基于单片机的AD转换电路与程序设计

1、欢迎下载 目录目录摘要摘要.1 1ABSTRACTABSTRACT.2 20 0 文献综述文献综述 .3 31 1 引言引言 .3 31.1 任务分析与方案确定 .31.2 单片机的系统分析 .41.3 A/D 转换器的选取.61.4 传感器的数据采集 .71.5 显示与键盘分析 .92 2 系统硬件设计系统硬件设计.11112.1 A/D 转换的一般步骤.112.2 ADC0809 内部功能与引脚介绍.112.3 ADC0809 与 MCS-51 系列单片机的接口方法.142.4 控制器、振荡源和复位电路 .152.5 键盘与显示电路 .173 3 软件设计软件设计.18183.1 A/D

2、转换.1832 标度变换 .213.3 数制转换 .223.4 键盘程序 .233.5 LED 显示程序.244 4 结论结论 .2525参考文献参考文献.2626致谢致谢.2727欢迎下载基于单片机的基于单片机的 A/DA/D 转换电路与程序设计转换电路与程序设计XXX西南大学工程技术学院，重庆 400716摘要摘要：A/D 转换是指将模拟信号转换为数字信号，这在信号处理、信号传输等领域具有重要的意义。常用的 A/D 转换电路有专用 A/D 集成电路、单片机 ADC 模块，前者精度高、电路复杂，后者成本低、设计简单。基于单片机的 A/D 转换电路在实际电路中获得了广泛的应用，论文对这一电路结

3、构进行了详细的研究。关键词关键词：单片机；AD 转换器；电路欢迎下载Based on SCM A/D Circuit and Program DesignTANG XiaolingCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract:A/D conversion refers to analog signals into digital signals, which in signal processing, signal transmission fields

4、has the vital significance. Commonly used A/D circuit has dedicated A/D IC chip, high precision, the former ADC module circuit, the complex, low cost, simple design. Based on SCM A/D circuit in practical circuit has been widely used in the circuit, this paper makes A detailed study of the structure.

5、欢迎下载0 文献综述文献综述数据采集系统用于将模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号。该系统目的是便于对某些物理量进行监视。数据采集系统的好坏取决于他的精度和速度。设计时,应在保证精度的情况下尽可能的提高速度以满足实时采样、实时处理、实时控制的要求。在科学研究中应用该系统可以获得大量动态;是研究瞬间物理过程的重要手段;亦是获取科学奥秘的重要手段之一。本文采用新颖的方法完成设计,用到的集成芯片主要有 8051 单片机、ADC0809、等.ADC0809 主要作用是对八路模拟信号进行选择采集,并将其转化为八位数字信号,再送至主控制器(8051 单片机);由单片机外界键盘控制，由数码管显示。1 引言

6、引言在设计一个控制系统时，首先要对系统进行分析明确设计任务和设计要求，作为系统方案设计的依据。合理选着系统的构成方案，合理规划分硬件和软件的功能，以有利于兼顾性能、价格比和缩短开发周期。硬件设计应以在充分满足系统功能的前提下最简单为原则，在系统的运用中，单片机被广泛运用。A/D转换的方法是由传输信号与接收信号图解方法，借助这种方法可以在已知发，接收点和存储的条件下，制造出各式各样的电器产品。1.1 任务分析与方案确定任务分析与方案确定根据系统基本要求，将本系统划分为如下几个部分：信号调理电路8 路模拟信号的产生与 A/D 转换器发送端的数据采集与传输控制器欢迎下载人机通道的接口电路数据采集与传

7、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（或 PC 机）组成。系统框图如图1 所示图 1 一般系统框图Fig.1 general system diagram1.2 单片机的系统分析单片机的系统分析1.复位电路 单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器 CPU 以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51 的RST 引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效持续时间要有 24 个时钟周期以上。本系统中单片机时钟频率为 6MHz 则复位脉冲至少应为 4us。方案一：上电复位电路 图 2 上电复位 图 3 外部复位 Fi

8、g.2 The reset Fig.3 External reset被测物理量传感器预处理ADC输入接口MCU键盘LED欢迎下载上电瞬间，RST 端的的电位与 Vcc 相同，随着电容的逐步充电，充电电流减小，RST 电位逐渐下降。上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期，在这段时间里，振荡建立时间不超过 10ms。复位电路的典型参数为：C 取 10uF,R 取 8.2k,故时间常数=RC=10108.210 =82ms63以满足要求。方案二.外部复位电路按下开关时，电源通过电阻对外接电容进行充电，使 RES 端为高电平，复位按钮松开后，电容通过下拉电阻放电，逐渐使 RET 端恢复

9、低电平。图 4 外部上电复位Fig.4 The external electric reset方案三：上电外部复位电路 典型的上电外部复位电路是既具有上电复位又具有外部复位电路，上电瞬间，C 与 Rx 构成充电电路，RST 引脚出现正脉冲，只要 RST 保持足够的高电平，就能使单片机复位。一般取 C=22uF，R=200,Rx=1k,此时=2210110 =22ms6 3当按下按钮，RST 出现5=4.2V时，使单片机复位。120010002.振荡源 在 MCS-51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1(19)、XTAL2(18)分别是此放大器的输入端和输出端。方案一：

10、内部方式与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成一个自激振荡器。欢迎下载方案二：外部方式 外部振荡器信号的接法与芯片类型有关。CMOS 工艺的 MCU 其 XTAL1 端接外部时钟信号，XTAL2 端可悬空。HMOS 工艺的 MCU 则 XTAL2 端接外部时钟信号，XTAL1 端须接地。在 MCS-51 单片机系列芯片中，用 8051 或 8751 芯片可以构成最小系统。因为 8051 和 8751 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，用这种芯片构成的单片及最小系统简单、可靠。8051 构成的最小系统特点：受集成度所限，只能用于小型控制单元。有可供用户使用的大量的 I/O 口线。仅有

11、芯片内部的存储器，故存储器的容量有限。8051 的应用软件要依靠半导体掩膜技术植入，适于在大批量生产的应用系统中使用。1.3 A/D 转换器的选取转换器的选取1.转换时间的选择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。2.ADC 位数的选择A/D 转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。要求精度为 0.5%。对于该 8 个通道的输入信号，8 位 A/D 转换器，其精度为80.39%2输入为 05

12、V 时，分辨率为850.01961122FsNVvA/D 转换器的满量程值Fsv ADC 的二进制位数N欢迎下载量化误差为850.0098(1) 2(1) 222FsNQVvADC0809 是 TI 公司生产的 8 位逐次逼近式模数转换器，包括一个 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。1.4 传感器的数据采集传感器的数据采集数据采集方式有顺序控制数据采集和程

13、序控制数据采集。方案一：顺序控制数据采集，顾名思义，它是对各路被采集参数，按时间顺序依次轮流采样。原理如下图 5 所示，系统的性能完全由硬件设备决定。在每次的采集过程中，所采集参数的数目、采样点数、采样速率、采样精度都固定不变。若要改变这些指标，需改变接线或更换设备方能实现。数据采集时，控制多路传输门开启和关闭的信号来自脉冲分配器，在时钟脉冲的推动下，这些控制信号不断循环，使传输门以先后顺序循环启闭。 图 5 顺序数据采集原理 Fig.5 Sequential data collection principle方案二：程序控制数据采集，由硬件和软件两部分组成。 ，据不同的采集需要，在程序存储器

14、中，存放若干种信号采集程序，选择相应的采集程序进行采集工作，还可通过编新的程序，以满足不同采样任务的要求。如图 6 所示。欢迎下载图 6 程序控制数据采集原理Fig.6 Program control data collection principle程序控制数据采集的采样通道地址可随意选择，控制多路传输门开启的通道地址码由存储器中读出的指令确定。即改变存储器中的指令内容便可改变通道地址。由于顺序控制数据采集方式缺乏通用性和灵活性，所以本设计中选用程序控制数据采集方式。采集多路模拟信号时，一般用多路模拟开关巡回检测的方式，即一种数据采集的方式。利用多路开关（MUX）让多个被测对象共用同一个采集

15、通道，这就是多通道数据采集系统的实质。当采集高速信号时，A/D 转换器前端还需加采样/保持(S/H)电路。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给 A/D 转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。通常希望输入到 A/D 转换器的信号能接近 A/D 转换器的满量程以保证转换精度，因此在直流电流电源输出端与 A/D 转换器之间应接入放大器以满足要求。本题要求中的被测量为 05V 直流信号，由于输出电压比较大，满足 A/D转换输入的要求，故可省去放大器，

16、而将电源输出直接连接至 A/D 转换器输入欢迎下载端。多路数据采集输入通道的结构图 7 所示。Fig.7 data collection input channel structure注：缓慢变化信号和直流信号，采样保持电路可以省略。1.5 显示与键盘分析显示与键盘分析对系统发出命令和输出显示测量结果，主要是由键盘和 LED 数码显示器组成。缓慢变化信号和直流信号，要求用数码管适时地进行十进制显示，由于精度要达到 0.5%，所以这里用 5 只 LED 数码显示器来表示该十进制数，用两只七段数码显示器表示通道号。为实现通道的选取，用键盘实现控制功能。1译码方法用单片机驱动 LED 数码管有很多方

17、法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。方案一：硬件译码硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成，CPU 只要送出标准的 BCD 码即可，硬件接线有一定标准。方案二：软件译码 软件译码是用软件来完成硬件的功能，接线灵活，显示段码完全由软件来处理，是目前常用的显示驱动方式。2显示方法 在该单片机系统中，使用 7 段 LED 显示器构成 8 位显示器，段选线控制显示的字符，位选线控制显示位的亮或暗。图 7 多路数据采集输入通道结构欢迎下载方案一：静态显示静态显示，显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不用再管，直到下一次显示数据需要更

18、新时再传送一次数据。编程容易，管理简单，显示亮度高，显示数据稳定，占用很少的 CPU 时间。但引线多，线路复杂，硬件成本高。方案二：动态显示动态显示需要 CPU 时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据会有闪烁感，占用的 CPU 时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的 CPU 时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的 CPU 时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。当显示装置中有多个多段 LED 时，通常采用动态扫描驱动电路，节省开销。3显示接口芯片的选择方案一：8279 接口芯片8279 是 Intel 公司的通用可编

19、程键盘和显示器接口电路芯片，内部有显示RAM。8279 可以实现对键盘和显示器的自动扫描，识别闭合键的键号，完成显示器的动态显示。从而大大节省了 CPU 处理键盘和显示器的时间，提高了CPU 的工作效率。另外，8279 与单片机的接口简单，显示稳定，工作可靠。但8279 所需外围元件多（显示驱动、译码等） 、命令字多，调试困难，占用电路板面积大、综合成本高，在中小系统中常常大材小用。方案二：8155 接口芯片采用并行口扩展芯片扩展并行口的方法来设计显示系统。用做显示系统的传统的芯片有 8155、8255、8279 等。这种方式的优点是速度快，显示数据简单。缺点是，占用单片机口线多。如用 815

20、5，其内部集成有：256 个字节的SRAM、一个 14 位二进制减法计数器和 3 个并行端口 PA、PB 和 PC。但此方案同样需要驱动显示，同时显示扫描还需占用 CPU 大量时间。但为设计的简单化带来方便，所以采用该芯片作为显示接口芯片，A 口为位选线，B 口为段选线。欢迎下载4键盘电路的确定为了在控制系统中完成采集通道的选择，还需要为该系统设置键盘。由于功能要求简单，仅用两个按键即可完成选择功能，降低了系统的硬件开销，软件处理简单。2 系统硬件设计系统硬件设计2.1 A/D 转换的一般步骤转换的一般步骤1.采样-保持为了能不失真的恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号的频谱中最高频率

21、的两倍，这就是采样定理，即sImax2ff 由于 A/D 转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保持是做成一个电路。2.量化与编码模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。以上为 A/D 转换的一般步骤，在本电路中由 ADC0809 芯片完成。2.2 ADC0809 内部功能与引脚介绍内部功能与引脚介绍ADC0809 八位逐次逼近式 AD 转换器是一种单片 CMOS 器件，包括 8 位模拟转换器、8 通道转

22、换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8 路转换开关能直接连通 8 个单端模拟信号中的任何一个。其内部结构如图 8 所示。欢迎下载图 8 ADC0809 内部结构Fig.8 ADC0809 internal structure1.ADC0809 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（最低有效位）转换时间（）128us500CLKfKHz转换精度：0.4%欢迎下载ADC0809 没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为 101

23、280kHz。典型时钟频率为 640kHz2.引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图 9 所示。图 9 A/DC0809 引脚Fig.9 A/DC0809 pin各引脚的功能如下：IN0IN7：8 个通道的模拟量输入端。可输入 05V 待转换的模拟电压。D0D7：8 位转换结果输出端。三态输出，D7 是最高位，D0 是最低位。A、B、C：通道选择端。当 CBA=000 时，IN0 输入；当 CBA=111 时，IN7 输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把 A、B、C 的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通 8 路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从

24、START 端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809 开始转换。脉冲宽度应不小于 100200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动 A/D 转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。CLK：时钟输入端。ADC0809 的典型时钟频率为 640kHz，转换时间约为100s。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809 的参考电压为5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809 使用5V 单一电源供电。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，欢迎下载并译码。在 START 上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行 A/D 转换，此期间

25、 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，为高电平时，表示转换结束。OE 为低电平时，D0D7 为高阻状态，OE 为高电平时，允许转换结果输出。2.3 ADC0809 与与 MCS-51 系列单片机的接口方法系列单片机的接口方法ADC0809 与 8051 单片机的硬件接口有 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

26、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。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RD正脉冲作为 OE 信号，

27、用一打开三态输出锁存器。其接口电路如图 10 所示。欢迎下载图 10 ADC0809与MCS-51的接口电路Fig.10 ADC0809 with MCS - 51 interface circuitSTART 信号和 OE 信号的逻辑表达式为图 11 ADC0809 时序图Fig.11 ADC0809 timing diagram当 8051 通过对 0000H0007H（基本地址）中的某个口地址进行一次写操作，即可启动相应通道的 AD 转换；当转换结束后,ADC0809 的 EOC 端向8051 发出中断申请信号；8051 通过对 0000H0007H 中的某个口地址进行一次读操作，即可得

28、到转换结果。注：ADC0809 的基准电压可通过基准电压芯片供给，如 MAX875,可供给 5V 基准电压。2.4 控制器、振荡源和复位电路控制器、振荡源和复位电路复位即回到初始状态，是单片机经常进入的工作状态。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。欢迎下载1复位电路 单片机的复位是靠外部电路实现的。无论是 HMOS 还是 CHMOS 型，在振荡器正运行的情况下，RST 引脚保持二个机器周期以上时间的高电平，系统复位。在 RST 端出现高电平的第二个周期，执行内部复位，以后每个周期复位一次，直至 RST 端变低。本文采用上电外部复位电路，如图 12 所示，相关参数

29、为典型值。图 12 上电外部复位电路Fig.12 The external reset circuit2.振荡源内部方式时钟电路如图 13 所示。外接晶体以及电容、构成并联谐振1c2c电路，接在放大器的反馈回路中，内部振荡器产生自激振荡，一般晶振可在212MHz 之间任选。对外接电容值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。外接晶体时，和通常选 30pF 左右；外接陶瓷谐振器时，和的典型值为1c2c1c2c欢迎下载47pF。图 13 内部振荡器方式Fig.13 Internal oscillator2.5 键盘与显示电路键盘与显示电

30、路1.键盘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，并作相应的处理。图 14 键盘硬件逻辑Fig.14 Keyboard hardware logic本系统中采用中断方式的开关代替键盘，完成采集通道的选择。硬件逻辑如图 14 所示。2.显示显示部分为 8 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

31、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 口位选，经 B 口确定那些字段 LED 发光。LED 发光时，驱动电流计算如下，每一字段脉冲电流1()5(1.60.9)250.1CCFCSVVVImARLED 正向压降FV欢迎下载晶体管的饱和压降CSV公共端最大电流218 25200INImA 原理图如图 15 所示图 15 显示电路原理Fig.15 Display circuit principle3 软件设计软件设计3.1 A/D 转换转换中断方式使用 EOC 信号作

32、为向 8051 的中断申请。在主程序中，向 ADC发出首次启动转换信号后，并计数管理转换通道数。当检测到 EOC 的请求后，转去执行中断服务程序，读取转换结果，并启动下一次转换，后继续执行。图16 为 A/D 转换程序流程图。17 为中断流程图。欢迎下载 Fig.16 Data collection process flow源程序：1.由电路图可以知道：ADC0809 的地址是 70FFh 2.ADC0809 的 8 个模拟通道所对应的口地址是 78FFh7FFFh 3.采样的开始，只要对模拟通道对应的地址写入一个数即启动转换。YN开始定义 A/D 转换缓冲区首地址开中断置通道数置 DPTR启

33、动转换等待中断各通道采完？中断处理返回关中断 图 16 数据采集程序流程图欢迎下载 4.由 P1.0 查询 ADC0809 的 EOC 信号，即可确定转换是否完成 5.8 个通道的转换结果依次放入 20h27h 存储单元中以下是 8 路数据采集程序org 0000h mov r1,#20h mov r2,#8h ; channel number! mov tl0,#0h mov th0,#0b8h ;mov tmod,#1h clr et0 setb tr0 mov scon,#40h mov dptr,#78ffhloop: mov a,r2 subb a,r1 jnz loop2 mov

34、r1,#0h mov dptr,#78ffh mov r1,#0h mov dptr,#78ffh loop1: jnb tf0,loop1 clr tf0 mov tl0,#0h mov th0,#0b8h loop2: movx dptr,a ;start A/Dloop3: jb p1.0,loop3loop4: jnb p1.0,loop4 ;check flag movx a,dptr ;read result Fig.17 Data acquisition interrupt 开始取转换量存入 A/D 转换数据缓冲区通道号+1缓存单元地址+1通道数-1启动下次转换返回图 17 数据

35、采集中断程序流程图欢迎下载 mov r1,a ;save result rogram flowchart inc dph ;next channel inc r1 ljmp loop end32 标度变换标度变换该单片机系统中，被测量经过 A/D 转换，均统一为 0255 二进制码，因此要把 A/D 转换的数码 X 变换成被测量的实际数值。 Fig.18 Scale transform program flowchart开始定义标度变换缓冲区R0 指向 A./D 转换缓冲区标度变换变换完毕？返回NY图 18 标度变换程序流程图欢迎下载3.3 数制转换数制转换由于标度变换后得到两个字节的实际数值

36、，不能直接送显示端显示，须经过适当的处理（此处将其转换为 5 位非压缩 BCD 码） ，才能送显示端输出显示。开始置 BCD 码个数置 BCD 码存储单元的首地址取数至 R4R5通道号左移 1 位置取数地址指针 R0 的初值置通道号存储单元置除数存入显示缓冲区显示缓冲区地址+1调用 NDIV 子程序BCD 转换完毕？返回YN图 19 双字节二进制整数转换成 BCD 码程序流程图欢迎下载 图 20 键盘中断程序流程图Fig.19 Double byte binary integer convert BCD program flow3.4 键盘程序键盘程序键盘部分软件主要功能是实现对通道号指示缓冲区的数值进行增或减，从而控制通道的选择。Fig.20 Keyboard program flow interruption开始 PSW,ACC 压栈保护按键 2 中断(通道减)按键 1 中断（通道加）PSW,ACC 出栈P1.