基于51单片机和ADC0809多通道模数转换的设计与实现

目录摘要........................................................................11、方案设计.................................................................22、硬件电路的设计...........................................................22.1单片机的最小系统设计.................................................22.2ADC0809模数转换器设计电路...........................................32.2.1ADC0809的结构功能.............................................32.2.2ADC0809的工作时序.............................................62.2.3ADC0809与AT89C52单片机的接口电路.............................72.3LCD1602显示电路.....................................................82.4键盘与单片机连接电路...............................................102.5系统整体电路图......................................................103、软件设计................................................................114、系统仿真和测试结果......................................................125、性能分析................................................................136、心得与体会..............................................................147、参考文献................................................................14附录一：源程序.............................................................14附录二：本科生能力拓展训练成绩评定表.......................................20武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书1摘要本文介绍了基于单片机的数据采集的硬件设计和软件设计，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有非常重要的作用。本文介绍的重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机。硬件部分是以单片机为核心，还包括A/D模数转换模块，LCD1602显示模块部分。8路被测电压通过模数转换器ADC0809进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过LCD1602显示器来显示所采集的结果，并且可以通过按键来查看任意通路的电压值，整个系统具有操作方便、线路简单、测量误差小等优点。关键词：单片机AT89S52、模数转换器ADC0809、数据采集、LCD1602显示器武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书21、方案设计根据设计要求，采用的方案如下：硬件部分实现对8路数据采集和显示的功能，包括MCS-51单片机、ADC0809、LCD1602；软件部分实现单片机对8路输入数据的采集以及对LCD1602的显示操作。主要设计思想：单片机P1与ADC0809相连，P0与LCD1602连接。模拟信号通过IN0——IN7输入到ADC0809中转换为数字信号，P1获得此值后，经过处理得到每位的数据后，通过P0口写数据到LCD屏上。数据采集电路的原理框如图1所示。图1数据采集电路的原理框图2、硬件电路的设计2.1单片机的最小系统设计单片机最小系统是能补足单片机工作的最简单电路，它由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路等构成。它是本系统的处理单元也是控制单元，负责处理信号、外设的接口与控制，同时它也是所有软件的载体。本系统采用AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。模拟输入通道1模拟输入通道2模拟输入通道8ADC0809MCS-51单片机LCD1602显示器武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书3RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。其管脚如下图2所示：图2AT89C52单片机管脚图本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接。单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。如图3所示。图3单片机最小系统2.2ADC0809模数转换器设计电路2.2.1ADC0809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武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书4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，其内部结构如图4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。图4ADC0809内部结构ADC0809是8路8位A／D转换器(即分辨率8位)，具有转换启停控制端，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5所示是其引脚排列图。武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书5图5ADC0809的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的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通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。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，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，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书6送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。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：0.4%。2.2.2ADC0809的工作时序图6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，比较器要武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书7一次次比较，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。图6ADC0809的工作时序图2.2.3ADC0809与AT89C52单片机的接口电路ADC0809与AT89C52单片机的接口电路如图7所示。图中，P2.0、P2.1、P2.2输出的低3位地址加到通道选择端A、B、C，可作为通道编码。其通道基本地址为0000H～0007H。输出数据与P0口连接，CLOCK、ALE一起与P2.4相连，START和P2.5连接，EOC与P2.3相连，OE和P2.6相连。图7ADC0809与AT89C52单片机接口电路武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书