基于AT89C51的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方法

0 引言

近年來，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的價(jià)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(shí)，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(jì)。采用該方法可以大大簡(jiǎn)化硬件電路測(cè)試和系統(tǒng)調(diào)試過程，對(duì)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(shí)現(xiàn)16路信號(hào)輸入，每一路都是0～10 mV的信號(hào)，每秒鐘采集一遍，從而將數(shù)據(jù)傳給上位PC計(jì)算機(jī)。

1 硬件設(shè)計(jì)

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(chǔ)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(jià)廉的方案。所以，本設(shè)計(jì)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(hào)為高電平時(shí)，P0將輸出的數(shù)據(jù)鎖入總線驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jiǎn)單(只有3個(gè)：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(shí)復(fù)用口，故要進(jìn)行地址鎖存，本設(shè)計(jì)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?yàn)锳DC0809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(hào)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(dòng)開關(guān)，P2．7為低電平有效。在啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，可由寫信號(hào)WR和P2．7控制ADC0809的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。而在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，則由讀信號(hào)RD和P2．7控制ADC0809的OE信號(hào)。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(shí)若ABCD=0000，則16路信號(hào)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(hào)依次對(duì)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(hào)時(shí)，AT89C51通過檢測(cè)地址是否和本機(jī)地址相符來作出動(dòng)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(hào)選通與調(diào)理

本系統(tǒng)要求有16路模擬信號(hào)輸入，而且必須將這些信號(hào)互相隔離，然后才能對(duì)這些信號(hào)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(hào)都比較微弱，要將該微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成有用的信號(hào)以便于后期使用，就要加入信號(hào)調(diào)理電路，其作用是進(jìn)行信號(hào)放大和去除干擾等。本設(shè)計(jì)中的信號(hào)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(hào)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(hào)放大到0～5 V。使用OP07的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

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(jì)中使用16選1模擬開關(guān)來進(jìn)行信號(hào)的選擇，因此，ADC0809的信號(hào)選擇功能就不使用了，設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)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(hào)進(jìn)行替代。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的晶振頻率12MHz，ALE信號(hào)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(hào)來給ADC0809使用。

1．5 串行口控制

AT89C51內(nèi)部有一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，該口能同時(shí)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(jì)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(shí)器T1的溢出率來控制。通過計(jì)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(jì)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(dòng)器／接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器，可在單5V電源供電時(shí)提供EIA／TIA-232-E電平。每個(gè)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的具體電路如圖3所示。

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。

2 實(shí)驗(yàn)仿真

2．1 Keil C51軟件的使用

Keil C51軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一。本設(shè)計(jì)就是在Keil C51環(huán)境中編譯數(shù)據(jù)采集程序的。本采集系統(tǒng)的程序主要分成三部分：主程序、A／D轉(zhuǎn)換程序和串行通信程序。圖4所示是其軟件流程圖。其中主程序是總的控制程序，主要實(shí)現(xiàn)各單元初始化、控制采樣和中斷等：A／D轉(zhuǎn)換程序主要完成采樣啟動(dòng)、數(shù)據(jù)保存等功能；串行通信程序則用來在有上位PC通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)時(shí)引發(fā)中斷響應(yīng)，也可通過PC機(jī)通信地址和本單片機(jī)地址是否相符來判斷PC機(jī)是否和本單片機(jī)通信，如果地址相符，則發(fā)送A／D采樣的結(jié)果給上位機(jī)，如果不相符，則跳出中斷。串行中斷和A／D轉(zhuǎn)換部分的程序代碼如下：

程序編寫完成后，為了便于和proteus聯(lián)合仿真，還應(yīng)當(dāng)在工程目錄下生成一個(gè)．hex文件。

2．2 proteus仿真

一般情況下，個(gè)人配備單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)的成本較高，很多人無法承受。而且一般單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)箱都是成品，學(xué)習(xí)者很難參與到其中的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中去，動(dòng)手能力也難以得到訓(xùn)練與提高。Proteus的出現(xiàn)恰好解決了這個(gè)矛盾。利用proteus可以隨時(shí)搭建一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行仿真。proteus仿真軟件包含兩個(gè)應(yīng)用程序，其中proteus_isis主要用于電路原理圖的仿真，另外一個(gè)就是proteus_ares，用于直接將proteus_isis的仿真原理圖生成pcb。本任務(wù)只涉及仿真，所以只用到proteus_isis。操作時(shí)，首先應(yīng)建立一個(gè)新的工程文件，然后按照硬件原理圖繪制仿真電路。Proteus的仿真電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

2．3 串口通信仿真

本設(shè)計(jì)仿真可在一個(gè)PC機(jī)上完成，但要用到串口仿真軟件。虛擬串口工具VSPD XP就是一個(gè)虛擬串口軟件，可模擬物理串口，而且使用比較簡(jiǎn)單。通信時(shí)，只要COM3發(fā)送數(shù)據(jù)，COM4就會(huì)收到，而COM4發(fā)送數(shù)據(jù)，COM3也會(huì)收到。

串口調(diào)試軟件有很多種，還有串口調(diào)試助手等。本設(shè)計(jì)選用ComMonitor V2．0作為串口調(diào)試軟件。

虛擬串口工具VSPD XP中COM3和COM4是一對(duì)虛擬串口，可以互相通信。本設(shè)計(jì)把proteus設(shè)置為COM3，把ComMonitor設(shè)置為COM4，然后在兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)ComMonitor設(shè)置的方法如下：

(1)在左上角設(shè)置串口號(hào)和波特率，并打開串口；

(2)接收數(shù)據(jù)控制區(qū)設(shè)置的是十六進(jìn)制顯示，自動(dòng)清空；

(3)發(fā)送區(qū)有三個(gè)，都選擇為十六進(jìn)制顯示，分別寫入"50"， "1 2"和"45"，其中"50"是本設(shè)計(jì)中單片機(jī)系統(tǒng)的地址，"12"和"45"是隨意的兩個(gè)數(shù)據(jù)(做測(cè)試用)。

2．4仿真結(jié)果分析

在proteus中點(diǎn)擊界面左下角的仿真運(yùn)行按鈕使系統(tǒng)開始工作，然后在ComMonitor中依次發(fā)送三個(gè)發(fā)送區(qū)的預(yù)設(shè)數(shù)值，之后便可以看到運(yùn)行結(jié)果：

(1)發(fā)送"50"時(shí)，由于和單片機(jī)地址相符合，根據(jù)程序設(shè)定，把A／D采樣結(jié)果通過串行口發(fā)送給了主機(jī)，即COM4端。

(2')發(fā)送"12"和"45"時(shí)，單片機(jī)接收也同上面一樣，并分別顯示。

(3)三次發(fā)送數(shù)據(jù)，COM分別收到不同的數(shù)據(jù)。

實(shí)際上，在發(fā)送"12"和"45"時(shí)，單片機(jī)應(yīng)該不送回?cái)?shù)據(jù)，但為了仿真結(jié)果清晰，本程序中設(shè)置了收到除"50"以外的 數(shù)據(jù)回送功能，以便把收到的數(shù)據(jù)再發(fā)回去，這樣，COM4就會(huì)依次收到"12"和"45"。

3 結(jié)束語

本文從工程角度出發(fā)，詳細(xì)介紹了基于AT89C51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的硬件電路配置以及相關(guān)的程序設(shè)計(jì)。同時(shí)用基于Proteus和Keil接口的單片機(jī)外圍硬件電路構(gòu)成了一個(gè)實(shí)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所得出的仿真結(jié)果完整地展示了一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)新的開發(fā)思路。