ADC0809和51單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　“數(shù)據(jù)采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬物理量采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示和打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　本文的主要任務(wù)是對0～5V的直流電壓進(jìn)行測量并送到遠(yuǎn)端的PC機(jī)上進(jìn)行顯示。由于采集的是直流信號，對于緩慢變化的信號不必加采樣保持電路，因此選用市面上比較常見的逐次逼近型ADC0809芯片，該芯片轉(zhuǎn)換速度快，價(jià)格低廉，可以直接將直流電壓轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字量。同時(shí)選用低功耗的LCD顯示器件來滿足其在終端顯示采集結(jié)果的需求。終端鍵盤控制采用盡可能少的鍵來實(shí)現(xiàn)控制功能，為了防止鍵盤不用時(shí)的誤操作，設(shè)計(jì)時(shí)還設(shè)置了鎖鍵功能，在鍵盤的輸入消抖方面，則采用軟件消抖方法來降低硬件開銷，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。軟件設(shè)計(jì)方面則采用功能模塊化的設(shè)計(jì)思想;鍵盤模數(shù)轉(zhuǎn)換等采用中斷方式來實(shí)現(xiàn)，從而大大提高了單片機(jī)的效率以及實(shí)時(shí)處理能力。

　　1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般由信號調(diào)理電路、多路切換電路、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)等組成。本文主要完成功能的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

　　圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

　　2 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介

　　2.1 ADC0809的結(jié)構(gòu)功能

　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為處理器。電子計(jì)算機(jī)所處理和傳輸?shù)亩际遣贿B續(xù)的數(shù)字信號，而實(shí)際中遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后，需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換將其變成數(shù)字信號才可以輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制，因此，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的接口電路，即A/D轉(zhuǎn)換器就是現(xiàn)實(shí)信號轉(zhuǎn)換的橋梁。

　　目前，世界上有多種類型的A/D轉(zhuǎn)換器，如并行比較型、逐次逼近型、積分型等。本文采用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，該類A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高，速度快，價(jià)格適中，是目前種類最多，應(yīng)用最廣的A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成。

　　ADC0809就是一種CMOS單片逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力。該器件既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。其輸入輸出與TTL兼容。

　　ADC0809是8路8位A/D轉(zhuǎn)換器(即分辨率8位)，具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs采用單+5V電源供電，模擬輸入電壓范圍為0～+5V，且不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)，工作溫度范圍為-40～+85℃功耗可抵達(dá)約15mW。

　　ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，圖3所示是其引腳排列圖。各引腳的功能如下：

　　圖3 ADC0809的引腳排列圖

　　IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端;

　　D0～D7：8位數(shù)字量輸出端;

　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路;

　　ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效;

　　START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效;

　　EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平);

　　OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平才能打開輸出三態(tài)門，輸出為數(shù)字量;

　　CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高640kHz;

　　REF(+)、REF(-)：基準(zhǔn)電壓;

　　Vcc：電源，單一+5V;

　　GND：地。

　　ADC0809工作時(shí)，首先輸入3位地址，并使ALE為1，以將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼可選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位;下降沿則啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后，EOC輸出信號變低，以指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，并將結(jié)果數(shù)據(jù)存入鎖存器，這個(gè)信號也可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，ADC的輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量可輸出到數(shù)據(jù)總線。

　　A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號采集的精度和分辨率。對于8通道的輸入信號，其分辨率為0.5%。8位A/D轉(zhuǎn)換器的精度為：

　　2.2 ADC0809的工作時(shí)序

　　圖4所示是ADC0809的工作時(shí)序圖。從該時(shí)序圖可以看出，地址鎖存信號ALE在上升沿將三位通道地址鎖存，相應(yīng)通道的模擬量經(jīng)過多路模擬開關(guān)送到A/D轉(zhuǎn)換器。啟動信號START上升沿復(fù)位內(nèi)部電路，START的下降沿啟動轉(zhuǎn)換，此時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC呈低電平狀態(tài)，由于逐位逼近需要一定過程，所以，在此期間，模擬輸入量應(yīng)維持不變，比較器要一次次比較，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)變?yōu)楦唠娖?。若CPU發(fā)出輸出允許信號OE(輸出允許為高電平)，則可讀出數(shù)據(jù)。另外，ADC0809具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，同時(shí)受溫度影響也較小。

　　2.3 ADC0809與MCS-51單片機(jī)的接口電路

　　ADC0809與MCS-51系列單片機(jī)的接口電路如圖5所示。圖中，74LS373輸出的低3位地址A2、A1、A0加到通道選擇端A、B、C，可作為通道編碼。其通道基本地址為0000H～0007H。8051的WR與P2.7經(jīng)過或非門后，可接至ADC0809的START及ALE引腳。8051的RD與P2.7經(jīng)或非門后則接至ADC0809的OE端。ADC0809的EOC經(jīng)反相后接到8051單片機(jī)的P3.3(INT1)。