基于SPI接口的单通道AD采集设计.docx

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基于SPI接口的单通道AD采集设计

课程设计Ⅱ（论文）说明书

题目：

基于SPI接口的单通道A/D采集设计

院（系）：

电子工程与自动化学院

专业：

测控技术与仪器

学生姓名：

韦军之

学号：

0900820524

指导教师：

何锋

职称：

讲师

2012年12月28日

摘要

本设计基于AT89C52单片机的模拟信号采集转换显示系统的硬件设计，设计主要组成由电位器模拟输入、控制电路、SPI传输数据，模数转换，显示电路等几大部分。

系统实现的功能是SPI传输、A/D转换和数值显示。

本设计采用电位器生成模拟信号传送给ADC0832，单片机通过SPI总线数据传输控制ADC0832，经过A/D转换后的数据发送到单片机，由数码管显示，可实现模拟信号采集转换和显示功能。

该系统设计布线简单、体积小、重量轻、性价比高、扩展方便。

如果增添多路模拟转换开关就可实现多路信号采集和显示功能。

本设计可实现对来自现场的0～5V的直流模拟信号的实时采集，适用于温度、流量、压力的过程控制的系统反馈检查环节。

关键词：

单片机；SPI；模数转换

Abstract

ThisdesignisintroducedbasedontheSCMSTC89C51analogsignalacquisitionhardwaredesignofthedisplaysystem,Thedesignismainlycomposedofthepotentiometeranaloginputcontrolcircuitandthedisplaycircuit.ThefunctionalityofthesystemisA/Dconversionandnumericaldisplay.

Thisdesignusepotentiometerstogenerateanalogsignalstransmittedtothemicrocontroller,afterthemicrocontrollerA/Dconverterthedataissenttothedigitaldisplay,thatcanrealizetheconversionanddisplayofanalogdataacquisition.Thesystemdesignlayoutissimple,small,lightweight,andcost-effectiveexpansionoftheconvenience.Ifyouaddmultipleanalogconverterswitchcanachievemulti-channelsignalacquisitionanddisplayfunctions.Thisdesignallowsforreal-timeacquisitionfromthefield0~5VDCanalogsignal,itisapplicabletothetemperature,Flowandpressureprocesscontrolsystemfeedbackcheckaspects

Keywords：

AT89S52;SPI;A/Dconverter

4.3软件调试………………………………………………………………19

引言

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，在我国已得到广泛应用。

在智能仪表、工业检测控制、电力电子、机电一体化等方面取得了瞩目的成就。

基于单片机的多路温度采集系统无论是在工业还是农业都是不可缺少的系统，其实用性强，实时性好，应用前景广阔。

对于本设计而言，用电位器模拟输入代替温度传感器输入将0～5V的直流电压进行测量并送到LED进行显示。

由于采集的是直流信号，对于缓慢变化的信号不必加保持电路，SPI接口是一种同步串行外设接口，可以使单片机与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。

SPI总线系统可直接与多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：

串行时钟线SCK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线CS，因此基于SPI总线的系统扩展仅需3～4位数据线和控制线即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/O器件直接接口，可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性。

采用了低功耗的LED数码管显示器件，以满足其在终端显示采集结果的需求。

终端键盘控制采用尽可能少的键来实现控制功能，为了防止按键在输入时的消抖采用软件消抖的方法，以降低硬件的开销，来提高系统的抗干扰能力。

1设计要求与方案论证

1.1系统设计任务与要求

数据采集系统的设计是采用单片机为CPU的系统对某些控制系统的控制可以得到良好的效果。

本次设计的论文题目是基于SPI接口的单通道A/D采集设计。

主要要求如下：

SPI数据传输、单片机SPI时序，单片机控制模数转换，数码管显示。

随着超大规模集成电路技术的发展，由于单片机具有体积小、功能强、性价比高等特点，基于单片机而开发的测量控制系统也越来越受到重视，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对数据的采集要求。

所以基于单片机的数据采集广泛的应用于工业和农业等行业中，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。

1.2方案论证

1.2.1模数转换的选择

A/D转换器的种类很多，就位数来分有8位、10位、12位和16位等。

位数越高分辨率就越高，价格也就越贵。

A/D转换器的型号很多，在精度和转换速度上的差异很大。

（a）双积分A/D转换器：

双积分是一种间接式A/D转换器，优点是转换精度高，速度快。

缺点是转换时间长，一般要40～50ms，适用于转换速度不快的场合。

（b）逐次逼近式A/D转换器：

逐次逼近式的属于直接式A/D转换器，转换精度高，速度高，价格适中，是目前种类最多，应用最广的A/D转换器，典型的8位模数转换器有ADC0832。

鉴于方案（b）的数据类型是SPI形式的，价格适中，种类繁多，应用广泛，本设计中采用ADC0832。

1.2.251单片机的选择

单片机是属于嵌入式系统，此系统是把CPU加上一些少量的内存和输入出组件（I/O），都嵌入在一颗芯片内，再使用特定的组译和编译软件编辑程序，利用烧录器把程序储存在芯片内，如此加上一些简单的外围电路，即可变成一个控制系统，所以单芯片又称为微控制器。

本设计中选用AT89S52其内部已有程序存储器ROM，不用再去外扩程序存储器，使用方便。

1.2.3显示部分

LED数码管有共阴和共阳两种，都是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样。

LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，七彩效果。

其外壳采用阻燃PC塑料制作，强度高，抗冲击，抗老化，防紫外线，防尘，防潮。

LED数码管具有功耗小，无热量，耐冲击，长寿命等优点。

本设计中采用共阴极数码管来显示。

2系统总体设计

2.1系统设计框图

本设计主要包括：

模拟数据的采集，A/D转换，数据处理模块，显示模块，按键模块，供电系统等几个基本部分。

其设计框图如下：

图2.1系统总体框图

系统原理：

用电位器模拟数据输入经过ADC0832的模拟通道进行A/D转换，又SPI总线传输转换后的数字量经过单片机的处理，使输入量得以在数码管上显示。

按键复位电路是上电复位加手动复位，使用方便，在程序跑时，可以手动复位，这样就不用在重启单片机电源，就可以实现复位。

还有两个按键是实现在循环显示的同时可以看任意一路模拟输入量的显示及确认，即加一和确认键。

数码管显示模块选用了4位数码管显示，第一位是通道显示，后三位是输入量的显示。

2.2系统部分简介

2.2.1AT89S52功能简介

a、主要特性如下：

1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。

2.工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。

3.工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。

4.用户应用程序空间为4K字节

5.片上集成1208字节RAM。

6.通用I/O口（35个）复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。

8.具有EEPROM功能。

9.具有看门狗功能。

10.共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2。

11.外部中断2路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

13.工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。

b、引脚功能说明:

图2.2AT89S52引脚说明

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：

P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。

作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入每个引脚能驱动写入“1”时,可以作为高阻抗输入。

在访问外部程序和数据存储器时在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线位数据的复用总线。

此时，P0口内部上拉电阻有效。

在FlashROM编在程时，P0端口接收指令字节端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。

P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（I）。

RST（9引脚）：

复位输入。

当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。

看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

2.2.2AD