ADC0809_多路数据采集和控制系统设计

1. 设计目的

本设计包括确定控制任务、系统总体设计、硬件系统设计、软件程序的设计等，使学生进一步学习理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能。

2. 设计内容

设计一由微机控制的A/D数据采集和控制系统，该卡具有对八个通道上0-5V的模拟电压进行采集的能力，且可以用键盘选择装换通道，选择ADC0809作为A/D转换芯片。并在显示器上动态显示采集的数据。

3. 设计要求

（1）根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路图。

（2）画出电路原理图，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系。

（3）用protel软件绘制电路原理图。

（4）软件设计，给出流程图及源代码并加注释。

4. 系统总体设计步骤

第一步：信号调理电路

第二步：8路模拟信号的产生与A/D转换器

被测电压要求为0~5V的直流电压，可通过电位器调节产生。

考虑本设计的实际需要，我选择八位逐次比较式A/D转换器（ADC0809）。 第三步：发送端的数据采集与传输控制器 第四步：人机通道的借口电路 第五步：数据传输借口电路

用单片机作为控制系统的核心，处理来之ADC0809的数据。经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，键盘仅由两个开关和一个外部中断组成，完成采样通道的选择，单片机通过接口芯片与LED数码显示器相连，驱动显示器相应同采集到的数据。

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串行通信有同步和异步两种工作方式，同步方式传送速度快，但硬件复杂；异步通信对硬件要求较低，实现起来比较简单灵活，适用于数据的随机发送和接受。采用MAX485芯片的转换接口。

经过分析，本系统数据采集部分核心采用ADC0809，单片机系统采用8051构成的最小系统，用LED动态显示采集到的数据，数据传送则选用RS-485标准，实现单片机与PC机的通信。

数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC或其它设备）组成。系统框图如4-1所示

图4-1 总体设计的系统框图

5. 硬件系统的设计

5.1信号调理

信号调理的任务：将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。 多路数据采集输入通道的结构图如下图：

图5-1-1多路数据采集输入通道结构图

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注：缓慢变化的信号和直流信号，采样保持电路可以省略。

5.2 A/D转换器的选取

转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。

5.3 A/D转换

对于该八路通道输入信号，八位A/D转换器，其精度为

2输入为0~5V时，分辨率为

FsN80.39%

v50.0196V 21218其中：

v

Fs

—A/D转换器的满量程值

N —ADC的二进制位数

量化误差为

Q(21)2NvFs5(21)280.0098V

ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。

用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。

5.4芯片ADC0809的引脚功能和主要性能

ADC0809八位逐次逼近式A/D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接联通8个单端模拟信号中的任意一个。

ADC0809的引脚图及51单片机引脚图：

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图5-4-1ADC0809管脚图及51单片机芯片管脚图

ADC0809模数转换器的引脚功能： IN0～IN7:８路模拟量输入。

A、B、C:３位地址输入，２个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。

ALE:地址锁存启动信号，在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。

D0～D7:八位数据输出线，A/D转换结果由这８根线传送给单片机。 OE:允许输出信号。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。 START:启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。

EOC:转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已完成。 CLK:时钟输入信号，0809的时钟频率范围在10～1200kHz，典型值为0kHz。

当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存并译码，在START上升沿时所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进入A/D装换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，在高电平时，表示

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转换结束。OE为低电平时，表示正在转换，为高电平时，允许转换结果输出。 ADC0809的主要性能： ◆逐次比较型 ◆CMOS工艺制造 ◆单电源供电

◆无需零点和满刻度调整

◆具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容 ◆易与各种微控制器接口 ◆具有锁存控制的8路模拟开关 ◆分辨率：8位 ◆功耗：15mW

◆最大不可调误差小于±1LSB ◆转换时间128us ◆转换精度：±0.4%

◆ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为10~1280kHZ，典型的时钟频率为0kHZ。

5.5 ADC0809的接线图

此电路图主要接线将八路输入模拟信号转换为数字信号，为数据处理及监控模块提供输入信号。

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5.6 ADC0809与51单片机的接口

由于ADC0809无片内时钟，时钟信号有51单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。此外，由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A B C 相连。通道基本地址为0000H~0007H。其对应关系如下表所示：

地址码 C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 表5-6-1 ADC0809输入通道地址

输入通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 ADC0809与51单片机的接口方法：

ADC0809与51单片机的接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本题中选用中断接口方式。

由于ADC0809无片内时钟，时钟信号时可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚得脉冲频率是8051时钟频率的1/6.该题目中单片机时钟频率采用6MHz，则ALE输出的频率是1MHz，二分频后为500Hz，符合ADC0809对频率的要求。

由于ADC0809内部没有地址锁存器，所以通道地址有P0口的低3位直接与ADC0809的A,B,C相连。通道基本地址为0000H~0007H。

控制信号：将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时。由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和启动转换。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。

在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和P2.7引脚经或非门后，产

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生正脉冲作为OE信号用一打开三态输出锁存器。

ADC0809与51单片机的接口电路如图所示：

5.7 控制器、振荡源和复位电路

复位电路即使电路回复到初始状态，是单片机经常的工作状态。单片机振荡电路的振荡周期和时钟电路的时钟周期决定了CPU的时序。

复位电路：采用上电外部复位电路

图5-7-1上电外部复位电路 图5-7-2内部振荡器方式

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5.8键盘与显示电路

键盘由一组常开按键开关组成，键盘系统的主要工作包括及时发现有键闭 合，并做出相应的处理。本系统采用中断方式的开关代替键盘，完成采集通道的选择。硬件逻辑如下图所示。

图5-8-1键盘硬件电路

显示部分为八个共阴极的七段LED显示器，8个七段LED的a~dp字段的引脚分别由8个OC门同相驱动器驱动。OC门驱动器用7407，当7407输出低电平时，没有电流流过LED，当7407输出为开路状态时，电流经100 限流电阻流入LED显示器，每个七段LED的公共端都接一个反相驱动器，反相驱动器使用752，当某一字段需要亮时，该LED公共端的反相驱动器必须是低电平输出，并且这一字段的同相驱动器必须是高电平输出。单片机通过8155

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接口芯片的A口的位选，经B口确定那些字段LED发光。

图5-8-2显示部分硬件电路

5.9 通信电路

51单片机有一个全双工的串行口，所以单片机和PC之间可以方便的进行串口通信。进行串行通信时要满足一定的条件，如PC的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者直接必须有一个电平转换电路，这里用专用芯片MAX485进行转换。

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图5-9-1MAX485引脚图

图5-9-2通信接口电路

6. 软件程序设计

系统的软件的设计采用的是汇编语言，对单片机进行编程实现各种功能。 程序是在windows xp环境下采用keil软件编写的，可以实现对八路数据的采集与处理，能实现对数据、地址的显示。 6.1主程序流程图及其程序：

开始 系统初始化 调用数据采集子程序 调用标度变换子程序 取相应通道数据 调用数制转换子程序 调用数据显示子程序 调用数据发送子程序 第 10 页 共 15 页

图6-1-1 主程序流程图 中北大学 信息与通信工程学院电气工程及其自动化 计算机控制技术课程设计

主程序：

ORG 0100H

MAIN：MOV SP,#60H;给堆栈指针赋初值

MOV SCON,#50H;设置串口方式1控制字 MOV TMOD,#21H;设置波特率为9600 MOV TH1,#0FDH

MOV TL1,#0FDH;给定时器赋初值 SETB TR1;启动定时器 CLR P1.7;清空P1.7口 SETB P1.6;置1P1.6

LOOP：MOV R0,#0FFH; 在寄存器R0中写入FF MOV R4,#00H; 清空寄存器R4

LOOP1：MOV A, R4;将寄存器R4的值送入累加器A SWAP A；交换A中的值

ANL A, R4;将A与R4中的值相与

MOV R2, A;将A的值放入寄存器R2,发送指令内容 MOV TDH,R4

LCALL FAS ;调用发送子程序 LCALL SJCL MOV R7,#0H XH: LCALL DISPLAY

DJNZ R7,XH ;调用数码管显示子程序 INC R0 INC R4

CJNE R4,#08H,LOOP1 AJMP LOOP

6.2、数码管显示子程序：

DISPLAY: MOV DPTR,#DISTAB

MOV R3,#01H MOV R1,#TDH

DPLOP: MOV A,@R1

MOVC A,@A+DPTR MOV P2,R3 MOV P0,A

CJINE R3,#02H,DPNEXT SETB P0.7 DPNEXT: MOV A,R3 RL A

MOV R3,A INC R1

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中北大学 信息与通信工程学院电气工程及其自动化 计算机控制技术课程设计 LCALL DS1M CLR P0.7

CJINE R3,#10H ,DPLOP

MOV P0,#00H ;一次显示结束，P0口复位 MOV P2,#00H ;P2口复位 RET

6.3、发送子程序：

FAS：SETB P1.7 MOV A, R2

MOV SBUF,A;发送数据 LCALL DSIM CLR P1.7 CLR TR0

MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H

SETB TR0;启动定时器0 S1：JB R1,S2 CLR TI;等待接受 JNB TF0,S1 CLR TF0 CLR TR0

MOV TH0,#3CH

MOV TL0,#BOH;给定时器0设初值 SETB TR0

S0：DJNZ CUOWU,FAS MOV CUOWU ,#04H

LCALL BAOJING;跳到报警程序 S2：MOV A, SBUF MOV ZCI,A CLR RI CLR TR0 CLR TF0

MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H SETB TR0 S3：JB RI ,S4

JNB TF0, S3 CLR TF0 CLR TR0

MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H SETB TR0

DJNZ CUOWU,FAS

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中北大学 信息与通信工程学院电气工程及其自动化 计算机控制技术课程设计 MOV CUOWU,#04H

LCALL BAOJING ；跳到报警程序 S4：MOV A,SBUF

MOV ZC2,A CLR RI

CJNE A,ZC1,S0 MOV @R0,ZC1 SETB P1.6

AJMP FANHUI；返回程序 BAOJING：CLR P1.6 FANHUI：RET

6.4、A/D转换程序流程图：

开始 定义A/D转换缓冲区首地址 开中断 置通道数 置DPTR 启动转换 等待中断 中断处理 N 各通道采完？ Y 关中断 返回 图6-2-1 数据采集程序流程图 第 13 页 共 15 页

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主程序：

ORG 0000H

MOV R1,#20H

MOV R2,#08H；设定8个通道

MOV TL0,#00H MOV TH,#0B8H

MOV TMOD,#01H；给计数器设定初值并初始化 CLR ET0；

SETB TR0；启动计数器

MOV SCON,#40H

MOV DPTR,#78FFH；置DPTR，使模拟通道对应的入口地址为78FFH LOOP：MOV A,R2 SUBB A,R1

JNZ LOOP2；跳转至LOOP2 MOV R1,#00H

MOV DPTR ,#78FFH LOOP1：JNB TF0,LOOP1 CLR TF0

MOV TL0,#00H

MOV TH0,#0B8H；重新给计数器设初值 LOOP2：MOVX @DPTR,A；重启A/D LOOP3：JP P1.0,LOOP3

LOOP4：JNP P1.0,LOOP4；由P1.0查询ADC0809的EOC信号，确定转换是否完成 MOVX A,@DPTR；查询结果 MOV @R1,A；保存结果

INC DPH；查询下一模拟通道 INC R1;同时将下一通道的值保存 LJMP LOOP END

7. 课程设计心得

通过这次课程设计，我深刻的了解到了数据采集系统的原理、构成部分和数据采集系统和电气工程及其自动化之间的紧密联系，该系统可以采集的发电厂运行数据包括电气参数和非电气参数两类。在此次课程设计当中学到了很多东西，确实对自己专业的理论知识和实践的结合有了很大的帮助，对我个人而言确实受益匪浅。

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本次课程设计是一个由微机控制的A/D数据采集控制系统，这卡上对应有8个通道0到5V的模拟电压采集的能力，要求用键盘选择转换通道。在以上的设计里，基本满足了设计需求的要素。这次的课程设计主要应用的知识，有计算机控制系统的构成，接口电路与应用程序，再一次巩固了所学的理论知识。结合自己大学期间的实际积累的专业基础知识和相关专业课程知识。总体来说这是一次，理论与实践的结合，有助于我们应用专业的理论知识解决实际问题。

在这次课程设计里有很多不尽如人意的地方，但是这个设计是在我的能力范围内做的最好的设计成果。当然有些理念是参考了网上相应的资源，但是整个设计过程中，有自己的想法，总之，此次课程设计是我尽最大的努力完成的。

8. 参考文献

1.顾德英. 计算机控制技术（第二版）.北京邮电大学出版社,2005年 2.李顺增.吴国东.微机原理及接口技术. 机械工业出版社，2004年 3.李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）.北京航空航天大学出版社，2005年

4. 邬宽明. 单片机外围器件使用手册，数据传输接口器件分册.北京航空航天大学出版社，1998年

5. 李顺增、吴国东.微机原理及接口技术. 机械工业出版社，2004年 6.张毅刚、彭喜元、孟升卫、刘兆庆.单片机使用子程序设计（第二版）.哈尔冰工业大学出版社，2003年

7.徐爱卿、孙涵芳、盛焕明.单片微型计算机应用和开发系统.北京航空航天大学出版社，1992年

8．王兆安. 电力电子技术（第四版）.西安交通大学出版社， 2002年 9. 毕满清. 模拟电子技术基础.电子工业出版社， 2008年 10. 韩焱.数字电子技术基础. 电子工业出版社， 2009年

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