b、c：通道選擇端。當(dāng)cba=000時(shí)，

25、in0輸入；當(dāng)cba=111時(shí)，in7輸入。圖2-3 a/dc0809引腳ale：地址鎖存信號輸入端。該信號在上升沿處把a(bǔ)、b、c的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開關(guān)的地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號中的某一路。start：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號輸入端。從start端輸入一個(gè)正脈沖，其下降沿啟動(dòng)adc0809開始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于100200ns。eoc：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換時(shí)它自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?。oe：輸出允許端。clk：時(shí)鐘輸入端。adc0809的典型時(shí)鐘頻率為640khz，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100s。ref(-)、ref(+)：參考電壓輸入端。adc0809的參考電壓為5v。vcc、gnd：供電電

26、源端。adc0809使用5v單一電源供電。當(dāng)ale為高電平時(shí)，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在start上升沿時(shí)，所有的內(nèi)部寄存器清零，在下降沿時(shí)，開始進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，此期間start應(yīng)保持低電平。在start下降沿后10us左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號變?yōu)榈碗娖?，eoc為低電平時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。oe為低電平時(shí)，d0d7為高阻狀態(tài)，oe為高電平時(shí)，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。2.2.3 adc0809與mcs-51系列單片機(jī)的接口方法adc0809與8051單片機(jī)的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時(shí)等待方式，本題中選用中斷接口方式。由于adc080

27、9無片內(nèi)時(shí)鐘，時(shí)鐘信號可由單片機(jī)的ale信號經(jīng)d觸發(fā)器二分頻后獲得。ale引腳得脈沖頻率是8051時(shí)鐘頻率的1/6。該題目中單片機(jī)時(shí)鐘頻率采用6mhz,則ale輸出的頻率是1mhz，二分頻后為500hz,符合adc0809對頻率的要求。由于adc0809內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，所以通道地址由p0口的低3位直接與adc0809的a、b、c相連。通道基本地址為0000h0007h。其對應(yīng)關(guān)系如表2-1所示。地址碼輸入通道cba000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7表2-1 0809輸入通道地址控制信號：將p2.7作為片選信號，在啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換時(shí)

28、，由單片機(jī)的寫信號和p2.7控制adc的地址鎖存和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。由于ale和start連在一起，因此adc0809在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號和p2.7引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖作為oe信號，用一打開三態(tài)輸出鎖存器。其接口電路如圖2-4所示。圖 2-4 adc0809與mcs-51的接口電路start信號和oe信號的邏輯表達(dá)式為圖2-5 adc0809時(shí)序圖當(dāng)8051通過對0000h0007h（基本地址）中的某個(gè)口地址進(jìn)行一次寫操作，即可啟動(dòng)相應(yīng)通道的ad轉(zhuǎn)換；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后,adc0809的eoc端向8051發(fā)出中斷申請信號；8051通過對0000h0007h

29、中的某個(gè)口地址進(jìn)行一次讀操作，即可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。注：adc0809的基準(zhǔn)電壓可通過基準(zhǔn)電壓芯片供給，如max875,可供給5v基準(zhǔn)電壓。2.4 控制器、振蕩源和復(fù)位電路 復(fù)位即回到初始狀態(tài)，是單片機(jī)經(jīng)常進(jìn)入的工作狀態(tài)。單片機(jī)振蕩電路的振蕩周期和時(shí)鐘電路的時(shí)鐘周期決定了cpu的時(shí)序。1復(fù)位電路圖2-6上電外部復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。無論是hmos還是chmos型，在振蕩器正運(yùn)行的情況下，rst引腳保持二個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)間的高電平，系統(tǒng)復(fù)位。在rst端出現(xiàn)高電平的第二個(gè)周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個(gè)周期復(fù)位一次，直至rst端變低。本文采用上電外部復(fù)位電路，如圖2-6所示，相關(guān)參數(shù)為

30、典型值。2.振蕩源圖2-7 內(nèi)部振蕩器方式內(nèi)部方式時(shí)鐘電路如圖2-7所示。外接晶體以及電容、構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，一般晶振可在212mhz之間任選。對外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。外接晶體時(shí)，和通常選30pf左右；外接陶瓷諧振器時(shí)，和的典型值為47pf。2.5 鍵盤與顯示電路1.鍵盤鍵盤由一組常開按鍵開關(guān)組成。鍵盤系統(tǒng)的主要工作包括及時(shí)發(fā)現(xiàn)有鍵閉合，并作相應(yīng)的處理。圖2-8 鍵盤硬件邏輯本系統(tǒng)中采用中斷方式的開關(guān)代替鍵盤，完成采集通道的選擇。硬件邏輯如圖2-8所示。2.

31、顯示顯示部分為8個(gè)共陰極的七段led顯示器，8個(gè)七段led的adp字段的引腳分別由8個(gè)oc門同相驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。oc門驅(qū)動(dòng)器用7407，當(dāng)7407輸出低電平時(shí)，沒有電流流過led，當(dāng)7407輸出為開路狀態(tài)時(shí)，電流經(jīng)100限流電阻流入led顯示器，每個(gè)七段led的公共端都接一個(gè)反相驅(qū)動(dòng)器，反相驅(qū)動(dòng)器使用75452，當(dāng)某一字段需要亮?xí)r，該led公共端的反相驅(qū)動(dòng)器必須是低電平輸出，并且這一字段的同相驅(qū)動(dòng)器必須是高電平輸出。單片機(jī)通過8155接口芯片的a口位選，經(jīng)b口確定那些字段led發(fā)光。led發(fā)光時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算如下，每一字段脈沖電流led正向壓降晶體管的飽和壓降公共端最大電流原理圖如圖2-9所示圖2

32、-9 顯示電路原理圖 2.6 通信電路51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，所以單片機(jī)和pc之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通信時(shí)要滿足一定的條件，如pc的串口是rs232電平的，而單片機(jī)的串口是ttl電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，這里用專用芯片max232進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用專用芯片更簡單可靠。max232如圖2-10所示。它包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5v電壓變換位rs-232輸出電平所需的+10v電壓。所以，用該芯片接口的串行通信只需單一的+5v電源就可以了。其應(yīng)用性更強(qiáng)。圖2-10（b）中上半部電容、及，是電源變換部分。實(shí)際應(yīng)用中，器件對電源噪聲很敏

33、感。因此，對地需要加去耦電容，其值為1.0uf。電容、取同樣數(shù)值的電解電容，以提高抗干擾能力。(a)(b)圖2-10 max232引腳圖和電容典型參數(shù)圖2-10（b）下半部分為發(fā)送和接收部分，可直接接ttl/cmos電平的mcs-51型單片機(jī)的串行發(fā)送端txd；,可直接接ttl/cmos電平的mcs-51型單片機(jī)的串行接受端rxd；，可直接接pc機(jī)的rs-232串口接受端rxd；,可直接接pc機(jī)的rs-232串口發(fā)送端txd。硬件原理圖如圖2-11所示。圖2-11 通信接口電路串口通信的硬件連接采用三線制連接串口，就是說和pc的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的gnd、第2腳的rxd、第3腳

34、的txd。這是最簡單的連接方法，但是對本題來說已經(jīng)足夠了，max232的第11腳和單片機(jī)的11號引腳連接，第12腳和單片機(jī)的10腳連接，第15腳和單片機(jī)的20腳連接。max232的第14腳和pc機(jī)串口的2號引腳連接，第13腳和pc機(jī)串口的3號引腳連接，第15腳和pc機(jī)串口的5號引腳連接。結(jié)論、討論和建議數(shù)據(jù)采集技術(shù)可應(yīng)用于不同的工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場，是一項(xiàng)非常實(shí)用的技術(shù)。通過對數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)某醪窖芯?，?051、adc0809、pc機(jī)和一些相關(guān)接口建立起這樣一個(gè)基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的硬件平臺，配合相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)對8路模擬量的采集與傳輸。由于時(shí)間，水平有限本論文還有許多部分未能詳細(xì)分析，在此僅

35、作簡單了解和認(rèn)識。信號采集過程中，被測量一般由傳感器供給，常為微弱信號，需要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由于此處輸入信號滿足a/d轉(zhuǎn)換器的輸入要求，所以本文并為詳細(xì)討論。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中必不可少。信號調(diào)理的任務(wù)就是將被測對象的輸出信號變換成計(jì)算機(jī)要求的輸入信號。信號調(diào)理包括：阻抗匹配、放大電路、隔離電路、濾波等。a.阻抗匹配放大電路與傳感器之間往往存在阻抗不匹配的現(xiàn)象，信號要進(jìn)入a/d轉(zhuǎn)換器也存在阻抗匹配問題，阻抗不匹配會使信號在傳輸過程中嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致嚴(yán)重檢測誤差，調(diào)理過程中必須十分注意阻抗匹配問題，一般阻抗匹配可以由運(yùn)放組成的跟隨器完成。b.信號放大電路信號放大電路是信號調(diào)理電路的核心，一般傳感器輸出的物理信號量幅值很小，需要通過放大調(diào)理電路來增加分辨率和敏感性，將輸入信號放大為a/d轉(zhuǎn)換所需要的電壓范圍，為了獲得盡可能高的精度，應(yīng)將輸入信號放大至與adc量程相當(dāng)?shù)某潭?。c.信號隔離電路隔離是指使用變壓器、光電耦合或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)中與測試系統(tǒng)之間傳輸信號，避免直流的電流或電壓的物理連接的一種