基于8051和ADC0809CCN的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)98437

...34-/NUMPAGES34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(hào)采集分析31.1.1信號(hào)采集31.1.2A/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(hào)調(diào)理電路32.2數(shù)據(jù)采集電路32.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟32.2.2ADC0809部功能與引腳介紹32.2.3ADC0809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)33.1A/D轉(zhuǎn)換33.2標(biāo)度變換33.3數(shù)制轉(zhuǎn)換33.4鍵盤程序33.5LED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……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….……………………….前言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普與，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(cè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量與壓力等參數(shù)。同時(shí)，還要對(duì)某一檢測(cè)點(diǎn)任意參數(shù)能夠進(jìn)行隨機(jī)查尋，將其在某一時(shí)間段檢測(cè)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(shì)必將得到越來越多的應(yīng)用，為適應(yīng)這一趨勢(shì)，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(shí)的重要手段之一?？傊?，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(duì)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(duì)社會(huì)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(cè)或巡回檢測(cè)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲(chǔ)、處理、分析計(jì)算以與從檢測(cè)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(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出與顯示這五個(gè)部分組成。輸入通道要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)，采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理要用存儲(chǔ)器把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)對(duì)象特征的重要信息。另外，就是對(duì)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)輸出與顯示就是把數(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(duì)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)采集以與怎樣進(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：信號(hào)調(diào)理電路8路模擬信號(hào)的產(chǎn)生與A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送端的數(shù)據(jù)采集與傳輸控制器人機(jī)通道的接口電路數(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(hào)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)框圖圖1-1一般系統(tǒng)框圖1.1信號(hào)采集分析被測(cè)電壓為0～5V直流電壓，可通過電位器調(diào)節(jié)產(chǎn)生。1.1.1信號(hào)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(duì)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(hào)來自脈沖分配器，在時(shí)鐘脈沖的推動(dòng)下，這些控制信號(hào)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(chǔ)器中，存放若干種信號(hào)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(chǔ)器中讀出的指令確定。即改變存儲(chǔ)器中的指令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)采集方式圖1-3程序控制數(shù)據(jù)采集原理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(hào)時(shí)，一般用多路模擬開關(guān)巡回檢測(cè)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(cè)對(duì)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(hào)時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器前端還需加采樣/保持(S/H)電路。待測(cè)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(cè)信號(hào)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(duì)其進(jìn)行必要的處理，即信號(hào)調(diào)理。如對(duì)信號(hào)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(hào)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(cè)量為0～5V直流信號(hào)，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)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(hào)和直流信號(hào)，采樣保持電路可以省略。1.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的選取1.轉(zhuǎn)換時(shí)間的選擇轉(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(hào)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(hào)采集的精度和分辨率。要求精度為0.5%。對(duì)于該8個(gè)通道的輸入信號(hào)，8位A/D轉(zhuǎn)換器，其精度為輸入為0～5V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)提供了很大的方便。用它可直接將8個(gè)單端模擬信號(hào)輸入，分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回監(jiān)測(cè)、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(jiǎn)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以與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(hào)的輸入端。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一樣，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)圖1-5上電復(fù)位=RC=10108.210=82ms以滿足要求。圖1-6外部復(fù)位方案二.外部復(fù)位電路圖1-6外部復(fù)位按下開關(guān)時(shí)，電源通過電阻對(duì)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RET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。圖1-7外部上電復(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：部方式與作為反饋元件的片外晶體或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號(hào)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(hào)，XTAL2端可懸空。HMOS工藝的MCU則XTAL2端接外部時(shí)鐘信號(hào)，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是片有ROM/EPROM的單片機(jī)，用這種芯片構(gòu)成的單片與最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。8051構(gòu)成的最小系統(tǒng)特點(diǎn)：受集成度所限，只能用于小型控制單元。有可供用戶使用的大量的I/O口線。僅有芯片部的存儲(chǔ)器，故存儲(chǔ)器的容量有限。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顯示與鍵盤分析對(duì)系統(tǒng)發(fā)出命令和輸出顯示測(cè)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(hào)和直流信號(hào)，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(hào)。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(jiǎn)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(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)會(huì)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；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，部有顯示RAM。8279可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤和顯示器的自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，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(jiǎn)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。方案二：8155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(jiǎn)單。缺點(diǎn)是，占用單片機(jī)口線多。如用8155，其部集成有：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(jiǎn)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(jiǎn)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，軟件處理簡(jiǎn)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)均以一樣的幀格式傳送，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(duì)硬件的要求低，實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單、靈活，適用于數(shù)據(jù)的隨機(jī)發(fā)送/接收，一般適用于50～9600bps的低速串行通信。2.電平轉(zhuǎn)換芯片選擇RS-232規(guī)定的電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(hào)電平與MSC-51型單片機(jī)信號(hào)電平（TTL電平）不一致，因此采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須進(jìn)行信號(hào)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(jiǎn)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(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理的任務(wù)將被測(cè)對(duì)象的輸出信號(hào)變換成計(jì)算機(jī)要求的輸入信號(hào)。圖2-1信號(hào)調(diào)理過程對(duì)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(hào)通過模擬開關(guān)造成較大的附加誤差，在傳感器輸出信號(hào)過小時(shí)，每個(gè)通道應(yīng)設(shè)前置放大環(huán)節(jié)（本文可不加以考慮）。圖2-1信號(hào)調(diào)理過程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(hào)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(hào)，并保持一個(gè)時(shí)間t，使被采集的信號(hào)變成時(shí)間上離散、幅值等于采樣時(shí)刻該信號(hào)瞬時(shí)值的一組方波序列信號(hào)，即采樣信號(hào)。2.2.1A/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(hào)，采樣頻率應(yīng)不小于輸入模擬信號(hào)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(hào)經(jīng)采樣-保持電路后，得到了連續(xù)模擬信號(hào)的樣值脈沖，他們是連續(xù)模擬信號(hào)在給定時(shí)刻上的瞬時(shí)值，并不是數(shù)字信號(hào)。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。2.2.2ADC0809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A／D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(hào)中的任何一個(gè)。其部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-2ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.ADC0809主要性能逐次比較型CMOS工藝制造單電源供電無需零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與TTL兼容易與各種微控制器接口具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)分辨率：8位功耗：15mW最大不可調(diào)誤差小于±1LSB（最低有效位）轉(zhuǎn)換時(shí)間（）128us轉(zhuǎn)換精度：ADC0809沒有部時(shí)鐘，必須由外部提供，其圍為10～1280kHz。典型時(shí)鐘頻率為640kHz2.引腳排列與各引腳的功能，引腳排列如圖2-3所示。各引腳的功能如下：IN0～I(xiàn)N7：8個(gè)通道的模擬量輸入端?？奢斎?～5V待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。D0～D7：8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)，IN0輸入；當(dāng)CBA=111時(shí)，IN7輸入。圖2-3A/DC0809引腳ALE：地址鎖存信號(hào)輸入端。該信號(hào)在上升沿處把A、B、C的狀態(tài)鎖存到部的多路開關(guān)的地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號(hào)中的某一路。圖2-3A/DC0809引腳START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)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100～200ns。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)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100μs。REF(-)、REF(+)：參考電壓輸入端。ADC0809的參考電壓為＋5V。VCC、GND：供電電源端。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(hào)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)，D0～D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時(shí)，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。2.2.3ADC0809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ADC0809無片時(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào)可由單片機(jī)的ALE信號(hào)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(duì)頻率的要求。由于ADC0809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0000H～0007H。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2-1所示。地址碼輸入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表2-10809輸入通道地址表2-10809輸入通道地址控制信號(hào)：將P2.7作為片選信號(hào)，在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)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(hào)和P2.7引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖作為OE信號(hào)，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圖2-4ADC0809與MCS-51的接口電路START信號(hào)和OE信號(hào)的邏輯表達(dá)式為圖2-5ADC0809時(shí)序圖當(dāng)8051通過對(duì)0000H～0007H（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A／D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(qǐng)信號(hào)；8051通過對(duì)0000H～0007H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。圖2-5ADC0809時(shí)序圖注：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)為典型值。圖2-6上電外部復(fù)位電路2.振蕩源圖2-7內(nèi)部振蕩器方式部方式時(shí)鐘電路如圖2-7所示。外接晶體以與電容、構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，一般晶振可在2～12MHz之間任選。對(duì)外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會(huì)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；外接瓷諧振器時(shí)，和的典型值為47pF。圖2-7內(nèi)部振蕩器方式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)的主要工作包括與時(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。圖2-8鍵盤硬件邏輯2.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a～dp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2-9顯示電路原理圖圖2-9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(jiǎn)單可靠。MAX232如圖2-10所示。它包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，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、、、與，是電源變換部分。實(shí)際應(yīng)用中，器件對(duì)電源噪聲很敏感。因此，對(duì)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)(a)(b)圖2-10MAX232引腳圖和電容典型參數(shù)圖2-10MAX232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腳的TXD。這是最簡(jiǎn)單的連接方法，但是對(duì)本題來說已經(jīng)足夠了，MAX232的第11腳和單片機(jī)的11號(hào)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(hào)引腳連接，第13腳和PC機(jī)串口的3號(hào)引腳連接，第15腳和PC機(jī)串口的5號(hào)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(chǎng)，是一項(xiàng)非常實(shí)用的技術(shù)。通過對(duì)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(tái)，配合相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)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，在此僅作簡(jiǎn)單了解和認(rèn)識(shí)。信號(hào)采集過程中，被測(cè)量一般由傳感器供給，常為微弱信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由于此處輸入信號(hào)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(hào)調(diào)理的任務(wù)就是將被測(cè)對(duì)象的輸出信號(hào)變換成計(jì)算機(jī)要求的輸入信號(hào)。信號(hào)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