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1、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
2、。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05V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
3、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
4、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。5.2 A/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05V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
5、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
6、引脚功能：IN0IN7:路模拟量输入。 A、B、C:位地址输入,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。 D0D7:八位数据输出线,A/D转换结果由这根线传送给单片机。 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101200kHz,
7、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
8、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101280kHZ,典型的时钟频率为640kHZ。5.5 ADC0809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A B C 相连。通道基本地址为0000H0007H。其对应关系如下表所示：地址码输入通道CBA000IN0001IN1010IN201
9、1IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表5-6-1 ADC0809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。
10、通道基本地址为0000H0007H。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-
11、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adp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
12、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windows xp环境下采用keil软件编写的,可以实现对八路数
13、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：开始系统初始化调用数制转换子程序调用数据采集子程序取相应通道数据调用标度变换子程序调用数据显示子程序调用数据发送子程序图6-1-1 主程序流程图主程序：ORG 0100H MAIN：MOV SP,#60H;给堆栈指针赋初值 MOV SCON,#50H;设置串口方式1控制字 MOV TMOD,#21H;设置波特率为9600 MOV TH1,#0FDH MOV TL1,#0FDH;给定时器赋初值 SETB TR1;启动定时器 CLR P1.7;清空P1.7口 SETB P1.6;置1P1.6 LOOP：MOV R0,#0FFH;
14、 在寄存器R0中写入FF MOV R4,#00H; 清空寄存器R4 LOOP1：MOV A, R4;将寄存器R4的值送入累加器ASWAP A；交换A中的值 ANL A, R4;将A与R4中的值相与 MOV R2, A;将A的值放入寄存器R2,发送指令内容 MOV TDH,R4 LCALL FAS ;调用发送子程序 LCALL SJCL MOV R7,#064H XH: LCALL DISPLAY DJNZ R7,XH ;调用数码管显示子程序 INC R0 INC R4 CJNE R4,#08H,LOOP1 AJMP LOOP6.2、数码管显示子程序：DISPLAY: MOV DPTR,#DISTAB MOV R3,#01H MOV R1,#TDHDPLOP: MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV P2,R3
