基于AT89C51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計新方法

引言

近年來，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的價格越來越低，性能卻不斷提升，因而其應(yīng)用范圍也越來越廣。然而在開發(fā)基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)時，傳統(tǒng)方法一般都需要大量的硬件設(shè)備，這些設(shè)備極易損壞而且攜帶不方便。為此，本文基于AT89C51數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)詳細(xì)說明了如何利用Pro-teus和兩款串口仿真軟件來進(jìn)行單片機(jī)程序及外圍電路的仿真設(shè)計。采用該方法可以大大簡化硬件電路測試和系統(tǒng)調(diào)試過程，對單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)具有指導(dǎo)意義。本文介紹的基于AT89C5l單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實現(xiàn)16路信號輸入，每一路都是0～10 mV的信號，每秒鐘采集一遍，從而將數(shù)據(jù)傳給上位PC計算機(jī)。

1 硬件設(shè)計

1.1 主控芯片

AT89C51是一種帶有4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，可為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活且價廉的方案。所以，本設(shè)計采用ATMEL公司的AT89C51作為程序的主控芯片。

AT89C51數(shù)據(jù)總線是由P0口提供的，P0口本身能以多種方式提供數(shù)據(jù)總線和地址總線。當(dāng)ALE輸出信號為高電平時，P0將輸出的數(shù)據(jù)鎖入總線驅(qū)動器中作為地址的低8位，然后和P2送出來的高8位地址一起組成一個完整的16位地址，以尋址到外部的64KB的地址空間。AT89C51的地址總線比較簡單(只有3個：RD、WR、PSEN)，其中RD是用來讀取外部數(shù)據(jù)內(nèi)存的控制線，WR是用來寫數(shù)據(jù)到外部數(shù)據(jù)內(nèi)存的控制線，PSEN是用來存取外部程序內(nèi)存的讀取控制線。

由于P0口是數(shù)據(jù)和地址分時復(fù)用口，故要進(jìn)行地址鎖存，本設(shè)計使用74HC573作為鎖存器。

1.2 系統(tǒng)硬件電路

本系統(tǒng)的硬件電路原理如圖1所示。因為ADC0809的地址選擇端A、B、C都接地，所以ADC0809的數(shù)據(jù)采集通道只有IN0被選通。16路模擬信號連接到多路選擇模擬開關(guān)HCC4067后，即可通過地址選擇端A、B、C、D進(jìn)行選擇，每一次選通一路，選通的通道經(jīng)IO COM X和ADC0809的IN0相連，以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。P2.7(地址總線最高位A 15)可作為A/D轉(zhuǎn)換的啟動開關(guān)，P2.7為低電平有效。在啟動A/D轉(zhuǎn)換時，可由寫信號WR和P2.7控制ADC0809的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動。而在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，則由讀信號RD和P2.7控制ADC0809的OE信號。若令P2.7為0，74HC573的A、B、C、D即可給出被選擇的模擬通道的地址，此時若ABCD=0000，則16路信號的100被選通，并將其數(shù)據(jù)送到ADC0809的IN0中，地址是7FF0H;若ABCD：1111，地址為7FFFH，則指向IO15。所以，16路信號依次對應(yīng)的地址為7FFOH～7FFFH。轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)據(jù)將保存到一數(shù)組中，直到當(dāng)上位PC機(jī)通過串行口發(fā)信號時，AT89C51通過檢測地址是否和本機(jī)地址相符來作出動作。如果地址相符，則發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，如不相符，則繼續(xù)等待。

1.3 信號選通與調(diào)理

本系統(tǒng)要求有16路模擬信號輸入，而且必須將這些信號互相隔離，然后才能對這些信號逐一選通后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。為此，本系統(tǒng)選用了16選1多路模擬開關(guān)HCC4067。

一般傳感器的輸出信號都比較微弱，要將該微弱信號轉(zhuǎn)換成有用的信號以便于后期使用，就要加入信號調(diào)理電路，其作用是進(jìn)行信號放大和去除干擾等。本設(shè)計中的信號輸入每路都是0～10mV.但ADC0809的輸入要求是0～5 V，因此選用運(yùn)算放大器OP07來進(jìn)行信號放大。OP07是一種精密運(yùn)算放大器，它使用雙極性電源供電，精度較高，放大倍數(shù)為500，可把0～10 mV信號放大到0～5 V。使用OP07的信號調(diào)理電路。

1.4 A/D采樣電路

ADC0809是美國NS公司生產(chǎn)的CMOS組件，是一種8路輸入單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，采用逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理，它的輸出輸人接口全部為TTL電平，數(shù)據(jù)輸出口線為三態(tài)，可以直接接到微機(jī)系統(tǒng)總線上，而無需另加I/O接口芯片。

由于本設(shè)計中使用16選1模擬開關(guān)來進(jìn)行信號的選擇，因此，ADC0809的信號選擇功能就不使用了，設(shè)計時把ADC0809的地址選擇端A、B、C都接地，即ABC=000，這樣，選通通道始終是IN0。將EOC通過非門連接到AT89C51的INT0腳，可通過查詢方式來檢測轉(zhuǎn)換是否完成。

由于ADC0809的典型工作頻率640 kHz不太容易得到，所以通常使用相近頻率且容易獲得的信號進(jìn)行替代。本設(shè)計中，單片機(jī)的晶振頻率12MHz，ALE信號輸出為晶振頻率的六分之一(即2MHz、)，可將該2 MHz經(jīng)過74HC74四分頻后得到500 kHz信號來給ADC0809使用。

1.5 串行口控制

AT89C51內(nèi)部有一個可編程的全雙工串行通信接口，該口能同時進(jìn)行串行發(fā)送和接收，以便通過RXD引腳(串行數(shù)據(jù)接收端)和TXD引腳(串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)與外界進(jìn)行通信。AT89C51串行口有四種工作方式，本設(shè)計中，AT89C51串行口工作于方式3。串口方式3的波特率是可變的，它可由定時器T1的溢出率來控制。通過計算可以得到T1的裝載初值為0xfd，波特率為9600bps。

RS232是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)的，它與TTL以高低電平來表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機(jī)接口或與終端的TTL器件連接，必須在RS232與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。目前廣泛使用的集成電路轉(zhuǎn)換器件是MAX232芯片，它可完成TTL到EIA的雙向電平轉(zhuǎn)換。MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器，可在單5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。每個接收器均可將EIA/TIA-232-E電平轉(zhuǎn)換為5 V TTL/CMOS電平。這些接收器具有1.3 V的門限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接收±30 V的輸入。利用MAX232芯片連接單片機(jī)和PC的具體電路。

由以上器件分析可知該系統(tǒng)所用到的電源電壓總共有兩種，其中運(yùn)放OP07使用±12 V，其它芯片使用+5 V電壓。