1摘要
1.1 功能描述
使用ADC0808型号的A/D转换器对多路模拟信号进行数据采集，同时与单片机进行通信，将测量的模拟信号量传递给89C51单片机，由单片机进行运算，输出对应的数字量，然后在数码管上显示出来。设计中采用开关来选择输入不同通道的模拟信号。
1.2系统框图
图1 系统框图
2 设计软件基础知识
2.1 C编译器Keil介绍
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。
Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
KeilSoftware公司推出的uVision4是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。uVision4提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括AnalogDevices 的ADuC83x和ADuC84x，以及Infineon的XC866等。
2.2 Proteus软件简介
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex
和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil 和MPLAB等多种编译器。
功能特点：1．原理布图； 2．PCB自动或人工布线；3．SPICE电路仿真。
革命性的特点：
1．互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
2．仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
2.3 51单片机相关知识
单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer），简称单片机。就是将微处理器（CPU）、存储器（存放程序或数据的ROM和RAM）、总线、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O口）和其他多种功能器件集成在一块芯片上的微型计算机。本次课程设计选用的是MCS-51系列单片机中的80C51。MCS-51单片机包含中央处理器（CPU）、程序存储器(ROM)、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行I/O接口、串行I/O接口和中断系统等几大单元。其内部结构框图如图1所示。
图2.1 51内部系统结构
中央处理器由运算器、控制器组成。8051的CPU包含以下功能部件：（1）8位CPU。
（2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。
（3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。
（4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。
（5）2个16位可编程定时器/计数器。
（6）32位（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。
（7）1个全双工UART（异步串行通信口）。
（8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。
（9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12 MHz的时钟频率。（10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。
（11）111条指令，大部分为单字节指令。
（12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。
内部结构如图2所示
图2.2 51内部结构
MCS-51单片机中有两个16位的定时器/计数器T0和T1，它们由4个8位寄存器（TL0, TH0, TL1和TH1）组成，2个16位定时器/计数器是完全独立的。可以单独对这4个寄存器进行寻址，但不能把T0和T1当做16位寄存器来使用。
2.3.1 80C51引脚说明
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明。
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明。如图5所示。
图2.3 51单片机引脚图
复位信号复用脚，当80C51通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚Pin9:RESET/V
pd
上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，
程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专
用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，80C51的初始态。
80C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图4。此外，RESET/V
pd 还是一复用脚，V
掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
cc
Pin30:ALE/PROG当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间，PROG将用于输入编程脉冲。
Pin29:PSEN当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存Pin31:EA/V
pp
储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
2.4 ADC0809简介
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式ＡＤ转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
（1）主要特性：
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）。
4）单个+5V电源供电。
5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。
7）低功耗，约15mW。
（2）内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图1.1所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。
图2.4 ADC0809
（3）工作过程
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。下降沿启动 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。
转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。
1）定时传送方式
对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。
2）查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。
3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。
3 多通道数据采集系统设计
3.1 单片机电路
单片机最小系统如下图所示，各个引脚都已经标出。
图3.1 单片机最小系统
其中，振荡电路以及复位电路均由单片机系统自带。
3.2 ADC采样电路
由于ADC0809是带地址锁存的模数转换器件，ADDA、ADDB、ADDC为模拟通道选择，编码为000~111分别选中IN0~IN7。ALE为地址锁存信号，其上升沿锁存ADDA、ADDB、ADDC 的信号，译码后控制模拟开关，接通八路模拟输入中相应的一路。CLK为输入时钟，为AD 转换器提供转换的时钟信号，典型工作频率为640KHz。START为AD转换启动信号，正脉冲启动ADDA~ADDC选中的一路模拟信号开始转换。OE为输出允许信号，高电平时候打开三态输出缓存器，使转换后的数字量从D0~D7输出。EOC为转换结束信号，启动转换后EOC 变为低电平，转换完成后EOC变成高电平。
图3.2 ADC模数转换
3.3显示模块
：本次设计采用数码管来显示数据。
图2.3 数码管
3.4总原理图
图2.4 多通道数据采集总原理图
4 软件设计
4.1 系统总流程图
此次设计的多通道数据采集系统设置了8路模拟电压输入通道。仿真中为了便于调节输入的模拟电压，在输入模拟信号时采用电阻分压，最终的采样输入电压便可根据测试需要调节，如下为系统总流程图：
图4.1 系统流程图
4.2 程序代码
#include
#include
/*****端口声明***********/
sbit P3_4=0xb4;
sbit P3_5=0xb5;
#define start P3_4
#define ale P3_5
/****主程序************/
void main()
{
unsigned int temp;
char i,j;
P1=0xff;
IE=0x0;
ale=0;
start=0;
TMOD=0; //设置定时器0工作方式为工作方式0 TCON=0x04;
TL0=0x08; //设置定时器初值
TH0=0xa2;
ET0=1;
EX1=1;
EA=1;
TR0=1;
while(1) //等待中断发生
{
temp=P1/256.0*5*1000;//转化为显示的电压值
i=temp%1000/100;
j=temp%100/10;
P0=(j<<4)+temp%10; //送数码管显示
P2=((temp/1000)<<4)+i;
}
}
/******定时器0中断服务程序 ********/
void timerint () interrupt 1
{
int i;
EA=0; //关定时器
TR0=0;
ale=1;
for(i=0;i<5;i++) //启动AD采集，分别采集5次
;
start=1;
for(i=0;i<5;i++);
;
start=0;
ale=0;
TL0=0x08; //重新赋初值
TH0=0x0A2;
TR0=1;
EA=1;
}
/*********外部中断1服务程序*******/
void int1 () interrupt 2
{
unsigned int temp;
char i,j;
EA=0;
temp=P1/256.0*5*1000;//转化为显示的电压值
i=temp%1000/100;
j=temp%100/10;
P0=(j<<4)+temp%10; //送数码管显示
P2=((temp/1000)<<4)+i;
EA=1;
}
5 实验记录与结果分析
5.1 仿真基本流程
在Keil软件中编写好C语言程序，编译生成.hex文件。
图5.1 Keil软件图
在Protues软件中画好电路元件图，并将连线接好，见图2.4。
添加仿真文件。单击右键AT89C52,点击属性编辑，出现文件浏览对话框，加入对应的nenglituozhan.hex文件，点击确定,见下图5.2。
图5.2 单片机属性编辑框
点击仿真按键，数码管便可显示8路电压采集信号，见图5.3及图5.4。
5.2 仿真结果
图5.3 电压设置值
输入通道0数据，结果如图5.4.1；改变滑动变阻器阻值，结果如图5.4.2
图5.4.1 图5.4.2 输入通道0数据，结果如图5.5.1；改变滑动变阻器阻值，结果如图5.5.2
图5.5.1 图5.5.2
如图14所示，8路模拟通道电压值分别设置为0.5V、1.0V、1.5V、2.0V、3.0V、3.5V、4.0V、4.5V。经过系统处理，数码管显示的采集值分别为0.507V、0.996V、1.503V、1.992V、2.988V、3.476V、3.984V、4.472V，存在系统误差。
改变8路输入信号的电压值，数据可及时在数码管上显示。
5.3 结果分析
通过用protues软件的仿真发现此次设计的系统原理图能够实现电压的正确测量，而且电压的误差较小，数码管能够正确显示出8路电压测量结果。
6 心得体会
通过与同学的讨论与认真计算设计分析所完成的，课程设计的任务是设计一个多通道数据采集系统。需要我们综合运用单片机等课程的知识，通过查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路和元器件；分析指标及讨论，完成设计任务。
在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的高频电路知识。在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。但由于电路比较简单、定型，而不是真实的生产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步，元器件选择等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。这对今后从事技术工作无疑是个很好的训练。通过这种综合训练，我们可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。
同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，认识莫眼高手低，莫闭门造车，知识都在不断更新和流动之中，而扎实的基础是一切创造的源泉，只有从本质上理解了原理，才能更好的于疑途寻求柳暗花明，实现在科学界的美好畅游和寻得创造的快乐。
还有就是每次在组团做试验都会感觉特别的充实。最后真心的感谢老师对本次课程设计的建议和帮助，正是因此大家就才得以圆满的完成这次课程设计！
7参考文献
[1] 李群芳,张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术. 北京：电子工业出版社，2008
[2] 李群芳.单片机原理接口与应用.北京：清华大学出版社，2005
[3] 张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京：国防工业出版社，1999
[4] 高峰.单片微机应用系统设计及使用技术.北京：机械工业出版社，2007
[5] 彭伟.单片机C语音程序设计实例基于protues仿真.北京：电子工业出版社，2007
[6] 郭惠.单片机C语言程序设计完全自学手册.北京：电子工业出版社，2008