基于单片机和ADC多通道模数转换的设计与实现

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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。

图1 数据采集电路的原理框图

2、硬件电路的设计

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

ADC0809模数转换器设计电路

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