1、数据采集系统实验报告任务要求1.4路模拟量输入，输入电压范闱05V,分辨率8位，转换时间lOOus,具有显示（数 码管）测量结果（用10进制显示直流电压值或交流电压峰值）的功能；2.1路模拟量输出，用来分别重现4路被采信号的波形（供示波器观测）本数据采集系统是基于单片机AT89C51来完成的,4路的模拟电压通过通用的8位AQ 转换器ADC0809转换成数字信号后，由单片机进行数据处理，并将处理后的数据送LED 显示器显示。再经过常用的8位D/A转换器DAC0832将数字数据转换成模拟量，供示波器 观测。1.系统的方案选择和论证根据题目基本要求，可将其划为如下几个部分:4路模拟信号AQ转换单片机
2、数据处理LED显示测量结果D/A转换模拟量输出系统框图如图1所示：LED显示模拟输入4模拟输入2模拟输入3模拟开关A/D转换器51单片机键盘控制模拟输入4D/A转换器图1单片机数据采集系统框图1、4路模拟信号A/D转换由于被测电压范围为05V,分辨率为8位，转换时间为10011S,所以A，Q转换部分,本系统选择常用的8路8位逐次逼近式AD转换器ADC0809oADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能。INOIN7： 8路模拟量输入端。2-12-8： 8位数字量输出端。ADDA、ADDE、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
3、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，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KH乙REF （ + ）、REF （-）：基准电压。Vcc：电源，单一+ 5V。GND：地。ADC0809的工作过程是：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
4、。F 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。2、 单片机数据处理选择美国ATMEL公司的CMOS8位单片机AT89C51,其工作电压为2.76V，具有低电 压低功耗性能和高性价比，兼容标准MCS-51指令系统，4Kbvtes的PEROM和128bvtes的 RAM,片内置通用的8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。AT89C51是一种带有4 KB闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性
5、能CMOS 8位 微处理器，可为很多嵌入式控制系统提供灵活且价廉的方案。所以，本设计采用ATMEL公 司的AT89C51作为程序的主控芯片。AT89C51数据总线是由P0丨I提供的,PO I I本身能以多种方式提供数据总线和地址总线。 当ALE输出信号为高电平时，P0将输出的数据锁入总线驱动器中作为地址的低8位，然后 和P2送出来的高8位地址一起组成一个完整的16位地址，以寻址到外部的64KB的地址空 间。AT89C51的地址总线比较简单（只有3个：RD、WR、PSEN）,其中RD是用来读取外 部数据内存的控制线，WR是用来写数据到外部数据内存的控制线，PSEN是用来存取外部 程序内存的读取控
6、制线。3、 LED显示测量结果这里选择的是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管 理芯片ZLG7289B,它可直接驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）,同时还可 以扫描管理多达64只按键。ZLG7289B内部含有显示译码器，可直接接受BCD码或16 进制码，并同时具有2种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、 右移、段寻址等。ZLG7289B采用SPI串行总线与微控制器接I丨，仅占用少数几根I/O II 线。利用片选信号，多片ZLG7289B还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于8位 的显示或多于64只按键的应用。4、D/A转换模拟量输出在本
7、设计中D/A转换的作用是使得采集处理过的数据通过D/A转换电路后送示波器进行 观察。这里选择了 DAC0832这一 D/A转换器。它是一个8位D/A转换芯片，唯一电源供 电，从+5V15V均可正常工作，其引脚功能说明如下：DIODI7：数据输入线，TLL电平。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS：片选信号输入线，低电平有效。WR1：为输入寄存器的写选通信号。XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2：为DAC寄存器写选通输入线。Ioutl:电流输出线。当输入全为1时Ioutl最大。Iout2：电流输出线。其值与Ioutl之和为一常数。RFb：反馈信号输入线，芯片内部有
8、反馈电阻.Vcc：电源输入线（+5v+15v）Vref：基准电压输入线（J0v+10v）AGND：模拟地，模拟信号和基准电源的参考地.DGND：数字地，两种地线在基准电源处共地比较好二、系统的硬件设计本系统硬件电路包扌舌以卞几个部分：AT89C51外I料电路（如时钟电路、复位电路等）AT89C51 和 ADC0809 接 I 丨电路AT89C51 和 DAC0832 接 I 丨电路LED显示电路1、AT89C51外围电路（如时钟电路、复位电路等）AT89C2051中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放人器，引脚XTA11和XTAL2 分别是该放人器的输入端和输出端，这个放人器与作为反馈元件的
9、片外石英晶体一起构成自 己振荡器，外接石英晶体和电容Cl、C2接在放人器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容没有太严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性 等，这里选用12MHz的石英晶体，电容选用33pF,如图2所示。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信 号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头 分合过程中引起的抖动而影响复位。本设计的时钟电路如图3所示。XTAL1Y2iDh12MHzXTAL2C5I 33pF二 C6I 33pF图3复位电路图2时钟电路2、AT89C51 和 AD
10、C0809 接 口电路AT89C51和ADC0809接I I电路如图4所示，START和ALE互连可使ADC0809在接 收模拟量路数地址时候启动工作。START的启动信号由89C51的顾和P2.7经或门U7A 产生。平时，START因P2.7高电平而被封锁。ALE的正脉冲使得ADDA、ADDB和ADDC 上的地址锁存，选中IN0-IN3路模拟电压送入比较器，这里ADDA、ADDB和ADDC分别 和PO.O,PO丄P0.2连接。EOC线经过反相器和AT89C51的INT1线相连，这里采用中断方式 来和ADC0809传送AD转换后的数字量。为了给OE线分配一个地址，把AT89C51的RD 和P2
11、.7经或门U7E和OE相连。平时，因P2.7为高电平，从而使得OE处于低电平封锁状 态。在响应中断时候，单片机执行中断服务程序使得OE变为高电平，从而打开三态输出锁 存器，让CPU提取A/D转换后的数字量。ADC0809的时钟CLK由两个D触发器把AT89C51的ALE信号4分频后来得到，如图 5所示，如呆使用单片机时钟电路选择12MHz的晶振，那么ALE信号的频率为2MHz( 12/6), 经两个串联D触发器四分频之后，CLK端的频率为500KHZ,能够满足ADC0809要求。V.-RXT.L!】9 XTAL： -JSDCL$：4XPl 002)Pl l(T2X)Pl 2P!3PHPMP!.
12、6Pl 7W5(TI)P3.4O0)EVP? muXT.L29RSTPI.更 P36肢(ADO)POO (ADl)PO 1 AD2)FO2 (ADPO； AD4)P04 (ADJW5 (ADeP0.6 (AD7)P0(AS)F：O (AWl! (Aim: WBP2 3 (A.121P14 阳$ ZJP2.6 CLKCLR033 t3-k24ADDA 2po.FT t0 .wdbTVCCs0Z9oOO17/A：14n/gs/S18/辺19/tOU20/42140 VCC2C .2 RXD nTXD =ALI5DC3- po.yr10GND4LSi 50VCCcue STARTEOC OEADDA
13、ADDBADDCVRH+ALEmr-GND丁 VCC 12 16?XIADC閃只13V5A 】4LS02 U5B图 4AT89C51 和 ADC0809 接 口电路10 CLK262SADDA ADDR ADDCVCCDM74LS4AND PRQ CLKCLRQU4B9CLKDlXLSrAN图5时钟分频电路3. AT89C51 和 DAC0832 接口电路VCCP261置沁DIODI1盘DI4DI5DI6DI7芻.01 2 3.4.5.67 t)o.t)ooo.DOpo-PO.POPO图 6AT89C51 和 DAC0832 接 口电路DAC0S32AT89C51和DAC0832接I I时，可
14、以有三种方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 本系统选择单缓冲方式，电路如图6所示。ILE直接接到VCC,允许数字量输入，看和 XFER由译码器的输出端F7控制，从而控制DAC0832的8位输入寄存器。AT89C51的顾 和DAC0832的顾三连接，阪直接接地，这样 碾和阪2之间的延迟可以满足不小于 500ns。参考电压直接选择VCCo Rbf作为运算放人器反馈线，接到UA741输出端，Ioutl 和Iout2接到其输入端。4、LED显示电路LED显示电路如图7所示。图中，VCC和GND之间接入100uF的电容，使得电源更 加稳定，通过拉低而引脚的方法复位ZLG7289B,四个数码管是共阴
15、式的，至&:是 限流电阻，&至&是下拉电阻。KC0/DIG0、KC3/DIG3来作为位选信号来选择LED数码 管的显示。在这里使用键盘功能，真正实现人机交互，四个按键开关分别控制四路模拟信号 的输入。晶振这里选择和单片机同样的晶振，即12MHZo数码管0显示选择通道，数码管 1、2、3显示电压峰值。ZLG7289B的CS、CLK和DIO引脚分别接在单片机P1.0、P1.1和 P1.2引脚，ZLG7289B的INT接单片机的P3.3,也即中断1,实现模拟信号输入通道的选择。Cl IL=ZC2lOOuFvccRO 10KRTCCRSTVCC0SC1NC0SC2GNDKC DIG*NCKC6DIWC
16、SKC5DIO5CLKKC4DIG4DIOKC3DIG3INTKC2DIG2SGKROKC1DIG1SFKR1KC0.DIO1SEKR2KR* DpSDKR3KR6 SASCKR4KR5 SBZLG2S9BC3C4二C5T10pF必 A B c D E F G图7 LED显示电路部分(1)DS2comO comt1012 3 4 5 6 73s g GND4A B c D E F G1010图 8 LED6com2显示电路部分(2)三、系统的软件实现本系统软件包括系统初始化、数据采集与处理，AD转换、DA转换和数据显示几个部分。其中主程序流程图如图8所示，AD转换程序流程图如图9所示，DA转换
17、程序如图10 所示。实验源程序见附录2.启动D/A转换 c of Q before the indcated input conditovGrG estab.shed.Note 1: Th confguraton 冷 nonstab倉：that ft will not persist when erther the preset and/or cear inputs return to the r inactrve (HIGH) evei.图14 D触发器真值表很明显，只有PR和CLR同时为高电平时，D触发器才能正常工作，所以以后在使用某一 芯片之前，一定要认真查看其技术资料才行。解决方法:D
18、触发器PR和CLR接VCC,如图15所示。vrr图15 D触发器PR和CLR接地 图16 D触发器PR和CLR接VCC4、EOC始终是高电平原因：EOC始终是高电平，那就说明ADC0809根本就没有启动，而ADC0809是在START 和ALE接收模拟量路数地址时候启动工作的。那么问题就出现在这里，原来是地址写错了， 经过改正，启动正常，转换结果也正常了。五、实验结果及结论1、AD转换及LED显示结果及结论实验中，通道0,通道1和通道2分别接地、VCC和信号发生器出來的信号，通道0和通道1结果如下：按键通道实际值LED显示值000V （地）0.030115V (VCC)5.001注：LED显示
19、值最后一位表示选择通道。下面表格是通道2结果，该表格适用于频率的范围为5HZ一2KHZ,这里选取7 lOOHzo频率（Hz）100100100100100100100100幅值（V）2.53.03.23.54.04.24.55.0LED2.5023.0323.2123.4723.9624.2924.5324.982注：LED显示值最后一位表示选择通道。2、DA转换及示波器显示结果如图17所示，下面一路是输入信号，上面一路是DA转换输出信号，有图可见， 输出波形基本重现了原始输入波形，通过将两者重合，可以发现，相位也比较吻合。图17 DA转换结果结论：本系统符合任务要求，能够很好的实现AD转换、
20、DA转换以及键盘控制和LED显 示。六、实验心得体会从对实验题目的认真分析，到实验方案的设计和论证，从源程序的编写到面包板电路的 搭建，还有就是最后实验电路的调试，这一系列过程走下来，可谓是艰辛啊。由于本科期间 做的电路实验大部分都是验证性实验，所以就少了设计、制作和调试电路中的所有能遇到的 问题，而作为研究生，这些问题在以后的学习研究中必定会经常遇到，正是因为这次训练, 才真正提高了自己的发现问题、分析问题和解决问题的能力，这势必给我以后的学习研究带 来极人的帮助。经过这次实验，我发现，电子技术方面的实验或者研究，必须自始至终的细心细心在 细心，调试之前一定要一遍一遍又一遍的检查电路，确保电
21、路连线准确无误之后再接电源, 否则就可能某些芯片就会被迅速烧坏，从而造成很多麻烦。在调试的时候，要分模块调试, 就拿本实验来说，先调试7289按键中断是否起效，数码管显示是否准确，再调AD是否启 动，转换是否准确，最后再调DA部分。在这几部分电路模块调试的时候，要学会用示波器 或者万用表测各个芯片的各个引脚电平是否正常，时钟电路是否正常，引脚之间会不会有短 路现象出现等等，软件部分的调试，要学会单步调试和断点调试，弄清楚程序是否按正常步 骤运行，观察各个寄存器和变量的值是否正确，中断是否成功等。还有就是关于电路的设计 和调试，切忌眼高手低，一定要多动手，遇到问题要沉着冷静。七、 感谢首先感谢杨
22、栓科老师从始至终的指导和最后调试阶段补开实验室给我，其次感谢师兄师 姐们在我调试阶段的指导和帮助，还要感谢实验室徐峥宇和赵同学，在期末考试即将来临的 时候，他们还耐心的帮我解决调试中的各种问题。八、 参考资料1胡汉才.单片机原理及其接门技术.清华大学出版社，2004.22孙肖子等.电子设计指南.高等教育出版社，2006.13张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术一一基于C语言编程.电子工业出版社， 2004.84王建校、杨建国、宁改娣、危建国.51系列单片机及C51程序设计.科学出版社,2002.45全国人学生电子设计竞赛组委会.第五届全国人学生电子设计竞赛获奖作品选编.北 京理工大学出版社，2
23、003.附录1:元件清单器件名称个数器件名称个数AT89C511LED4ADC08091270欧姆电阻8DAC0832110k欧姆电阻2ZLG7289B.1lk欧姆电阻1DM74LS74AN2100K欧姆电阻8SN74LS138N1按键开关512MHz晶振233pF电容2DM74LS14N110pF电容374LS02210011F电容1UA741ID1lOOuF电解电容1导线若干lOuF电解电容1备注：调试过程中，本人对部分细节电路进行了更改，额外增加74LS373芯片，而取消使 用原来的74LS138,当然也增加了一些电阻。7289电路部分，由于没有lOOuF电解电容和 100nF电容，所以
24、分别用220uF电解电容和220nF电容代替，实验结果证明对电路无大的影 响，由于面包板面枳有限，而布线相对较多，尤其是7289部分，所以没有用到反相器 DM74LS14N,而是使用或非门实现将ADC08509EOC信号的反相。由于7289具有按键防 抖功能，按键开关则是使用线头快速接触来实现。由于仿真器上有111.0592M晶振，所以 12MHz晶振只用了一个，那就是7289时钟电路。附录2：实验程序#define _SHUJU_C_#include Hieg52.hn#include zlg7289.1T#include nstdio.hM/ZDAC0832 地址include nabsacc.hHlllllllllllllllllllllll#define INO/XBYTE0X7FF8通道0#define INIXBYTE0X7FF9通道1#define IN2XBYTE0X7FFA通道2#define IN3XBYTE0X7FFB通道3define dacO832Addr OXBFF
