基于51单片机和ADC0809多通道模数转换的设计与实现.doc

武汉理工大学《能力拓展训练报告》课程设计说明书
目 录
摘要1
1、方案设计2
2、硬件电路的设计2
2。1单片机的最小系统设计2
2。2 ADC0809模数转换器设计电路3
2。2。1 ADC0809的结构功能3
2.2.2 ADC0809的工作时序6
2。2。3 ADC0809与AT89C52单片机的接口电路7
2。3 LCD1602显示电路8
2。4 键盘与单片机连接电路10
2。5系统整体电路图10
3、软件设计11
4、系统仿真和测试结果12
5、性能分析13
6、心得与体会14
7、参考文献15
附录一：源程序16
附录二：本科生能力拓展训练成绩评定表22
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
1、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。

LCD1602
显示器

MCS-51
单片机

ADC0809
模拟输入通道1

模拟输入通道2

模拟输入通道8

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CMOS 8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。
RST/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2 AT89C52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。2.1 ADC0809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4 ADC0809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。
图5 ADC0809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：。
2。2.2 ADC0809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6 ADC0809的工作时序图
2.2.3 ADC0809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7 ADC0809与AT89C52单片机接口电路
2.3 LCD1602显示电路
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,目前常用16*1，16*2,20＊2和40＊2行等的模块。LCD1602分为带背光和不带背光两种,基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别.LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口,各引脚接口说明如下表1所示:
表 1 LCD1602引脚接口说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的.1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表2所示，其中1为高电平、0为低电平.
表 2 LCD1602控制指令
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
＊
＊
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
＊
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
指令1：清显示,指令码01H，光标复位到地址00H位置。
指令2:光标复位，光标返回到地址00H.
指令3：光标和显示模式设置 I/D:光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。
指令4:显示开关控制. D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁,低电平不闪烁。
指令5:光标或显示移位 S/C:高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标。
指令6:功能设置命令 DL:高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F： 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符.
指令7:字符发生器RAM地址设置。
指令8：DDRAM地址设置。
指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位,高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：写数据。
其操作时序图如下所示：
图8 读操作时序图
图9 写操作时序图
本设计中采用液晶LCD1602显示模数转换器采集到的数据，其D0~D7与单片机的P0端口连接，使能端E、RS、RW分别与单片机P3.1、P3。0、P3。2连接,此电路原理简单,电路连接方便,如图10所示.
图10 液晶LCD1602显示电路
2.4 键盘与单片机连接电路
本设计中使用了两个独立按键来选择显示对应通道的电压,其中KEY1每按一下通道数就减1并在LCD1602上显示对应通道的电压,KEY2每按一下通道数就加1并在LCD1602上显示对应通道的电压，这样就十分方便查看不同通道的数据.键盘与单片机的连接电路如图11所示。
图11 键盘与单片机的连接电路
2。5系统整体电路图
根据上述各个部分的电路，将每个部分的电路在仿真软件PROTUES中连接起来，仔细检查线路后确保无误后就可以得到系统的整体电路图如12所示。
图12 系统整体电路图
3、软件设计
此次设计的多通道数据采集系统设置了8路模拟电压输入通道。仿真中为了便于调节输入的模拟电压，在输入模拟信号时采用电阻分压，最终的采样输入电压便可根据测试需要调节,系统总流程图如图13所示：
开始
系统初始化
A/D数模转换
有键按下？
Y
选择对应的通道
LCD1602显示
N

图13 系统流程图
4、系统仿真和测试结果
根据方案设计结果,进行了硬件电路在Proteus下的仿真。当通过电位器调节AD转换器输入端的电压时，模拟电压值经过AD转换后，经由单片机将转换后的电压值发送至P0口,供LCD进行显示。
仿真过程描述：通过KEIL软件对所编程序进行编译，生成.hex文件,在PROTUES软件中，用MCS51单片机调用.hex，即可进行硬件的仿真。该仿真包括两部分:
1. 对8路电压进行采集，经由AD转换器进行转化，转化后的16进制数存于单片机的内部存储器中.
2. 对转换后的电压进行显示。将内部存储器中存储的转化后的电压对应的16进制数付给P0口，由LCD进行显示.调节电位器LCD的显示数据也会发生变化.
仿真数据如下图所示：
图14通路1数据采集结果
图15通路2数据采集结果
图16 通路3数据采集结果
图17 通路4数据采集结果
图18 通路5数据采集结果
图19 通路6数据采集结果
图20 通路7数据采集结果
图21 通路8数据采集结果
5、性能分析
根据上述仿真结果图14至图21可以得到：8路模拟通道电压值分别设置为0.05V、0.85V、1。50V、2。30V、3。05V、3。70V、4。25V、5。00V。经过系统处理,LCD1602显示的采集值分别为0。05V、0。84V、1.50V、2。29V、3.05V、3。70V、4。25V、5。00V。系统误差为小于0。01。如果想看到某一路的数据采集值，可以通过按键KEY1、KEY2来调节，这样就方便查看.
综上所述:通过用PROTUES软件的仿真发现此次设计的系统原理图能够实现电压的正确测量,而且电压的误差极小，LCD1602液晶屏能够正确显示出8路电压测量结果。整个作品能较好的实现基本功能和扩展功能.
6、心得与体会
7、参考文献
附录一:源程序
#include<reg52.h〉
＃include<math.h〉
＃define uchar unsigned char
＃define uint unsigned int
/＊＊＊＊*＊*＊**＊＊*****＊＊＊定义LCD1602接口信息＊*****＊＊*＊＊＊*＊*＊***＊*＊＊*＊＊＊＊＊＊*＊/
sbit lcdrs=P3^0；//数据命令选择位
sbit lcden=P3^1；//使能位
sbit lcdrw=P3^2;
/＊*＊＊＊＊＊**＊*＊＊＊＊*＊＊＊＊定义ADC0808接口信息＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊＊＊**＊***＊＊＊*＊***＊＊**＊/
sbit ADA=P2^0;
sbit ADB=P2^1;
sbit ADC=P2^2；
sbit EOC=P2^3；
sbit CLK=P2^4；
sbit START=P2^5；
sbit OE=P2^6；
/＊＊＊**＊＊＊＊**＊＊*＊＊*键盘管脚定义＊*＊*＊*＊＊＊＊＊**/
sbit key1=P3^3；
sbit key2=P3^7;
/＊**＊*＊*＊＊＊＊*＊＊*＊＊＊**＊定义数据＊＊＊*＊＊**＊*＊＊*＊＊**＊＊***＊＊＊＊＊＊*＊＊＊/
uchar tab1［］=｛48,46，48,48，48,46,48,48，48，46，48,48，48，46，48,48｝;
//存放AD采集数据
uchar tab2［］=｛48,46,48，48,48，46，48,48，48，46,48,48，48,46，48，48｝；
uchar tab3［］=”TONGLU:”;
uchar tab4［]=”DIANYA：”；
uchar tab5[］=”12345678"；
uchar num，m=0,getdata=0；
uint temp=0;
/*延时函数＊/
void delay(uchar t）
｛
uchar x,y；
for（x=t；x>0；x-—）
for（y=110；y>0；y-—);
｝
void delayl(uchar ltime）
{
uchar i；
for（i=ltime；i>0；i--）
delay(255);
｝
/*写命令函数*/
void write_com（uchar com)
｛
lcdrs=0；
P0=com;
delay（10）；
lcden=1;
delay(10）;
lcden=0；
}
/＊写数据函数＊/
void write_data（uchar date）
｛
lcdrs=1；
P0=date；
delay（10)；
lcden=1；
delay（10)；
lcden=0；
｝
void disp（uchar h，l，uchar ＊p）
｛
write_com（0x80+h＊0x40+l）；
while（＊p！='\0’）
{
write_data（＊p）;
p++；
}
}
/＊初始化函数＊/
void LcdInit(）
｛
lcdrw=0；
delay(5）;
lcden=0；//使能位置低电平
write_com（0x38)；
write_com（0x0c)；
write_com(0x06)；
write_com（0x01）;
write_com（0x80）；
delayl(20）；
｝
void TimeInit()
｛
TMOD=0x10；//定时器1工作于方式1,16位不重装初值
TH1=（65536-200）/256; //定时200us（5KHz)
TL1=（65536—200）％256;
EA=1；
ET1=1;
TR1=1；
｝
void AdTr(bit ADDA，ADDB,ADDC，uchar channel）
{
START=0;
OE=0；
START=1；
START=0；//A/D转换启动信号，正脉冲启动选中的模拟信号开始转换
ADA=ADDA;
ADB=ADDB；
ADC=ADDC；
delay(5)；
while(EOC==0）；//启动转换后EOC变为L,转换结束后变为H
OE=1;
getdata=P1；
temp=getdata＊1。0/255＊500；
OE=0；
if（channel<4）
｛
tab1［4*channel］=temp/100+0x30；
tab1［4＊channel+2］=（temp％100）/10+0x30；
tab1［4＊channel+3］=（temp％100)%10+0x30；
｝
if（channel〉=4)
｛
channel=channel—4；
tab2［4*channel］=temp/100+0x30；
tab2［4＊channel+2］=（temp％100）/10+0x30；
tab2［4＊channel+3]=（temp%100)%10+0x30;
｝
｝
void keyscan()/＊ 按键2进行减1＊/
{
uint k；
if(key1==0)
{
m—-；
if(m<5）
｛
write_com(0x80+0x07)；
write_data（tab5［m—1］）；
write_com(0x80+0x47)；
for（k=0;k〈4;k++)
write_data(tab1［4*（m—1）+k])；
｝
if（m〉=5＆&m<9)
｛
write_com（0x80+0x07）;
write_data（tab5［m—1］）；
write_com(0x80+0x47)；
for（k=0;k<4;k++）
write_data(tab2［4＊(m—5)+k］）；
｝
if(m==1）m=1;
｝
while（key1==0）； //等待按键释放
if（key2==0)
｛
m++;
if（m〈5）
｛
write_com（0x80+0x07）;
write_data(tab5［m—1］）；
write_com(0x80+0x47）；
for（k=0;k<4；k++）
write_data(tab1［4＊（m—1)+k］);
｝
if（m>=5&＆m〈9）
｛
write_com（0x80+0x07）；
write_data（tab5［m-1］）;
write_com（0x80+0x47)；
for(k=0；k<4；k++)
write_data（tab2［4*（m—5）+k］)；
｝
if（m==9）m=0；
}
while（key2==0）； //等待按键释放
｝
void main（）
｛
LcdInit（）；
TimeInit（）；
while（1）
｛
AdTr(0,0,0，0)；
delay（5)；
AdTr（0，0,1，1);
delay（5)；
AdTr(0，1，0,2）;
delay(5）；
AdTr（0，1,1，3)；
delay（5）；
AdTr（1，0，0,4）；
delay（5）;
AdTr（1，0，1，5)；
delay（5);
AdTr(1，1，0,6)；
delay(5）；
AdTr（1,1,1，7)；
delay（5）；
disp（0，0，tab3)；
disp（1，0，tab4）；
keyscan（）;
}
｝
void t1（void) interrupt 3 using 0
｛
TH1=（65536—200）/256;
TL1=（65536—200）%256;
CLK=~CLK;
｝
附录二：
本科生能力拓展训练成绩评定表
姓名

性别

专业、班级

题目:基于AD转换模块的单片机仿真和C语言开发任务书
答辩或质疑记录:

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：
年月日
14