基于ADC0809和51单片机的多路数据采集系统设计方案

摘要：给出了采用8051单片机为核心来实现多路数据采集与通信控制的设计方法。该方法将8路被测电压通过通用ADC0809模数转换来实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，然后由单片机对数据进行处理，再将数据通过串行口传输到PC机上，同时采用MAX232接口芯片来实现MCU与PC机间的电平匹配，最后由PC机完成数据的接收和显示。
关键词：多路数据采集；单片机；模数转换；串行通信

"数据采集"是指将温度、压力、流量、位移等模拟物理量采集并转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示和打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。
本文的主要任务是对0～5V的直流电压进行测量并送到远端的PC机上进行显示。由于采集的是直流信号，对于缓慢变化的信号不必加采样保持电路，因此选用市面上比较常见的逐次逼近型ADC0809芯片，该芯片转换速度快，价格低廉，可以直接将直流电压转换为计算机可以处理的数字量。同时选用低功耗的LCD显示器件来满足其在终端显示采集结果的需求。终端键盘控制采用尽可能少的键来实现控制功能，为了防止键盘不用时的误操作，设计时还设置了锁键功能，在键盘的输入消抖方面，则采用软件消抖方法来降低硬件开销，提高系统的抗干扰能力。软件设计方面则采用功能模块化的设计思想；键盘模数转换等采用中断方式来实现，从而大大提高了单片机的效率以及实时处理能力。

1 数据采集系统的硬件结构
数据采集系统的硬件结构一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、A／D转换器以及单片机等组成。本文主要完成功能的系统硬件框图如图1所示。

图1 数据采集系统硬件设计框图

2 ADC0809模数转换器简介
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2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。

ADC0809是8路8位A／D转换器(即分辨率8位)，具有转换起停控制端，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3所示是其引脚排列图。各引脚的功能如下：

图3 ADC0809的引脚排列图
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 ADC0809的工作时序
图4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。