山東省廣播電影電視局蒙山轉(zhuǎn)播臺(tái) 馮 晗

1.引言

本系統(tǒng)基于AT89S51和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要從硬件電路設(shè)計(jì)、溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)2個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，其中硬件電路設(shè)計(jì)部分結(jié)合具體芯片，詳細(xì)的介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分硬件接口電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中利用51單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成采樣模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集，采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，從而使值班員直觀、準(zhǔn)確的判斷出機(jī)房溫濕度數(shù)據(jù)的變化。

2.詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

(1)機(jī)房溫濕度數(shù)據(jù)模擬信號(hào)產(chǎn)生：利用溫濕度探頭做為模擬數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器，經(jīng)頻率電壓變換后，將溫度和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)1-5V直流電壓。

(2)數(shù)據(jù)采集器：數(shù)據(jù)采集器的第1路輸入溫濕度對(duì)應(yīng)的1-5V直流電壓，第2-7路分別輸入來(lái)自直流源的5，4，3，2，1，0V直流電壓(各路輸入可由分壓器產(chǎn)生，不要求精度)，第8路備用。將溫濕度模擬信號(hào)量分別轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)并/串變換電路，用串行碼送入傳輸線路。

(3)主控器：主控器通過(guò)串行傳輸線路對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示。采集方式包括循環(huán)采集(即1路、2路……8路、……1路)和選擇采集(任選一路)二種方式。顯示部分能同時(shí)顯示溫濕度和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖1 原理及數(shù)據(jù)流程圖

圖2 5V穩(wěn)壓電源電路

圖3 串口轉(zhuǎn)并口部分電路

2.2 具體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先從整體上規(guī)劃好整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能，然后再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，將比較復(fù)雜的系統(tǒng)分解為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，特別注意對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)與系統(tǒng)、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的接口關(guān)系進(jìn)行精心設(shè)計(jì)以及技術(shù)指標(biāo)的合理分解。然后再由子系統(tǒng)到部件、部件到具體元器件的選擇和調(diào)試。各部件或子系統(tǒng)各自完成后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，直到完成總體目標(biāo)。具體原理及數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源部分電路由變壓器、電橋、三端穩(wěn)壓器7805、濾波電容和整流二極管、電阻分壓組成。電路的優(yōu)點(diǎn)是：直流電源輸入范圍寬從7.5V—24V都可以可靠工作，電路具有短路保護(hù)作用，紋波系數(shù)小，電壓穩(wěn)定為5V。如圖2所示。

3.2 AD轉(zhuǎn)換和串口轉(zhuǎn)并口設(shè)計(jì)

圖4

圖5 主控器總體電路

圖6 程序流程圖

AD轉(zhuǎn)換部分電路由集成電路0809完成，ADC0809是一種典型的A/D轉(zhuǎn)換器，具有8路模擬輸入端口，地址線（23～25腳）可決定對(duì)哪一路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換。第22腳ALE為地址鎖存控制，當(dāng)輸入為高電平是，對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行鎖存；6腳START為測(cè)試控制，當(dāng)輸入一個(gè)2us寬高電平脈沖時(shí)，就A/D轉(zhuǎn)換；7腳EOC為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束是，EOC輸出高電平；9腳OE為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)OE為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從端口輸出；10腳CP為0809的時(shí)鐘輸入端，利用單片機(jī)30腳的六分頻晶振信號(hào)再通過(guò)74LS74二分頻得到。單片機(jī)的P1、P3端口作四位LED數(shù)碼管顯示控制，PO端口作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0809的A/D轉(zhuǎn)換控制。ADC0809由一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)8路模擬量開(kāi)關(guān)、8路模擬量地址鎖存/譯碼器和一個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)是分辨率、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換速度。

(1)MCS-51與ADC0809的接口

ADC0809時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)的ALE信號(hào)2分頻獲得。ADC0809通道地址由P0口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連。轉(zhuǎn)換后的N個(gè)數(shù)據(jù)順序存放到起始地址為data_addr數(shù)據(jù)存區(qū)。

串口轉(zhuǎn)并口部分電路由芯片74LS165組成，與0809的連接電路如圖3。

(2)ADC0809的時(shí)鐘頻率500KHZ的產(chǎn)生

從單片機(jī)ALE引腳產(chǎn)生的1MHZ頻率，通過(guò)D觸發(fā)器后變?yōu)?00KHZ，然后輸入到0809中的CLK引腳中。而D觸發(fā)器在74LS74芯片可以找到。如圖4。

3.3 主控器電路

主控器由AT89S51及其外圍電路組成。其外圍電路有復(fù)位電路、時(shí)鐘源電路等等。

(1)復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路具有上電自動(dòng)復(fù)位作用。必要時(shí)可按復(fù)位鍵手動(dòng)復(fù)位，提高了復(fù)位電路的抗干擾能力。

(2)時(shí)鐘源設(shè)計(jì)

時(shí)鐘源電路的X1和X2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘電路，時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。

主控器總體電路如圖5所示。

1)P0口接上拉電阻的作用是保證其工作電壓。

2)P1.5、P1.6、P1.7是外界往單片機(jī)里面寫程序的3個(gè)引腳。

3)由硬件設(shè)定，一般P0.2為輸入74164的數(shù)據(jù)線，P0.3為輸入74164的時(shí)鐘線。

4)ALE引腳置5V（即置1）是為了使單片機(jī)執(zhí)行程序時(shí)從內(nèi)部ROM開(kāi)始查詢?cè)俚酵獠縍AM，如果為置0時(shí)則只從外面的RAM查詢。

5)從7615中傳送過(guò)來(lái)的串行數(shù)據(jù)輸入MC-51時(shí)，可以從P0，P1，P2，P3中的任意空閑引腳中輸入。

3.4 顯示部分

這個(gè)電路主要是用74LS164完成，與顯示的數(shù)碼管相連。這部分主要將數(shù)據(jù)通過(guò)串行變?yōu)椴⑿?，然后顯示到數(shù)碼管中。由于80C51單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)是串行的，需要把它變?yōu)椴⑿械牟拍茉跀?shù)碼管顯示，那么就要用到74164芯片作為轉(zhuǎn)換器件。74164的作用是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。這樣74164輸出的并行數(shù)據(jù)輸進(jìn)到數(shù)碼管里面就可以顯示了。具體的顯示時(shí)間長(zhǎng)短則要看程序設(shè)計(jì)的延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短。如果要顯示多個(gè)數(shù)字，則要85C51單片機(jī)的時(shí)鐘線控制。

4.系統(tǒng)主要程序的設(shè)計(jì)

4.1 初始化程序

系統(tǒng)上電時(shí)，將70H～77H內(nèi)存單元清零，P2口清零。

4.2 主程序

在剛上電室，因70H～77H內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)為0，則每一通道的數(shù)碼管顯示值都為000。當(dāng)進(jìn)行一次測(cè)量后，將顯示出每一通道的A/D轉(zhuǎn)換值。每個(gè)通道的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間在1s左右。主程序在調(diào)用顯示程序和測(cè)試程序之間循環(huán)。

4.3 顯示子程序

采用動(dòng)態(tài)掃描方法實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，即溫度與相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，濕度與相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。測(cè)量所得A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在70H～77H內(nèi)存單元中。測(cè)量數(shù)據(jù)在顯示時(shí)需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制BCD碼放在70H～77H中，其中7BH存放通道標(biāo)志數(shù)。寄存器R3用來(lái)作8路循環(huán)控制，R0用作顯示數(shù)據(jù)地址指針。

4.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量子程序

模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量子程序是用來(lái)控制對(duì)08098路模擬輸入電壓的A/D轉(zhuǎn)換，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值移入70H～77H內(nèi)存單元，其程序流程圖如圖6所示。

5.軟件設(shè)計(jì)

5.1 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)：

當(dāng)上機(jī)位發(fā)送一個(gè)命令幀之后，立即轉(zhuǎn)到線程串口監(jiān)視線程，等待下機(jī)位的應(yīng)答幀。上機(jī)位接收到正確應(yīng)答后會(huì)繼續(xù)發(fā)送下一幀輪詢命令，而不會(huì)向下機(jī)位發(fā)送任何表示正確的命令。當(dāng)在超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到下機(jī)位的應(yīng)答幀時(shí)，上位機(jī)的行為會(huì)繼續(xù)向下機(jī)位發(fā)送輪詢幀。

5.2 下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

在通信過(guò)程中，下機(jī)位一直處于接收狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接收上機(jī)位發(fā)來(lái)的命令幀，當(dāng)下機(jī)位接收到一個(gè)個(gè)命令幀后，首先按照通信協(xié)議的規(guī)定去執(zhí)行相應(yīng)命令，然后應(yīng)答。命令執(zhí)行成功時(shí)，返回“命令已成功執(zhí)行”的信道信息；命令執(zhí)行失敗時(shí)不做任何應(yīng)答，返回繼續(xù)等待接收下一個(gè)命令幀。

以上原理工作進(jìn)行之后，要進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。首先設(shè)計(jì)出正確的電路原理圖，然后進(jìn)行PCB板布線。對(duì)PCB板行電路檢測(cè)，檢查PCB板上是否有斷路、短路。完成對(duì)PCB裸板的測(cè)試之后，焊接元器件。電路焊接完成后，沒(méi)有加電的情況下對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，對(duì)照電路原理圖和PCB圖以檢測(cè)電路中是否有虛焊、漏焊。完成上述這些基本的檢測(cè)之后，給電路上電，對(duì)各部分電路分別進(jìn)行檢測(cè)。上電后，首先對(duì)AT89S51單片機(jī)電路的測(cè)試進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)樗刂普麄€(gè)電路板的運(yùn)行。AT89S51的電壓輸入端，測(cè)試電壓為+3.376V，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)其電壓正常。按照原理圖進(jìn)行電路連線，對(duì)數(shù)據(jù)采集電路的測(cè)試注意將單片機(jī)和ADSC0809共地，用一個(gè)可變電壓作為輸入量輸入到ADC0809中，將經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后的信號(hào)用數(shù)碼管顯示出來(lái)。檢查電路連接正確后，將編寫好的數(shù)據(jù)采集程序植入單片機(jī)中。把經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后溫濕度探頭的數(shù)據(jù)量，經(jīng)編譯后，在數(shù)碼管上能正確的顯示出來(lái)。當(dāng)外界溫濕度不斷變化時(shí)，數(shù)碼管上顯示的數(shù)字也跟隨著不斷變化。這樣，具有溫濕度數(shù)據(jù)采集功能的系統(tǒng)完成。

這套溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度變化，對(duì)于氣候惡劣的高海拔無(wú)線發(fā)射臺(tái)有很強(qiáng)的實(shí)用性。

[1]薛瑞福,馬國(guó)琳編.數(shù)字電子電路(第一版)[M].高等教育出版社,1983.

[2]皇甫正賢編著.數(shù)字集成電路基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2002.

[3]施良駒編著.集成電路應(yīng)用集錦[M].北京:電子工業(yè)出版社,1988.

[4]周仲編著.集成電路應(yīng)用350例[M].北京:電子工業(yè)出版社,1988.

[5]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[6]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)[M].北京:高等教育出版社,1997.