基于单片机的电压采集

基于单片机的电压采集摘要：本设计待测的输入电压为8路，电压范围为0～5V，使用目前广泛使用的AT89C51来做控制系统，用ADC0809来进行模拟电压的采集及模数转换，实现采集8路数据，并将结果在四位一体数码管上进行显示。该系统主要包括几大模块：数据采集模块、A／D转换模块、控制模块、显示模块。显示部分由LED数码显示器构成。该数字电压表具有电路简单，成本低等优点，可以方便地进8路A／D转换量的测量。关键词：电压采集、ADC0809、A/D转换、单片机89C51、数码管显示引言随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及电压等参数。同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。随着工、农业的发展，多路数据采集势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。采集系统，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。电压测量成为广大电子领域中必须掌握的过程，并且对测量的精度和采集功能的要求也越来越高，而电压的测量与显示系统甚为重要。在课程设计中对一路电压采集系统与显示系统作了基本的研究。电压采集与通信控制采用了模块化的设计，并用单片机8051来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括模-数转换模块，显示模块，和串行接口部分，还有一些简单的外围电路。1路被测电压通过通用ADC0809模-数转换，实现对采集到的电压进行模拟量到数字量的转换，由单片机对数据进行处理，用数码管显示模块来显示所采集的结果，由相关控制器完成数据接收和显示，汇编程序编写了更加明了化数据显示界面。本系统主要包括四大模块：数据采集模块、控制模块、显示模块、A/D转换模块。绘制电路原理图与工作流程图，并进行调试，最终设计完成了该系统的硬件电路。在软件编程上，采用了汇编语言进行编程，开发环境使用相关集成开发环境。开发了显示模块程序、A/D转换程序。一、电路设计方案及原理说明依据综合课程设计的要求，利用ADC0809设计一个单通道模拟电压采集显示电路，要求对所接通道变化的模拟电压值进行采集，采集来的数字量送至数码管指示出来，通过相关转换在数码管上精确显示出来。本课程设计相当于测直流电压的大小，通过对电压值的采集与处理，而由所学微控制器的知识可知，可以利用单片机的模数转换来实现这一设计，进一步把相应的电压值精确显示出来。模数转换就是利用单片机控制模数转换芯片（A/D）,让它对外部的一个模拟信号进行采样、量化、编码然后转化为一个离散的数字量，提供给控制器作进一步处理。对于常用的A/D转换芯片有ADC0809、ADC0808等。它们都是8位的模数转换芯片，就是把模拟量转换为一个8位的二进制数。利用单片机AT89C51与ADC0809设计一个电压采集系统，将模拟信号（实际设计时采用0～5V）之间的直流电压值转换成数字量信号0～FF，以数码管显示。Proteus软件启动仿真，当前输入电压为2．50V，转换成数字值为7FH，用鼠标指针调节电位器尺,可改变输入模／数转换器ADC0809的电压，并通过虚拟电压表观察ADC0809模拟量输入信号的电压值，LED数码管实时显示相应的数值量。此次电压表总体的方案就是用单片机的I/O口输出信号来控制A/D启动转换，将送入的模拟量转换为一个8位数字量，然后再通过I/O口送回单片机内部进行处理，单片机进行一系列的运算和校准后，通过数码管将电压值显示出来。而在方案的实现上由两部分组成：硬件部分和软件部分。硬件即电子元器件的选择且将它们连接成一个可行的硬件系统，软件是硬件系统功能化的重要组成部分。硬件的设计可以在Proteus上进行，软件可以用Proteus自带的汇编工具，然后在Proteus将硬软件相结合，进行仿真，再根据结果不断对硬件进行改进，对软件进行调试，实现电压的采集与显示功能。1.1ADC0809模数转换芯片1.ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。（1）ADC0809的内部逻辑结构

由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。（2）．ADC0809引脚结构ADC0809各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线。

ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条

ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。2．ADC0809应用说明（1）．ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。（2）．初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）．在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）．是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）．当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。1.2AT89C51单片机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。该题目中单片机时钟频率采用12MHz,则ALE输出的频率是2MHz，四分频后为500KHz,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0000H～0007H。其对应关系上面已做介绍。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P3.0产生正脉冲作为OE信号，用来打开三态输出锁存器。其接口电路如图1-2所示。当8051通过对0000H～0007H（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A／D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0000H～0007H中的某个口地址进行一次读操作，即可得到转换结果。1.34个共阳7段数码管显示器共阳极7段LED数码管和共阴极LED数码管结构类似，其引脚配置，如图所示。从图中可以看出7段LED数码管同样由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字形“8”，另一个发光二极管构成小数点。共阳极7段LED数码管的内部结构，如图所示。其中所有发光二极管的阳极为公共端，接+5v电压。如果发光二极管的阴极为低电平的时候，发光二极管导通，该字段发光；反之，如果发光二极管的阴极为高电平的时候，发光二极管截止，该字段不发光。共阳极7段LED引脚配置共阳极7段LED结构图1.4系统整体工作原理1硬件设计（1）系统构成该系统主要包括几大模块：数据采集模块、A／D转换模块、控制模块、显示模块、按键模块等。采用AT89C51作为控制模块，ADC0809作为A／D转换模块的核心，ADC0809本身具有8路模拟量输入端口，通过C、B、A，3位地址输入端，能从8路中选择一路进行转换。如每隔一段时间依次轮流改变3位地址输入端的地址，就能依次对8路输入电压进行测量。LED数码管的显示采用软件译码动态显示，通过按键模块的操作可以选择8路循环显示，也可以选择某条单路显示。（2）数据采集电路数据采集电路是系统的主要组成部分，ADC0809具有8路模拟量输入通道IN0～IN7，通过3位地址输入端C、B、A(引脚23～25)进行选择。引脚22为地址锁存控制端ALE，当输入为高电平时，C、B、A引脚输入的地址锁存于ADC0809内部锁存器中，经内部译码电路译码选中相应的模拟通道。引脚6为启动转换控制端START，当输入一个2US宽的高电平脉冲时，就启动ADC0809开始对输入通道的模拟量进行转换。引脚7为A／D转换器，当开始转换时，EOC信号为低电平，经过一段时间，换结束，转换结束信号EOC输出高电平，转换结果存放干ADC0809内部的输出数据寄存器中。引脚9脚为A／D转换数据输出允许控制端OE，当0E为高电平时，存放于输出数据锁存器中的数据通过ADC0809的数据线DO～D7输出。引脚10为ADC0809的时钟信号输人端CLOCK。在连接时，ADC0809的数据线D0～D7与AT89C51的P1口相连接，ADC0809的地址引脚、地址锁存端ALE、启动信号START、数据输出允许控制端OE分别与AT89C51的P3口相连接，转换结束信号EOC与AT89C52的P3．1相连接。二、软件设计（1）主程序主程序包含初始化部分，调用A／D转换子程序和调用显示子程序。（2）数据处理子程序ADC0809转换之后输出的结果是8位二进制数。由公式(1)可知，当ADC0809输出为(1l1l11111)时，输入电压值V=5．00V{当ADC0809输出为(00000000)时，输入电压值为0.0O0V；当ADC0809输出为(10000000)时，输入电压值V=2．50V。由于单片机进行数学运算时结果只取整数部分，因此当输出为(10000000)时计算出的电压值V=2．OOV，很不准确。为了提高精确度，必须把小数部分保留，具体运算方式如公式(2)。个位：Dout*196/10000十分位：(Dout*196/1000)%10百分位：(Dout*196/100)%10千分位：（Dout*196/10）%10由此得到较为精确的数值。对上面的硬件部分，按照软件流程框图进行软件设计。用C语言进行程序的编写。#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedcharsbitP2_0=P2^0;sbitP2_1=P2^1;//定义数码管位码端口sbitP2_2=P2^2;sbitP2_3=P2^3;sbitOE=P3^0;//定义ADC0808端口sbitEOC=P3^1;sbitST=P3^2;sbitP3_4=P3^4;sbitP3_5=P3^5;sbitP3_6=P3^6;ucharcodetable1[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12};//带小数点的0~5六个ucharcodetab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//共阳极0~9十个段码/段码ucharvolt_data;voidinit();uchari;//*********************************//延时子程序//*********************************voiddelay(ucharz){ucharx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}//*********************************//将AD转换输出的数据转换成相应的//电压值并且显示出来//*********************************voidconvert(ucharvolt_data){P0=table1[volt_data*196/10000];//AD转换的个位的电压值P2_0=1;delay(2);P2_0=0;P0=tab[volt_data*196/1000%10];P2_1=1;//显示小数点的后的第一位delay(2);P2_1=0;P0=tab[volt_data*196/100%10];P2_2=1;//显示小数点的后的第二位delay(2);P2_2=0;P0=tab[volt_data*196/10%10];P2_3=1;//显示小数点的后的第二位delay(2);P2_3=0;}voidmain(){ucharvolt_data;init();//初始化子程序while(1){if(i==5){i=0;ST=0;_nop_();ST=1;_nop_();ST=0;//启动AD转换if(EOC==0)//等待转换结束delay(2);while(EOC==0);OE=1;//允许输出volt_data=P1;convert(volt_data);//调用数据处理子程序delay(2);//暂存转换结果OE=0;//关闭输出}}}voidtime0_int(void)interrupt1{TH0=(65536-1000)/256;TL0=(65536-1000)%256;i++;}voidinit(){P3_4=1;//选择通道3P3_5=1;P3_6=0;TMOD=0x01;TH0=(65536-1000)/256;TL0=(65536-1000)%256;EA=1;ET0=1;i=0;TR0=1;}三、设计框图3．1硬件总体框图该系统硬件总体框图由四个模块组成，如下图3所示。在芯片的选择中，一般的A/D芯片具有多路转换通道，本课程设计中我们只做一路通道，该通道采集电压，对采集的电压值进行采集、处理并显示，我们还可以通过改变A/D芯片的参考电压来改变其量程，达到对电压值的多样化显示。A/D芯片将输入的模拟电压值转换为一个8位的二进制数字，再输送到单片机控制单元，经过处理显示出相应电压值。3.2主程序流程图设计程序部分时，主要应包括主函数和和几个功能子函数。主程序流程图如下图所示。3.3待测信号源单元电路待测信号源就是直流电压采集时，所须测电压值的信号源，其电路图如图3-3-1所示。该部分实际上是一个滑动变阻器均接在电源和地两端，中间的滑线端提供两路