0 引言
近年來，隨著制造技術的發展，單片機的價格越來越低，性能卻不斷提升，因而其應用范圍也越來越廣。然而在開發基于單片機的應用系統時，傳統方法一般都需要大量的硬件設備，這些設備極易損壞而且攜帶不方便。為此，本文基于AT89C51數據采集系統詳細說明了如何利用Pro-teus和兩款串口仿真軟件來進行單片機程序及外圍電路的仿真設計。采用該方法可以大大簡化硬件電路測試和系統調試過程，對單片機系統開發具有指導意義。本文介紹的基于AT89C5l單片機的數據采集系統能實現16路信號輸入，每一路都是0～10 mV的信號，每秒鐘采集一遍，從而將數據傳給上位PC計算機。
1 硬件設計
1．1 主控芯片
AT89C51是一種帶有4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，可為很多嵌入式控制系統提供靈活且價廉的方案。所以，本設計采用ATMEL公司的AT89C51作為程序的主控芯片。
AT89C51數據總線是由P0口提供的，P0口本身能以多種方式提供數據總線和地址總線。當ALE輸出信號為高電平時，P0將輸出的數據鎖入總線驅動器中作為地址的低8位，然后和P2送出來的高8位地址一起組成一個完整的16位地址，以尋址到外部的64KB的地址空間。AT89C51的地址總線比較簡單(只有3個：RD、WR、PSEN)，其中RD是用來讀取外部數據內存的控制線，WR是用來寫數據到外部數據內存的控制線，PSEN是用來存取外部程序內存的讀取控制線。
由于P0口是數據和地址分時復用口，故要進行地址鎖存，本設計使用74HC573作為鎖存器。
1．2 系統硬件電路
本系統的硬件電路原理如圖1所示。因為ADC0809的地址選擇端A、B、C都接地，所以ADC0809的數據采集通道只有IN0被選通。16路模擬信號連接到多路選擇模擬開關HCC4067后，即可通過地址選擇端A、B、C、D進行選擇，每一次選通一路，選通的通道經IO COM X和ADC0809的IN0相連，以進行A／D轉換。P2．7(地址總線最高位A 15)可作為A／D轉換的啟動開關，P2．7為低電平有效。在啟動A／D轉換時，可由寫信號WR和P2．7控制ADC0809的地址鎖存和轉換啟動。而在讀取轉換結果時，則由讀信號RD和P2．7控制ADC0809的OE信號。若令P2．7為0，74HC573的A、B、C、D即可給出被選擇的模擬通道的地址，此時若ABCD=0000，則16路信號的100被選通，并將其數據送到ADC0809的IN0中，地址是7FF0H；若ABCD：1111，地址為7FFFH，則指向IO15。所以，16路信號依次對應的地址為7FFOH～7FFFH。轉換完成后，數據將保存到一數組中，直到當上位PC機通過串行口發信號時，AT89C51通過檢測地址是否和本機地址相符來作出動作。如果地址相符，則發送A／D轉換結果，如不相符，則繼續等待。
1．3 信號選通與調理
本系統要求有16路模擬信號輸入，而且必須將這些信號互相隔離，然后才能對這些信號逐一選通后進入A／D轉換。為此，本系統選用了16選1多路模擬開關HCC4067。
一般傳感器的輸出信號都比較微弱，要將該微弱信號轉換成有用的信號以便于后期使用，就要加入信號調理電路，其作用是進行信號放大和去除干擾等。本設計中的信號輸入每路都是0～10mV．但ADC0809的輸入要求是0～5 V，因此選用運算放大器OP07來進行信號放大。OP07是一種精密運算放大器，它使用雙極性電源供電，精度較高，放大倍數為500，可把0～10 mV信號放大到0～5 V。使用OP07的信號調理電路如圖2所示。
1．4 A／D采樣電路
ADC0809是美國NS公司生產的CMOS組件，是一種8路輸入單片模數轉換器件，采用逐位逼近式A／D轉換原理，它的輸出輸人接口全部為TTL電平，數據輸出口線為三態，可以直接接到微機系統總線上，而無需另加I／O接口芯片。
由于本設計中使用16選1模擬開關來進行信號的選擇，因此，ADC0809的信號選擇功能就不使用了，設計時把ADC0809的地址選擇端A、B、C都接地，即ABC=000，這樣，選通通道始終是IN0。將EOC通過非門連接到AT89C51的INT0腳，可通過查詢方式來檢測轉換是否完成。
由于ADC0809的典型工作頻率640 kHz不太容易得到，所以通常使用相近頻率且容易獲得的信號進行替代。本設計中，單片機的晶振頻率12MHz，ALE信號輸出為晶振頻率的六分之一(即2MHz、)，可將該2 MHz經過74HC74四分頻后得到500 kHz信號來給ADC0809使用。
1．5 串行口控制
AT89C51內部有一個可編程的全雙工串行通信接口，該口能同時進行串行發送和接收，以便通過RXD引腳(串行數據接收端)和TXD引腳(串行數據發送端)與外界進行通信。AT89C51串行口有四種工作方式，本設計中，AT89C51串行口工作于方式3。串口方式3的波特率是可變的，它可由定時器T1的溢出率來控制。通過計算可以得到T1的裝載初值為0xfd，波特率為9600bps。
RS232是用正負電壓來表示邏輯狀態的，它與TTL以高低電平來表示邏輯狀態的規定不同。因此，為了能夠同計算機接口或與終端的TTL器件連接，必須在RS232與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。目前廣泛使用的集成電路轉換器件是MAX232芯片，它可完成TTL到EIA的雙向電平轉換。MAX232是一種雙組驅動器／接收器，片內含有一個電容性電壓發生器，可在單5V電源供電時提供EIA／TIA-232-E電平。每個接收器均可將EIA／TIA-232-E電平轉換為5 V TTL／CMOS電平。這些接收器具有1．3 V的門限值及0．5V的典型遲滯，而且可以接收±30 V的輸入。利用MAX232芯片連接單片機和PC的具體電路如圖3所示。
由以上器件分析可知該系統所用到的電源電壓總共有兩種，其中運放OP07使用±12 V，其它芯片使用+5 V電壓。
2 實驗仿真
2．1 Keil C51軟件的使用
Keil C51軟件是眾多單片機應用開發的優秀軟件之一。本設計就是在Keil C51環境中編譯數據采集程序的。本采集系統的程序主要分成三部分：主程序、A／D轉換程序和串行通信程序。圖4所示是其軟件流程圖。其中主程序是總的控制程序，主要實現各單元初始化、控制采樣和中斷等：A／D轉換程序主要完成采樣啟動、數據保存等功能；串行通信程序則用來在有上位PC通過串行口發送數據到單片機時引發中斷響應，也可通過PC機通信地址和本單片機地址是否相符來判斷PC機是否和本單片機通信，如果地址相符，則發送A／D采樣的結果給上位機，如果不相符，則跳出中斷。串行中斷和A／D轉換部分的程序代碼如下：
程序編寫完成后，為了便于和proteus聯合仿真，還應當在工程目錄下生成一個．hex文件。
2．2 proteus仿真
一般情況下，個人配備單片機實驗開發系統的成本較高，很多人無法承受。而且一般單片機的實驗箱都是成品，學習者很難參與到其中的細節設計中去，動手能力也難以得到訓練與提高。Proteus的出現恰好解決了這個矛盾。利用proteus可以隨時搭建一個單片機應用系統，并對其進行仿真。proteus仿真軟件包含兩個應用程序，其中proteus_isis主要用于電路原理圖的仿真，另外一個就是proteus_ares，用于直接將proteus_isis的仿真原理圖生成pcb。本任務只涉及仿真，所以只用到proteus_isis。操作時，首先應建立一個新的工程文件，然后按照硬件原理圖繪制仿真電路。Proteus的仿真電路設計如圖7所示。
2．3 串口通信仿真
本設計仿真可在一個PC機上完成，但要用到串口仿真軟件。虛擬串口工具VSPD XP就是一個虛擬串口軟件，可模擬物理串口，而且使用比較簡單。通信時，只要COM3發送數據，COM4就會收到，而COM4發送數據，COM3也會收到。
串口調試軟件有很多種，還有串口調試助手等。本設計選用ComMonitor V2．0作為串口調試軟件。
虛擬串口工具VSPD XP中COM3和COM4是一對虛擬串口，可以互相通信。本設計把proteus設置為COM3，把ComMonitor設置為COM4，然后在兩者之間進行數據傳輸。對ComMonitor設置的方法如下：
(1)在左上角設置串口號和波特率，并打開串口；
(2)接收數據控制區設置的是十六進制顯示，自動清空；
(3)發送區有三個，都選擇為十六進制顯示，分別寫入"50"， "1 2"和"45"，其中"50"是本設計中單片機系統的地址，"12"和"45"是隨意的兩個數據(做測試用)。
2．4仿真結果分析
在proteus中點擊界面左下角的仿真運行按鈕使系統開始工作，然后在ComMonitor中依次發送三個發送區的預設數值，之后便可以看到運行結果：
(1)發送"50"時，由于和單片機地址相符合，根據程序設定，把A／D采樣結果通過串行口發送給了主機，即COM4端。
(2')發送"12"和"45"時，單片機接收也同上面一樣，并分別顯示。
(3)三次發送數據，COM分別收到不同的數據。
實際上，在發送"12"和"45"時，單片機應該不送回數據，但為了仿真結果清晰，本程序中設置了收到除"50"以外的 數據回送功能，以便把收到的數據再發回去，這樣，COM4就會依次收到"12"和"45"。
3 結束語
本文從工程角度出發，詳細介紹了基于AT89C51單片機的數據采集系統所需的硬件電路配置以及相關的程序設計。同時用基于Proteus和Keil接口的單片機外圍硬件電路構成了一個實用的數據采集系統。所得出的仿真結果完整地展示了一個單片機系統新的開發思路。