基于rs-232的8位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計論文

1、<p>　　題　　目:基于RS-232的8位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</p><p>　　【摘要】以AT89C2051單片機為核心，采用串行A/D轉換器，設計一個串行數(shù)據(jù)采集/傳輸模塊。系統(tǒng)對模擬信號進行現(xiàn)場同步檢測信號，經(jīng)過濾波處理，輸入到多路開關，用鎖存器和譯碼器進行地址鎖存和譯碼。經(jīng)過模數(shù)轉換器后，送入單片機。為使傳輸?shù)木嚯x增長，提高信號的準確性，采用基于RS-232的芯片，然后再與PC機相連。</p&

2、gt;<p>　　【關鍵詞】AD轉換 數(shù)據(jù)采集</p><p>　　【Abstract】To AT89C2051 as the core, using the Serial A / D converters. Design a serial data collection / transmission module. Analog signal system on-site synchronous

3、detection signal after amplification and filtering, multi-channel input to the switch, with latches and decoder for decoding and address latches. After Analog to Digital, into the MCU. To enable the transmission distance

4、 growth, and improving the accuracy of signals, based on the RS-232 chip. then connected with the PC.</p><p>　　【Key Words】AD converter Data Acquisition </p><p><b>　　目　　錄</b></p

5、><p><b>　　1 概述1</b></p><p>　　2 電路工作原理及說明 2</p><p>　　2.1 電路工作原理2</p><p>　　2.2 原理框圖3</p><p>　　3 信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集各部分電路及元器件介紹 4</p><p

6、>　　3．1 信號調(diào)理電路4</p><p>　　3．2 數(shù)據(jù)采集電路5</p><p>　　3．2．1 數(shù)據(jù)采集保持電路5</p><p>　　3．2．2 多路模擬開關7</p><p>　　4 AD轉換部分電路及元器件介紹9</p><p>　　4.1 AD轉換器ADC08099</p

7、><p>　　4.1.1 A/D轉換器的選取9</p><p>　　4.1.2 ADC0809內(nèi)部功能與引腳介紹10</p><p>　　4.1.3 ADC0809的時序邏輯12</p><p>　　4.2 AT89C2051芯片13</p><p>　　4.2.1 AT89C2051的概括功能14<

8、;/p><p>　　4.2.2 AT89C2051的結構15</p><p>　　4.2.3 AT89C2051的引腳說明15</p><p>　　4.2.4 AT89C2051的振蕩器和專用寄存器特性17</p><p>　　5 通信電路及元器件介紹17</p><p>　　5.1 MAX232芯片1

9、7</p><p>　　5.2 RS-232接口標準19</p><p>　　5.2.1 RS-232串行接口標準……………………………………………………20</p><p>　　5.2.2 RS-232的電氣特性20</p><p>　　6 基于RS-232的8位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路圖及其原理說明21</p><

10、p><b>　　7 總結22</b></p><p>　　8 參考文獻22</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集是對一個或多個信號獲取對象信息的過程。數(shù)據(jù)采集器是一種具有實驗室或現(xiàn)場進行實時數(shù)據(jù)采集、自動存儲記錄、信號預處理、即時顯示、即時狀態(tài)分析、自動傳輸?shù)裙δ艿淖詣?/p>

11、化設備。本文主要介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最新發(fā)展、系統(tǒng)并行串行總線接口、系統(tǒng)通信的新技術、國內(nèi)外常用的數(shù)據(jù)采集器及不同采集器的特點和存在的問題。</p><p>　　隨著計算機技術的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個領域有著廣泛的應用。數(shù)據(jù)采集是工、農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中至關重要的一環(huán)，在醫(yī)藥、化工、食品、等領域的生產(chǎn)過程中，往往需要隨時檢測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時，還要對某一檢測點任意參數(shù)能夠進行隨機

12、查尋，將其在某一時間段內(nèi)檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉換提取出來，以便進行比較，做出決策，調(diào)整控制方案，提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。 隨著工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集勢必將得到越來越多的應用，為適應這一趨勢，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學研究中，運用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，也是獲取科學數(shù)據(jù)和生成知識的重要手段之一?？傊?，不論在哪個應用領域中，數(shù)據(jù)采集與處理將直接影響工作效率和所取得的經(jīng)濟效益。 此外，計算

13、機的發(fā)展對通信起了巨大的推動作用.計算機和通信緊密結合構成了靈活多樣的通信控制系統(tǒng)，也可以構成強有力的信息處理系統(tǒng),這樣對社會的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。數(shù)據(jù)通信是計算機廣泛應用的必然產(chǎn)物。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴格的意義上來說，應該是用計算機控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠對數(shù)據(jù)實行存儲、處理、分析計算以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

14、一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個部分組成。輸入通道要實現(xiàn)對被測對象的檢測，采樣和信號轉換等工作。數(shù)據(jù)存儲與管理要用存儲器把采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，建立相應的數(shù)據(jù)庫，并進行管理和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關干擾噪聲，無關信息和必要的信息，提取出反映被測對象特征的重要信息。另外，就是對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以便于檢索；或者把數(shù)據(jù)恢復成原來物理量的形式，以可輸出的形態(tài)在輸出設備上輸出，例如打印，

15、顯示，繪圖等。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當?shù)男问竭M行輸出和顯示。</p><p>　　由于RS-232在微機通信接口中廣泛采用，技術已相當成熟。在近端與遠端通信過程中，采用串行RS-232標準，實現(xiàn)PC機與單片機間的數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　在畢業(yè)設計中對多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作了基本的研究。本系統(tǒng)主要解決的是怎樣進行數(shù)據(jù)采集以及怎樣進行多路的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳至計算機。</p

16、><p>　　2 電路工作原理及說明</p><p>　　2.1 電路工作原理（敘述框圖的原理）</p><p>　　本課題要求以單片機為控制器，在接受到上位機的命令后，對2通道模擬信號作數(shù)據(jù)采集并進行8位轉換，采集到的數(shù)據(jù)以中斷方式接入內(nèi)存，并送到上位機，進行處理。</p><p>　　由于信號比較多，計算機不可能把這些信號同時接收，因此需要

17、由多路開關進行通道轉換，分時地把信號送到采樣/保持器（S/H）、A/D轉換器，把模擬量轉換成數(shù)字量，然后送到計算機。智能化A/D板中，單片機完成數(shù)據(jù)的采集、濾波和非線性補償?shù)龋饔嬎銠C只將其作為一個I/O口，每隔一定的時間，讀其一次數(shù)據(jù)，因而大大減輕了主機的負擔，提高了系統(tǒng)的擴展能力。這樣的智能化A/D板自身就是一個小的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p><p>　　模擬量輸入通道的主要任務就是把被測參數(shù)進行采集，并轉換成數(shù)

18、字量，以便使用微型機進行處理、顯示或打印。完成這一任務的核心部件是A/D轉換器。</p><p>　　在選擇系統(tǒng)結構時，必須認真考慮以下問題：參數(shù)變化的速率、分辨率、精度和參數(shù)的通道數(shù)等，根據(jù)系統(tǒng)的不同要求，選擇不同的結構形式。</p><p>　　單通道的轉換比較簡單，主要視其變化速度決定是否需要采樣/保持器，并根據(jù)所要求的分辨率及精度選擇合適位數(shù)的A/D轉換。</p>&

19、lt;p>　　多通道的數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)則根據(jù)不同的要求，采用不同的結構形式。</p><p>　　正個系統(tǒng)受AT89C2051芯片的控制，定時器用來產(chǎn)生定時信號，因為一般模擬信號的采集都是每隔一段時間進行的，利用AT89C2051的片內(nèi)定時/計數(shù)器配合，用相應的軟件就可以完成該功能。外擴的ROM是用來存放用戶程序，也就是系統(tǒng)的控制程序。</p><p>　　串行通信，所傳送的各位按順序一

20、位一位地發(fā)送或接收。在串行通信僅需一到兩根傳輸線即可。異步方式，串行通信的數(shù)據(jù)或字符是分為一幀一幀地傳送地，在異步通信中，一幀數(shù)據(jù)先用一個起始位“0”表示字符地開始，然后是5到8位數(shù)據(jù)即該字符地代碼，規(guī)定低位在前，高位在后，最后一個停止位“1”表示字符地結束。由于異步通信每傳送一幀有固定格式，通信雙方只需按約定的幀格式來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還能利用校驗位檢測錯誤。</p><p>　　通過對地址的選擇，對不同的地址，

21、地址開關選通不同的模塊，從而達到分布式數(shù)據(jù)采集。</p><p><b>　　2.2 原理框圖</b></p><p>　　3 信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集各部分電路及元器件介紹 </p><p>　　數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，多路開關，采樣保持電路，A/D，單片機，電平轉換接口，接收端（單片機、PC或其它設備）組成。 </p

22、><p>　　本個課題研究的是以AT89C2051為核心，采用串行A/D轉換器，設計一個串行數(shù)據(jù)采集/傳輸模塊。這個模塊有以下幾個重要電路組成：信號調(diào)理電路，多路開關，采樣保持電路，串行A/D轉換電路，串口通信電路這幾個重要部分組成。</p><p>　　3．1 信號調(diào)理電路</p><p>　　信號調(diào)理的任務 將被測對象的輸出信號變換成計算機要求的輸入信號。<

23、/p><p>　　對于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道，設置多路選擇開關，可降低硬件開銷。如圖2所示。為避免小信號通過模擬開關造成較大的附加誤差，在傳感器輸出信號過小時，每個通道應設前置放大環(huán)節(jié)（本課題可不加以考慮）。</p><p>　　3．2 數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　把連續(xù)變化量變成離散量的過程稱為量化，也可理解為信號的采樣。</p><p

24、>　　把以一定時間間隔T逐點采集連續(xù)的模擬信號，并保持一個時間t，使被采集的信號變成時間上離散、幅值等于采樣時刻該信號瞬時值的一組方波序列信號，即采樣信號。</p><p>　　3．2．1 數(shù)據(jù)采集保持電路</p><p>　　我們在這里為了簡便將使用芯片LF398來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集保持。</p><p>　　LF398集成電路：它具有采樣和保持功能，它是一種模

25、擬信號儲存器，在邏輯指令控制下，對輸入的模擬量進行采樣和寄存。圖3是該器件的頂視圖。</p><p><b>　　各引腳端的功能是：</b></p><p>　?、俸廷芏朔謩e為VCC和VEE電源端。電源電壓范圍為正負5V~正負15V。</p><p>　　②端為失調(diào)調(diào)零端。當輸入Vi=0,且在邏輯輸入為1采樣時，可調(diào)節(jié)（2）端使Vo=0。<

26、;/p><p>　?、鄱藶槟M量輸出端。</p><p><b>　　⑤端為輸出端。</b></p><p>　?、薅藶椴蓸颖３蛛娙軨H端。</p><p>　?、叨藶檫壿嫽鶞识耍ń拥兀?。</p><p>　?、喽藶檫壿嬢斎肟刂贫?。該端電平為1時采樣，為0時保持。</p><p&g

27、t;　　LF398內(nèi)部電路結構原理和典型電路如圖4和圖5所示。</p><p>　　當8端為“1”電平時，使LF398的內(nèi)部開關閉合，此時A1和A2構成1：1的電壓跟隨器，所以，Vo=Vi，并使CH迅速充電到Vo =Vi，并使CH迅速充電到Vi，電壓跟隨器A2輸出的電壓等于CH上的電壓。當8端為“0”電平時，內(nèi)部開關斷，輸出電壓Vo。值為控制端8由“1”跳到“0”時CH上保持的電壓，以實現(xiàn)保持目的。端8的邏輯輸入

28、又次為“1”、再次采樣時，輸出電壓跟隨變化。</p><p>　　3．2．2 多路模擬開關</p><p>　　多路模擬開關的作用主要是用于信號切換，如在某一時刻接通某一路，讓該路信號輸入而讓其他路斷開，從而達到分時進行多通道檢測的目的。理想的多路開關其開路電阻無窮大，而接通時的導通電阻為零。此外，還需要切換速度快、噪聲小、壽命長、工作可靠。</p><p>&l

29、t;b>　　① 常用的多路開關</b></p><p>　?、瘛C械觸點式多路開關：這類開關主要有干簧繼電器、水銀繼電器和機械振子式繼電器等。其特點是：斷開電阻大，導通電阻小，壽命長，輸入電壓，電流容量大，動態(tài)范圍寬。主要缺點是：體積大，切換頻率低，在通斷時存在抖動現(xiàn)象。因此一般用于低速、高精度檢測系統(tǒng)中。</p><p>　　Ⅱ　模擬集成多路開關：模擬集成開關是指在一個

30、單片上包含多路開關。其中采用CMOS工藝的模擬開關最為廣泛。其特點是切換速度快，無抖動。但其導通電阻較大，輸入電壓、電流容量較小，動態(tài)范圍有限，常用于高速且系統(tǒng)體積小的場合。</p><p>　?、?選擇多路開關時要考慮的參數(shù)</p><p>　?、瘛⌒孤峨娏鳎喝绻盘栐磧?nèi)阻很大，傳輸?shù)氖请娏髁?，此時就更多考慮多路開關的泄露電流，一般希望泄露電流越小越好。</p><p

31、>　?、颉∏袚Q速度：對于需要傳輸快速信號的場合，就要求多路開關的切換速度高。同時要考慮其后級采樣保持電路和A/D的速度，開關切換速度只需大于它們的速度即可。</p><p>　?、蟆￠_關電阻：斷開電阻盡可能大，導通電阻應遠小于負載電阻。否則會使信號衰減。</p><p>　　Ⅳ　在進行精密數(shù)據(jù)采集和測量時，需考慮模擬開關的傳輸精度問題，尤其需注意模擬開關漂移特性，因為如果性能穩(wěn)定，即

32、使開關導通電阻較大，也可以采取補償措施來消除影響。但如果阻值和漏電流等漂移很大，將會大大影響測量精度。</p><p>　　由于模擬開關在接通時有一定的導通電阻，在某些情況下，可能會對信號的傳遞精度帶來較大的影響。作為一種補救，一般應盡可能使負載阻抗大一些，必要時可在負載前加緩沖器。另外，為了防止兩個通道在切換瞬間同時導通情況（多選開關），往往在某一通道斷開到后一通道閉合之間加一延時。當然，這會影響到模擬開關的切

33、換速度。</p><p>　　多路模擬開關地典型應用是與采樣保持器和A/D轉換器配合，構成多路數(shù)據(jù)采集通道。</p><p>　　多路模擬開關的設計：</p><p>　　在此課題設計中我們用到的多路模擬開關是CD4051。</p><p>　　如圖6所示，CD4051由邏輯轉換電路、地址譯碼電路和CMOS開關等三部分組成，其中S引腳為選通端

34、，只有當S為低電平時，才能選中某一通道，時開關接通。A2～A0是開關通道輸入端，當A2～A0輸入000～111時，分別對應0～7通道上的開關處于閉合狀態(tài)。通常，S和A2～A0信號由接在CPU數(shù)據(jù)總線上的一個鎖存器提供，這樣就可以用輸出指令實現(xiàn)通道選擇，S端和A2～A0引腳均要求輸入TTL電平信號，而各個CMOS開關則要求用CMOS電平控制，邏輯電平控制，邏輯電平轉換電路完成TTL電平到CMOS電平的轉換，8個I/O引腳I/00～I/07

35、可以作為輸入端，這時O/I引腳便作為輸出端，開關實現(xiàn)8到1的選擇功能。由于COMS開關可以雙向工作，即信號也允許從O/I引腳輸入，根據(jù)需要，從8個I/O引腳從的某一個輸出，實現(xiàn)1——8的分配功能。該片子有3個電源引腳，其中，Vss通常與系統(tǒng)模擬地相連，Vdd接正電壓，Vee接負電壓或地。 </p><p>　　74LS373鎖存器的工作原理及功能作用</p><

36、;p><b>　　74LS373</b></p><p>　　芯片介紹：74LS373是帶有三態(tài)門的八D鎖存器，當使能信號線OE為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許1Q-8Q輸出到OUT1-OUT8，當OE端為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出線OUT1-OUT8處于浮空狀態(tài)。G稱為數(shù)據(jù)打入線，當74LS373用作地址鎖存器時，首先應使三態(tài)門的使能信號OE為低電平，這時，當G端輸入端為高電

37、平時，鎖存器輸出（1Q-8Q）狀態(tài)和輸入端（1D-8D）狀態(tài)相同；當G端從高電平返回到低電平（下降沿）時，輸入端（1D-8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q-8Q的八位鎖存器中。當用74LS373作為地址鎖存器時，它們的G端可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存。373為三態(tài)輸出的8 D透明鎖存器, 373的輸出端O0-O7可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，O0-O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當

38、OE為高電平時，O0-O7呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，O隨數(shù)據(jù)D而變。當LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和</p><p>　　引腳說明如下： D0～D7：鎖存器8位數(shù)據(jù)輸入線 Q0～Q7：鎖存器8位數(shù)據(jù)輸出線 GND：接地引腳 Vcc：電源引腳，＋5V有效 OE ：片選信

39、號引腳 G：鎖存控制信號輸入引腳。</p><p>　　4 AD轉換部分電路及元器件介紹</p><p>　　4.1 AD轉換器ADC0809</p><p>　　4.1.1 A/D轉換器的選取</p><p><b>　　① 轉換時間的選擇</b></p><p>　　轉換速度是指

40、完成一次A/D轉換所需時間的倒數(shù)，是一個很重要的指標。A/D轉換器型號不同，轉換速度差別很大。通常，8位逐次比較式ADC的轉換時間為100us左右。由于本系統(tǒng)的控制時間允許，可選8位逐次比較式A/D轉換器。</p><p>　?、?ADC位數(shù)的選擇</p><p>　　A/D轉換器的位數(shù)決定著信號采集的精度和分辨率。</p><p>　　要求精度為0.5%。對于該8

41、個通道的輸入信號，8位A/D轉換器，其精度</p><p><b>　　為：</b></p><p>　　輸入為0～5V時，分辨率為：</p><p>　　—A/D轉換器的滿量程值； —ADC的二進制位數(shù)</p><p><b>　　量化誤差為：</b></p><p>　　

42、ADC0809是TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近式模數(shù)轉換器，包括一個8位的逼近型的ADC部分，并提供一個8通道的模擬多路開關和聯(lián)合尋址邏輯，為模擬通道的設計提供了很大的方便。</p><p>　　用它可直接將8個單端模擬信號輸入，分時進行A/D轉換，在多點巡回監(jiān)測、過程控制等領域中使用非常廣泛,所以本設計中選用該芯片作為A/D轉換電路的核心。</p><p><b>　?、?采樣-保

43、持</b></p><p>　　為了能不失真的恢復原模擬信號，采樣頻率應不小于輸入模擬信號的頻譜中最高頻率的兩倍，這就是采樣定理，即</p><p>　　由于A/D轉換需要一定的時間，所以在每次采樣結束后，應保持采樣電壓在一段時間內(nèi)不變，直到下一次采樣的開始。實際中采樣-保持是做成一個電路。</p><p><b>　　④ 量化與編碼</

44、b></p><p>　　模擬信號經(jīng)采樣-保持電路后，得到了連續(xù)模擬信號的樣值脈沖，他們是連續(xù)模擬信號在給定時刻上的瞬時值，并不是數(shù)字信號。還要把每個樣值脈沖轉換成與它幅值成正比的數(shù)字量。</p><p>　　以上為A/D轉換的一般步驟，在本電路中由ADC0809芯片完成。</p><p>　　4.1.2 ADC0809內(nèi)部功能與引腳介紹</p>

45、<p>　　分辨率和精度在第一部分中已作了相應的計算和分析。</p><p>　　ADC0809八位逐次逼近式A／D轉換器是一種單片CMOS器件，包括8位模擬轉換器、8通道轉換開關和與微處理器兼容的控制邏輯。8路轉換開關能直接連通8個單端模擬信號中的任何一個。其內(nèi)部結構如圖7所示。</p><p>　?、佟?ADC0809主要性能</p><p>&l

46、t;b>　　逐次比較型</b></p><p><b>　　CMOS工藝制造</b></p><p><b>　　單電源供電</b></p><p>　　無需零點和滿刻度調(diào)整</p><p>　　具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與TTL兼容</p><p>　　

47、易與各種微控制器接口</p><p>　　具有鎖存控制的8路模擬開關</p><p><b>　　分辨率：8位</b></p><p><b>　　功耗：15mW</b></p><p>　　最大不可調(diào)誤差小于±1LSB（最低有效位）</p><p>　　轉換時間（

48、）128us</p><p><b>　　轉換精度：</b></p><p>　　ADC0809沒有內(nèi)部時鐘，必須由外部提供，其范圍為10～1280kHz。典型時鐘頻率為640kHz</p><p>　?、凇∫_排列及各引腳的功能，引腳排列如圖8所示。</p><p><b>　　各引腳的功能如下：</b

49、></p><p>　　IN0～IN7：8個通道的模擬量輸入端?？奢斎?～5V待轉換的模擬電壓。</p><p>　　D0～D7：8位轉換結果輸出端。三態(tài)輸出，D7是最高位，D0是最低位。</p><p>　　A、B、C：通道選擇端。當CBA=000時，IN0輸入；當CBA=111時，IN7輸入。</p><p>　　ALE：地址鎖存信

50、號輸入端。該信號在上升沿處把A、B、C的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開關的地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號中的某一路。</p><p>　　START：啟動轉換信號輸入端。從START端輸入一個正脈沖，其下降沿啟動ADC0809開始轉換。脈沖寬度應不小于100～200ns。</p><p>　　EOC：轉換結束信號輸出端。啟動A/D轉換時它自動變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>

51、;<b>　　OE：輸出允許端。</b></p><p>　　CLK：時鐘輸入端。ADC0809的典型時鐘頻率為640kHz，轉換時間約為100μs。</p><p>　　REF(-)、REF(+)：參考電壓輸入端。ADC0809的參考電壓為＋5V。</p><p>　　VCC、GND：供電電源端。ADC0809使用＋5V單一電源供電。<

52、/p><p>　　當ALE為高電平時，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在START上升沿時，所有的內(nèi)部寄存器清零，在下降沿時，開始進行A/D轉換，此期間START應保持低電平。在START下降沿后10us左右，轉換結束信號變?yōu)榈碗娖剑珽OC為低電平時，表示正在轉換，為高電平時，表示轉換結束。OE為低電平時，D0～D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時，允許轉換結果輸出。</p><p

53、>　　ADC0809芯片的轉換速度在最高時鐘頻率下為100us左右，速度低，故可以在和CPU接口時要求采用查詢方式或中斷方式。</p><p>　　A/D轉換器一般總是和取樣保持電路一起使用，如LF398采樣保持器：單片的模擬集成電路。采樣所得的模擬信號也在同一芯片中保存。也是暫存，所以A/D轉換器一般不需要數(shù)據(jù)鎖存器了。</p><p>　　系統(tǒng)中CPU對A/D轉換板的主要操作為：

54、多通道選擇命令、啟動A/D轉換命令、判斷A/D轉換是否完成、讀A/D轉換結果。這些操作是靠執(zhí)行對不同端口地址的讀/寫命令來完成的。</p><p>　　選定通道后，模擬量即為通過采樣/保持器AD582的+LOGIC IN端，使AD582處于采樣狀態(tài)，其保持電容器CH上的電壓隨輸入的模擬信號的變化而變化，即處于跟隨狀態(tài)。</p><p>　　轉換的啟動：進行轉換時，要由外部發(fā)出啟動信號。&l

55、t;/p><p>　　逐次比較寄存器和比較器是ADC0809的核心。</p><p>　　4.1.3 ADC0809的時序邏輯</p><p>　　如圖9所示，啟動脈沖START和地址鎖存允許脈沖ALE的上升沿將地址送上地址總線，模擬量經(jīng)C、B、A選擇開關所指定的通道送到A/D轉換器。在START信號下降沿的作用下，逐次逼近過程開始，在時鐘的控制下，一位一位地逼近。此

56、時，轉換結束信號EOC呈低電平狀態(tài)。由于逐次逼近需要一定的過程，所以，在次期間內(nèi)，模擬輸入值應維持不變，比較器要一次次進行比較，直到轉換結束。此時，如果計算機發(fā)出一輸入允許命令（OE呈高電平），則可讀出數(shù)據(jù)。</p><p>　　ADC0809具有較高的轉換速度和精度，受溫度影響較小，能較長時間保證精度，重現(xiàn)性好，功能較低，且?guī)в?路模擬開關，可以直接與微機系統(tǒng)相連，而不需要另加接口邏輯。也可以單獨使用。所以用于

57、過程控制是比較理想的器件。</p><p>　　4.2 AT89C2051芯片</p><p>　?、佟∷且环N內(nèi)部含F(xiàn)LASH存儲器的特殊單片機。所謂單片微型計算機，就是將CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和多種I/O接口電路都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。</p><p>　?、凇?系列單片機是ATMEL公司的8位FLASH單片機系列。這個系列單片機的

58、最大特點就是在片內(nèi)含有FLASH存儲器，在便攜式和省電、特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯得更為有用。</p><p>　?、邸TMEL89系列單片機是以8031核構成的，所以，它和8051系列單片機是兼容的系列。89系列單片機對于一般用戶來說，存在下列很明顯的優(yōu)點：</p><p>　?、瘛?nèi)部含有FLASH存儲器：</p><p>　　因此在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分

59、容易的進行程序的修改，這就大大的縮短收發(fā)周期。同時，在系統(tǒng)工作過程中，能有效的保存一些數(shù)據(jù)信息，即使外界電源損壞也不影響到信息的保存。</p><p>　　Ⅱ　和80C51插座兼容：</p><p>　　89系列單片機的引腳是和80C51一樣的，所以，當用89系列單片機取代80C51時，可以直接進行代換。這時，不管采用40引腳亦或是44引腳的產(chǎn)品，只要用相同引腳的89系列單片機取代80C5

60、1的單片機即可。</p><p><b>　　Ⅲ　靜態(tài)時鐘方式</b></p><p>　　89系列單片機采用靜態(tài)時鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功能十分有用。</p><p>　?、簟″e誤編程也無廢品產(chǎn)生</p><p>　　一般的OTP產(chǎn)品，一旦錯誤變成就成了廢品。而89系列單片機內(nèi)部用了FLASH

61、存儲器，所以，錯誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。</p><p>　?、酢】蛇M行反復系統(tǒng)試驗</p><p>　　用89系列單片機設計的系統(tǒng)，可以反復進行系統(tǒng)試驗：每次試驗可以輸入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設計達到最優(yōu)。而且隨用戶的需要和發(fā)展，還可以進行修改，使系統(tǒng)不斷能追隨用戶的最新要求。</p><p>　?、堋?9系列單片機的內(nèi)部

62、結構和80C51相近：所含部件有：①、8031CPU；②、振蕩電路；③、總線控制部件；④、中斷控制部件；⑤、片內(nèi)FLASH存儲器；⑥、片內(nèi)RAM；⑦、并行I/O接口；⑧、定時器；⑨、串行I/O接口。其中在89系列單片機中，AT89C1051的FLASH存儲器容量最小，只有1K，內(nèi)部不含串行接口，RAM只有64GE 字節(jié)。</p><p>　　4.2.1 AT89C2051的概括功能</p><

63、;p>　　*和MCS-51產(chǎn)品的兼容</p><p>　　*2K字節(jié)可重編程閃速存儲器</p><p>　　*耐久性：1000寫/擦除周期</p><p>　　*2.7～6V的操作范圍</p><p>　　*全靜態(tài)操作：0HZ～24MHZ</p><p>　　*兩級加密程序存儲器</p><p

64、>　　*128*8位內(nèi)部RAM</p><p>　　*15根可編程I/O引線</p><p>　　*兩個16位定時器/計數(shù)器</p><p><b>　　*六個中斷源</b></p><p>　　*可編程串行UART通道</p><p>　　*直接LED驅動輸出</p><

65、;p><b>　　*片內(nèi)模擬比較器</b></p><p>　　*低功耗空載和掉電方式</p><p>　　4.2.2 AT89C2051的結構</p><p>　　AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器的低壓，高性能CMOS 8位微型計算機，它采用ATMEL的高密非易失存儲技術制造并和工業(yè)標準MCS-51指令集和

66、引腳結構兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和閃速存儲器，ATMEL AT89C2051是一強勁的微型計算機，它對許多嵌入式控制應用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。</p><p>　　AT89C2051提供2K字節(jié)閃速存儲器，128字節(jié)RAM，15根I/O引線，兩個16位定時器/計數(shù)器，一個五向量兩級中斷結構，一個全雙工串行口，一精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。此外，AT89C2051上用可降到0

67、頻率的邏輯操作設計的并支持兩種可選擇的軟件節(jié)電工作方式。一種是空閑方式：即停止CPU工作但允許RAM、定時器/計數(shù)器，串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；另一種是掉電方式，即保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止所有其他部件的工作直到下一個硬件復位。</p><p>　　4.2.3 AT89C2051的引腳說明</p><p>　　AT89C1051的引腳如圖10所示：</p><

68、;p><b>　　VCC：電源電壓。</b></p><p><b>　　GND：地。</b></p><p>　　P1口：P1是一8位雙向I/O口，口引腳P1.2至P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0至P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AINO)和反向輸入（AINI）。P1口輸入緩沖器可吸收

69、20mA電流并能直接驅動LED顯示。當P1口引腳寫入“1”時，其可用作輸入端。當引腳P1.2至P1.7用作輸入并被外部拉低時,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流(IIL)。</p><p>　　P1口還在閃速編程和程序校驗期間接受代碼數(shù)據(jù)。</p><p>　　P3口：P3口的P3.0至P3.5,P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個雙向I/O引腳。P3.6用吸收20mA電流。當P3口引腳寫入“1

70、”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時，被外部拉低的P3口引腳將因上拉電阻而流出電流（IIL）。P3口還用于實現(xiàn)AT89C2051的各種特殊功能。見表1：</p><p>　　P3口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。</p><p>　　RST：復位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復位到“1”。當</p><p>　　振蕩

71、器正在運行時，持續(xù)給出RST引腳兩個機器周期的高電平變可完成復位。每一個機器周期需12個震蕩器或時鐘周期。</p><p>　　XTAL1：作為震蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。</p><p>　　XTAL2：作為震蕩器反相放大器的輸出。</p><p>　　4.2.4 AT89C2051的振蕩器和專用寄存器特性</p><p&g

72、t;　　XTAL1和XTAL2分別構成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如圖11所示?？刹捎檬⒕w或陶瓷振蕩器組成振蕩器。要從外部時鐘源驅動AT89C2051，則XTAL2應浮空，而XTAL1的驅動如圖12所示。由于輸入到內(nèi)部時鐘電路是經(jīng)過一個二分頻觸發(fā)器的，故不需要對外部時鐘信號的工作周期提出特別要求，但它必須遵守最小和最大電壓高低電平的時間規(guī)范。</p><p>　　其次，專用功能寄存器（SFR），不是

73、存儲區(qū)中所有的地址單元都被占用，未占用的地址單元不能采用，如果對其執(zhí)行讀訪問一般會返回隨機數(shù)據(jù)，寫訪問也是不確定的。</p><p>　　由于在將來的產(chǎn)品中可能利用未占用的單元來產(chǎn)生一些新功能，故用戶軟件不應對寫入“1”，在這種情況下，新位的復位或不激活值總是0。</p><p>　　5 通信電路及元器件介紹</p><p>　　5.1 MAX232芯片<

74、/p><p>　　51單片機有一個全雙工的串行口，所以單片機和PC之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通信時要滿足一定的條件，如PC的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，這里用專用芯片MAX232進行轉換，用專用芯片更簡單可靠。MAX232如圖13所示。</p><p>　　它包含兩路接收器和驅動器，內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V

75、電壓變換位RS-232輸出電平所需的+10V電壓。所以，用該芯片接口的串行通信只需單一的+5V電源就可以了。其應用性更強。圖13（b）中上半部電容、、、及，是電源變換部分。實際應用中，器件對電源噪聲很敏感。因此，對地需要加去耦電容，其值為1.0uF。電容、、、取同樣數(shù)值的電解電容，以提高抗干擾能力。</p><p>　　圖13（b）下半部分為發(fā)送和接收部分，，可直接接TTL/CMOS電平的MCS-51型單片機的串

76、行發(fā)送端TXD；,可直接接TTL/CMOS電平的MCS-51型單片機的串行接受端RXD；，可直接接PC機的RS-232串口接受端RXD；,可直接接PC機的RS-232串口發(fā)送端TXD。</p><p>　　硬件原理圖如圖14所示。</p><p>　　串口通信的硬件連接采用三線制連接串口，就是說和PC的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的

77、連接方法，但是對本題來說已經(jīng)足夠了，MAX232的第11腳和單片機的11號引腳連接，第12腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。MAX232的第14腳和PC機串口的2號引腳連接，第13腳和PC機串口的3號引腳連接，第15腳和PC機串口的5號引腳連接。</p><p>　　5.2 RS-232接口標準</p><p>　　RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標準，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會

78、（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標準，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機

79、接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領域，仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。 RS-232、

80、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及</p><p>　　5.2.2 RS-232的電氣特性</p><p>　　EIA-RS-232對電氣特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。</p><p>　　在TXD和RXD數(shù)據(jù)上：</p><p>　　邏輯1（MARK）=-3～＋15V</p>&l

81、t;p>　　邏輯0（SPACE）=+3～-15V</p><p>　　在RST、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：</p><p>　　信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3～＋15V</p><p>　　信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）=-3～-15V</p><p>　　以上規(guī)定說明了RS-232標準對邏輯電平的定義。

82、對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”</p><p>　?。▊魈枺┑牡碗娖降陀?3V，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V；對于控制信號：接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)（OFF）即信號無效的低電平-3V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3V～+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在正負（5～15）V之間。&

83、lt;/p><p>　　EIA-RS-232與TTL轉換：很明顯，EIA-RS-232是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片</p><p>　　6 基于RS-232的8位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路圖及其

84、原理說明</p><p>　　電路圖如圖15所示，主要組成器件有AT89C2051、ADC0809、地址鎖存器74LS373、采樣保持器LF398、MAX232、多路開關CD4051。其中AT89C2051、ADC0809、MAX232構成了一個基本的單元微機系統(tǒng)。</p><p>　　圖15中的8位的基于RS232的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對8路模擬信號進行采集，現(xiàn)場檢測信號，模數(shù)轉換器用分辨率為8

85、位的ADC0809。采樣/保持電路為ADC0809提供低噪聲、穩(wěn)定、真實的信號源。AT89C2051通過P1口的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7與ADC0809芯片接口相連。芯片內(nèi)部有上拉電阻，帶負載能力較強。系統(tǒng)采用串口P3.0（RXD）、P3.1（TXD）把信號輸?shù)缴侠瓩C，串行信號通過MAX232芯片作電平轉換后，成為RS-232口，通過該口與上拉機進行通信，接收上拉機的指令，并將A/D轉換結果傳輸給上拉機

86、。在ADC0809轉換完成后，要求單片機提供時鐘信號。單片機可以通過P1.4（TFS腳）。P1.2（SDATA腳）和P1.3（CLK腳）編程輸出對其進行設置。由于從AT89C2051串行口輸入RXD和輸出TXD，均為TTL電平，用TTL電平傳播，輸出距離短，故要使傳輸?shù)木嚯x增大，提高信號的準確性，則需加MAX232芯片，然后再由于PC機相連。</p><p>　　從邏輯電路可以看出：單片機工作時是其內(nèi)部振蕩電路加

87、外接晶體震蕩器產(chǎn)生時鐘信號的，并且在這個時鐘信號的同步下，執(zhí)行程序及系統(tǒng)的控制工作。而8位的A/D轉換器ADC0809的A/D轉換過程是依賴外部振蕩電路提供的時鐘信號同步的。至于對哪一路輸入的模擬信號進行轉換，何時讀取A/D轉換，則是在AT89C2051的控制下執(zhí)行。</p><p><b>　　7 總結</b></p><p>　　通過該分布式多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由

88、相同的模塊電路和不同的開關地址選通不同的模塊，實現(xiàn)對多路模擬信號的采集、轉換、傳送。但由于系統(tǒng)對采集速度和精度要求較低，故分析結果數(shù)據(jù)存在一定誤差，采集量也不大，且只能實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)采集。所以還需要進一步改進。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是科學試驗中經(jīng)常用到的測量環(huán)節(jié)。通常由信號調(diào)理、A/D轉換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、顯示等幾個功能模塊組成。隨著計算機與數(shù)據(jù)終端的普及，數(shù)據(jù)通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的應用，在生產(chǎn)過程中，利用串行通信，人們可以遠離現(xiàn)場對計

89、算機操作，能夠方便地對現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、控制等工作。因此，利用上下位機的串行接口通信技術，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理得到越來越多使用。</p><p><b>　　8 參考文獻</b></p><p>　　卿太全等.《常用數(shù)字集成電路原理與應用》，人民郵電出版社，2006</p><p>　　梁宗善.《新型集成電路的應用---電子技術

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