基于ADC0809与51单片机组的16通道数据采集系统

陈RQING 2021-02-14 9548

电子说

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描述

在日常实验中，经常使用单片机系统实现数据采集功能，即实现实验数据连续精确的数模转换。ADC0809是该类单片机数据采集系统中使用最为频繁的数模转换芯片之一。但是，在许多介绍ADC0809芯片的文献中，该数模转换芯片使用时往往还需要较多的辅助芯片，硬件电路和软件编写都比较复杂，相应成本偏高。因此本文给出一种方法，只需2片ADC0809数模转换芯片、1片741s74触发器芯片，就能实现简洁、快捷、精确的16通道实时数据采集。

1.硬件介绍

ADC0809是一个典型的8位8通道逐次逼近式数模转换芯片，可实现8路模拟信号的分时采集，外接时钟频率一般不高于640KHz，一次数据转换时间大约为100us。ADC0809数据采集方式有3种：延时，查询，中断。它们在电路连接和程序编写中都有所不同。在实验中可以选择其中的一种或多种，本文中的电路连接和程序都采用查询方式。ADC0809为一种输出型芯片，管脚A，B，C为地址，用于选通IN0~IN7上的一路模拟量输入。通常单片机通过A，B，C将二进制的3位地址数据输入到ADC0809中，ADC0809采集相应通道的数据并通过8位数据线传回到单片机中。引脚A，B，C选择通道的二进制地址数据如表1所示。

数据采集系统

741s74是一种上升沿触发的边沿触发器，该芯片中包含2个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路。每一个D触发器的输出信号的频率为输入信号的频率的1/2，如果将2个D触发器串联，就可以形成一个四分频的延时器。

2.系统设计

2.1ADC0809与51单片机

在大多数文献中，ADC0809与51单片机连接方式分为3种，如图1～图3所示。

数据采集系统

图1连接方式1

数据采集系统

图2连接方式2

数据采集系统

图3连接方式3

3种连接方式都为连接1片ADC0809的数据采集电路图，除需要分频芯片外，还需要外加1片～2片其他的芯片，其中，图3只能适合使用1片ADC0809。如要连接多片ADC0809，则外加芯片更多。

图4为本次实验所设计的简单的连接方式，把第1片ADC0809的8位数据线与51单片机的一组I/O直接相连，取该组I/O的低3位为ADC0809采集通道的地址线。同理，第2片ADC0809的8位数据线与地址线同接在另一组I/O13中。这种连接方式可以省去外加的芯片，简化电路，减少了电路板的空间，节省成本。

数据采集系统

图4ADC0809与51单片机的简单连接

2.2采样保持滤波电路

ADC0809对输入模拟量要求如下：信号单极性，电压范围为0～5;若信号太小，则必须进行放大;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;为避免通道之间的信号相互干扰，在模拟电压信号进入ADC0809之前，先进行滤波处理。图5为在信号进入ADC0809之前进行的放大采样保持滤波处理，IN端接待采集的电流信号，OUT端接ADC0809的8个模拟电压信号输入口之一。如果待采集信号为电压信号，电阻R1要略去。

图5采样保持滤波电路

2.3时钟电路

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，其正常工作频率为500kHz-640kHz。通常为ADC0809提供外部时钟信号有2种方式：（1）可以利用外部晶振频率为其单独提供;（2）可以借助单片机的时钟信号。很明显，第2种方式更为简单方便。51系列单片机的ALE脚在不访问片外程序存储器时，可作为对外输出的时钟信号，其提供时钟频率为2MHz。该时钟频率在经由741s74的2个D触发器进行四分频之后，转换为500kHz，符合ADC0809正常工作允许的频率范围。

3.程序设计

在图4的连接方式下，程序设计比较简单，只需按照“选通道一启动采集一等待转换结束一读数据”4个步骤循环进行，就可以依次读取到16个通道采集的数据。以下是以C语言为基础编写的采集程序的核心语句。

for（i=0;i《8;i++）

{

P2=0xf8+i;//通道地址

ST2=0;//启动采集

ST2=I;

ST2=0;

whiIe（EOc2==0）;//等待转换完毕

OE2=l;

addata［i］=P2;//ADC0809的l通道～8通道的数据

OE2=0;

}

for（i=8;i《16;i++）

{

P0=0xf8+i;

STI=0;

STI=I;

ST1=0：

while（EOC1==O）：

OE1=1;

ad_data［i］=P1;

P2=ad_data［i］;//ADC0809的9通道～1O通道的数据

}

上述程序并没有设置采集频率，ADC0809的时钟频率是500kHz，转换一次需要64个时钟脉冲，即进行一次模数转换需要时间0.128ms。命令语句一行用时约2us，与转换时间相比可以忽略不计。由计算可知，1s内约可采集7812个数据。利用定时器或软件延时可以灵活控制数据采集的频率，理论上采样频率的范围可以控制在lHz~78l2Hz。在实际测试时，由于各方面的原因往往达不到理论结果，一般采用的范围为1Hz~50Hz时，采集结果最佳。

4.实验结果与分析

把一个可变电阻的电压输出端接在ADC0809的模拟通道上。在0~5V范围内调节可变电阻的电压输出值，检测采集系统的各个通道的采集结果，16个通道均能正常工作，误差范围为0-4%。根据分析，产生误差的原因有以下几方面：

（1）电源电压输入不稳定，导致ADC0809的供电电压不稳定，即ADC0809数模转换的参考电压值不稳定，影响了转换结果;

（2）电压表测试精度低，存在测试误差;

（3）虽然进行了滤波处理，但是不能完全消除待采集电压信号的干扰。

改进上述问题只能在最大程度上减小误差，不可能根本消除。例如，可以采取在电源输入端、输入电压端增加高精度滤波电路或用软件滤波等方法减小误差。

如果在实际中要用到多片ADC0809，还有一种电路连接方法，如把每一片ADC0809的数据输出线都连接在单片机的同一组I/O口上，并将ADC0809的引脚ST，EOC，OE连接在单片机相同的引脚上，但是每一片ADC0809的地址线A，B，C要分开连接在单片机不同的引脚上。

结束语

该系统采用ADC0809与单片机之间电路相连接的方法，与现有方法相比，其具有电路简单、制作成本低、程序编写简易、信号稳定等优点，可以实现16通道及更多通道的实时数据采集。实验结果表明，该系统采集精度较高，采集频率范围广，采集速度较快。由于采用的芯片等级较低，因此该系统的采集速率有限，这也是下一步需要改进的地方。
责任编辑人：CC

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