ADC0809多路数据采集和控制系统设计说明.docx
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ADC0809多路数据采集和控制系统设计说明
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。
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
注：
缓慢变化的信号和直流信号，采样保持电路可以省略。
5.2A/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。
5.3A/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
输入为0~5V时，分辨率为
其中：
—A/D转换器的满量程值
—ADC的二进制位数
量化误差为
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：
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640kHz。
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640kHZ。
5.5ADC0809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。
5.6ADC0809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ABC相连。
通道基本地址为0000H~0007H。
其对应关系如下表所示：
地址码
输入通道
C
B
A
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
表5-6-1ADC0809输入通道地址
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
和P2.7引脚经或非门后，产生正脉冲作为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
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75452，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。
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windowsxp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：
主程序：
ORG0100H
MAIN：
MOVSP,#60H;给堆栈指针赋初值
MOVSCON,#50H;设置串口方式1控制字
MOVTMOD,#21H;设置波特率为9600
MOVTH1,#0FDH
MOVTL1,#0FDH;给定时器赋初值
SETBTR1;启动定时器
CLRP1.7;清空P1.7口
SETBP1.6;置1P1.6
LOOP：
MOVR0,#0FFH;在寄存器R0中写入FF
MOVR4,#00H;清空寄存器R4
LOOP1：
MOVA,R4;将寄存器R4的值送入累加器A
SWAPA；交换A中的值
ANLA,R4;将A与R4中的值相与
MOVR2,A;将A的值放入寄存器R2,发送指令内容
MOVTDH,R4
LCALLFAS;调用发送子程序
LCALLSJCL
MOVR7,#064H
XH:
LCALLDISPLAY
DJNZR7,XH;调用数码管显示子程序
INCR0
INCR4
CJNER4,#08H,LOOP1
AJMPLOOP
6.2、数码管显示子程序：
DISPLAY:
MOVDPTR,#DISTAB
MOVR3,#01H
MOVR1,#TDH
DPLOP:
MOVA,@R1
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,R3
MOVP0,A
CJINER3,#02H,DPNEXT
SETBP0.7
DPNEXT:
MOVA,R3
RLA
MOVR3,A
INCR1
LCALLDS1M
CLRP0.7
CJINER3,#10H,DPLOP
MOVP0,#00H;一次显示结束，P0口复位
MOVP2,#00H;P2口复位
RET
6.3、发送子程序：
FAS：
SETBP1.7
MOVA,R2
MOVSBUF,A;发送数据
LCALLDSIM
CLRP1.7
CLRTR0
MOVTH0,#3CH
MOVTL0,#0B0H
SETBTR0;启动定时器0
S1：
JBR1,S2
CLRTI;等待接受
JNBTF0,S1
CLRTF0
CLRTR0
MOVTH0,#3CH
MOVTL0,#BOH;给定时器0设初值
SETBTR0
S0：
DJNZCUOWU,FAS
MOVCUOWU,#04H
LCALLBAOJING;跳到报警程序
S2：
MOVA,SBUF
MOVZCI,A
CLRRI
CLRTR0
CLRTF0
MOVTH0,#3CH
MOVTL0,#0B0H
SETBTR0
S3：
JBRI,S4
JNBTF0,S3
CLRTF0
CLRTR0
MOVTH0,#3CH
MOVTL0,#0B0H
SETBTR0
DJNZCUOWU,FAS
MOVCUOWU,#04H
LCALLBAOJING；跳到报警程序
S4：
MOVA,SBUF
MOVZC2,A
CLRRI
CJNEA,ZC1,S0
MOV@R0,ZC1
SETBP1.6
AJMPFANHUI；返回程序
BAOJING：
CLRP1.6
FANHUI：
RET
6.4、A/D转换程序流程图：
主程序：
ORG0000H
MOVR1,#20H
MOVR2,#08H；设定8个通道
MOVTL0,#00H
MOVTH,#0B8H
MOVTMOD,#01H；给计数器设定初值并初始化
CLRET0；
SETBTR0；启动计数器
MOVSCON,#40H
MOVDPTR,#78FFH；置DPTR，使模拟通道对应的入口地址为78FFH
LOOP：
MOVA,R2
SUBBA,R1
JNZLOOP2；跳转至LOOP2
MOVR1,#00H
MOVDPTR,#78FFH
LOOP1：
JNBTF0,LOOP1
CLRTF0
MOVTL0,#00H
MOVTH0,#0B8H；重新给计数器设初值
LOOP2：
MOVX@DPTR,A；重启A/D
LOOP3：
JPP1.0,LOOP3
LOOP4：
JNPP1.0,LOOP4；由P1.0查询ADC0809的EOC信号，确定转换是否完成
MOVXA,@DPTR；查询结果
MOV@R1,A；保存结果
INCDPH；查询下一模拟通道
INCR1;同时将下一通道的值保存
LJMPLOOP
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。
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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