ADC0809和51單片機的多路數據采集系統設計方案

　　“數據采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬物理量采集并轉換成數字量后，再由計算機進(jìn)行存儲、處理、顯示和打印的過(guò)程，相應的系統稱(chēng)為數據采集系統。

　　本文的主要任務(wù)是對0～5V的直流電壓進(jìn)行測量并送到遠端的PC機上進(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(jiàn)的逐次逼近型ADC0809芯片，該芯片轉換速度快，價(jià)格低廉，可以直接將直流電壓轉換為計算機可以處理的數字量。同時(shí)選用低功耗的LCD顯示器件來(lái)滿(mǎn)足其在終端顯示采集結果的需求。終端鍵盤(pán)控制采用盡可能少的鍵來(lái)實(shí)現控制功能，為了防止鍵盤(pán)不用時(shí)的誤操作，設計時(shí)還設置了鎖鍵功能，在鍵盤(pán)的輸入消抖方面，則采用軟件消抖方法來(lái)降低硬件開(kāi)銷(xiāo)，提高系統的抗干擾能力。軟件設計方面則采用功能模塊化的設計思想;鍵盤(pán)模數轉換等采用中斷方式來(lái)實(shí)現，從而大大提高了單片機的效率以及實(shí)時(shí)處理能力。

　　1 數據采集系統的硬件結構

　　數據采集系統的硬件結構一般由信號調理電路、多路切換電路、采樣保持電路、A/D轉換器以及單片機等組成。本文主要完成功能的系統硬件框圖如圖1所示。

　　圖1 數據采集系統硬件設計框圖

　　2 ADC0809模數轉換器簡(jiǎn)介

　　2.1 ADC0809的結構功能

　　本數據采集系統采用計算機作為處理器。電子計算機所處理和傳輸的都是不連續的數字信號，而實(shí)際中遇到的大都是連續變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉換成電信號后，需要模/數轉換將其變成數字信號才可以輸入到數字系統中進(jìn)行處理和控制，因此，把模擬量轉換成數字量輸出的接口電路，即A/D轉換器就是現實(shí)信號轉換的橋梁。

　　目前，世界上有多種類(lèi)型的A/D轉換器，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轉換器，該類(lèi)A/D轉換器轉換精度高，速度快，價(jià)格適中，是目前種類(lèi)最多，應用最廣的A/D轉換器。逐次逼近型A/D轉換器一般由比較器、D/A轉換器、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轉換器，其內部結構如圖2所示。該芯片由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型D/A轉換器、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，也可單獨工作。其輸入輸出與TTL兼容。

　　ADC0809是8路8位A/D轉換器(即分辨率8位)，具有轉換起?？刂贫?，轉換時(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(mǎn)刻度校準，工作溫度范圍為-40～+85℃功耗可抵達約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～IN7：8路模擬量輸入端;

　　D0～D7：8位數字量輸出端;

　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線(xiàn)，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轉換啟動(dòng)信號，輸入，高電平有效;

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

　　OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出為數字量;

　　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位;下降沿則啟動(dòng)A/D轉換，之后，EOC輸出信號變低，以指示轉換正在進(jìn)行，直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉換結束，并將結果數據存入鎖存器，這個(gè)信號也可用作中斷申請。當OE輸入高電平時(shí)，ADC的輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，轉換結果的數字量可輸出到數據總線(xiàn)。

　　A/D轉換器的位數決定著(zhù)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，相應通道的模擬量經(jīng)過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)送到A/D轉換器。啟動(dòng)信號START上升沿復位內部電路，START的下降沿啟動(dòng)轉換，此時(shí)轉換結束信號EOC呈低電平狀態(tài)，由于逐位逼近需要一定過(guò)程，所以，在此期間，模擬輸入量應維持不變，比較器要一次次比較，直到轉換結束，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)，則可讀出數據。另外，ADC0809具有較高的轉換速度和精度，同時(shí)受溫度影響也較小。

　　2.3 ADC0809與MCS-51單片機的接口電路

　　ADC0809與MCS-51系列單片機的接口電路如圖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(guò)或非門(mén)后，可接至ADC0809的START及ALE引腳。8051的RD與P2.7經(jīng)或非門(mén)后則接至ADC0809的OE端。ADC0809的EOC經(jīng)反相后接到8051單片機的P3.3(INT1)。