数字电压表单片机设计.doc

1 目录 摘要 2 一 总体实际方案 3 二 硬件设计电路 4 2 1 控制器 单片机 4 2 2 电源部分 7 2 3 显示电路 7 2 4 键盘电路 9 2 5 晶振电路 10 2 6 复位电路 10 2 7 报警电路 11 三 系统软件设计 12 3 1 主流程图 12 3 2 显示电路流程图 13 3 3 报警电路流程图 14 四 结论总结 15 4 1 课题总结 15 4 2 心得体会 15 五 参考文献 16 六 附录 17 6 1 程序及其源代码 17 6 2 电气原理图总图 20 2 摘要 数字电压表 Digital Voltmeter 简称 DVM 它是采用数字化测量技术 把连 续的模拟量 直流输入电压 转换成不连续 离散的数字形式并加以显示的仪表 这种电子测量的仪表之所以出现 一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统 的自动控制信实验研究的领域 提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要 求 即为了实时控制及数据处理的需要 另一方面 也是电子计算机的发展 带动 了脉冲数字电路技术的进步 为数字化仪表的出现提供了条件 所以 数字化测理 仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的 同时 为革新电子测量中的 烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展 如今 它又成为向智能化仪表发展的必要 桥梁 传统的指针式电压表功能单一 精度低 不能满足现代测量的需求 采用单片 机的数字电压表 它的精度高 抗干扰能力强 可扩展性强 集成方便 还可与 PC 进行实时通信 目前 有各种单片 A D 转换器构成的数字电压表 以被广泛用于电 子及电工测量 工业自动化仪表 自动测试系统等智能测量领域 与此同时 也能 把电量及非电量测量技术提高到崭新水平 该系列产品是一种高精度的安装式仪表 本课题采用内置AD单片机STC12C5A32AD为系统为核心 能对两路0 5v的模拟电 压进行循环采集 用LCD液晶显示 拥有键盘控制 实现简易数字式直流电压表的硬 件电路与软件设计 关键词 单片机 数字电压表 A D转换 模拟信号 3 一 总体实际方案 本设计利用内置 A D 转换的单片机 STC12C5A32AD 显示电路 按键电路 振荡 电路以及报警电路等构成数字电压表 其原理是晶振电路为单片机提供稳定的时钟 周期 采集电路将基准电压和被测电压分别输入到内置 A D 转换器的基准电压端及 被测电压输入端 模数转换器将被测电压输入端采集的模拟信号转换为相应的数字 信号 由于单片机的软件编程 使单片机系统能够按照规定的时序采集这些数字信号 这 些数字信号通过一定的算法计算得出被测电压相应的电压值 每三次取平均值 被测 出的平均电压值以一定的时序在显示电路上显示 当计算值达到报警电路程序设定 值时 发出报警脉冲 使报警电路动作 发出报警 复位电路的功能主要用于单片 机的复位 向其输入大于两个机器周期的高电平 即可使单片机复位 键盘电路用 于查看 指定通道的显示的电压值 单 片 机 显示电路 图 1 1 系统总体方案设计 该系统的先进性在于可以数字化显示电压 该系统的数字电压表电路简单 所 用的元件较少 成本低 调节工作可实现自动化 数字电压表可以测量0 5V的2路 晶振电路 复位电路 报警电路 键盘电路 4 输入电压值 并在LCD液晶显示器上轮流显示或单路选择显示 本数字电压表的设计要求 1 对两路0 5V模拟电压进行循环采集 每路采集3次 取平均值 采集的数存 入内存并显示 2 测量范围为0 5V 小数点后保留两位 误差小于等于正负0 02 3 显示中 其中最高位显示通道提示符A B 低三位显示实际的电压 4 键盘控制 可查看制定通道的电压值 5 将在1 25V和2 5V作为两路输入的报警值 当结果超过报警值时 指示灯 闪烁和蜂鸣器发声 以示警告 二 硬件设计电路 2 1 控制器 单片机 STC12C5A32AD单片机是单时钟 机器周期 1T 的兼容8051 内核单片机 是高速 低功耗的新一代单片机 全新的流水线 精简指令集结构 STC12C5A32AD单片机 主要性能 高速 1个时钟 机器周期 RISC型8051内核 速度比普通8051快12倍 工作电压 5 5V 3 3V 低功耗设计 空闲模式 掉电模式 可由外部中断唤醒 工作频率 0 35MHz 时钟 外部晶体或内部RC 振荡器可选 芯片内E2PROM 功能 ISP IAP 在系统可编程 在应用可编程 无需仿真器 8位8通道ADC 转换速度可达300K S 2个硬件16位定时器 兼容普通8051 的定时器 再加上2 路PCA 还可再实现2个 16位定时器 硬件看门狗 WDT 全双工异步串行口 UART 由于STC12系列单片机是高速的8051 可再用定时器或 PCA软件实现多串口 如图 2 1 为 STC12C5A32AD 引脚图 各引脚功能说明如下 5 P1 1 ADC1 2 P1 2 ECI RXD2 ADC2 3 P1 3 CCP0 TXD2 ADC3 4 P1 4 CCP1 SS ADC4 5 P1 5 MOSI ADC5 6 P1 6 MISO ADC6 7 P1 7 SCLK ADC7 8 P4 7 RST 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 CLKOUT0 14 P3 5 T1 CLKOUT1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P1 0 CLKOUT2 ADC0 1 VCC 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P4 6 EX LVD RST2 31 P4 5 ALE 30 P4 4 NA 29 P2 7 28 P2 6 27 P2 5 26 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 STC12C5A32AD 图2 1 STC12C5A32AD单片机引脚图 Vcc 电源 GND 地 P0 口 P0 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据存储器时 P0 口也被作为 低 8 位地址 数据复用 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 同时也是模拟 量输入口 可以对 8 路模拟量进行模数转换 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 在访问外部程 序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送 出高八位地址 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口亦作为特 殊功能口使用 如表 3 1 所示 RST 复位输入 晶振工作时 RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机 复位 6 ALE 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 8 位地 址的输出脉冲 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 表 2 1 STC12C5A32AD 引脚号特殊功能 P3 0 RXD 串行输入 P3 1 TXD 串行输出 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT0 外部中断 0 P3 4 T0 定时器 0 外部输入和定时器 0 时钟频率 输出 P3 5 T1 定时器 1 外部输入和定时器 1 时钟频率 输出 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 2 2 电源部分 该电路通过整流桥整流 各级的电容滤波 滤去交流高频信号 再通过采用 CW7805三端稳压片即可满足要求 该电源提供的电能可靠 可以满足实验要求 7 S A C220V 50H Z T TY2007 220V 7V IN 4007 1 2 3 4 D IN 4007 C4 0 1F C3 100U F C1 2200U F C2 0 1F V OU TV IN CW7805 8 4V G ND 5V G ND 图2 2 5V电源 2 3 显示电路 本系统采用 LCD 显示 即液晶显示 它是一种被动式的显示器 即液晶本身 不发光 而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性 从而达到白底黑字 或黑底白字显示目的 液晶显示器具有省电 抗干扰能力强等优点 本系统应用 LCD1602 模块 以下为其各引脚的功能 表 2 2 LCD1602 引脚的功能 引脚符号功能说明 1GND 电源地 2VDD 5V 逻辑电源 3VEE 液晶驱动电源 4RS 寄存器选择 1 数据寄存器 0 命令 状态寄存器 5R W 读写操作选择 6E 使能 下降沿使能 7 14DB0 DB7 数据总线 与单片机的数据总线相连 三态 15E1 背光电源 通常为 5V 被串联一个电位器 以调节背光亮度 16E2 背光电源地 8 本模块的4 5 6引脚分别于单片机的P1 6 P1 5 P1 4相连 DB0 DB7与 P2 0 P2 7相连 以达到显示功能 P1 1 ADC1 2 P1 2 ECI RXD2 ADC2 3 P1 3 CCP0 TXD2 ADC3 4 P1 4 CCP1 SS ADC4 5 P1 5 MOSI ADC5 6 P1 6 MISO ADC6 7 P1 7 SCLK ADC7 8 P4 7 RST 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 CLKOUT0 14 P3 5 T1 CLKOUT1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P1 0 CLKOUT2 ADC0 1 VCC 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P4 6 EX LVD RST2 31 P4 5 ALE 30 P4 4 NA 29 P2 7 28 P2 6 27 P2 5 26 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 100 10K 5V GND 5V GND R4 R5 E2 16 E1 15 VSS 3 VEE 1 VDD 2 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 E 6 D0 7 RS 4 R W 5 LCD1602 STC12C5A32AD 2 4 键盘电路 由于采用两路进行采集 而且要进行查看指定通道的电压值 所以采用两个按 键进行查看其电压值 一键一线 各键相互独立 每个键各连一条I O口线 通过检 测输入线的电平状态就可以判断那个键被按下 图 2 3 LCD1602 显示电路 9 S2 S1 R8 10K R7 10K 5V G ND P0 2 37 P0 1 38 STC12C5A 32AD 图2 4 键盘电路 2 5 晶振电路 采用内部时钟方式使用现成的外部振荡器产生脉冲信号 晶体的频率越高 系 统的时钟频率越高 单片机的运行速度越快 时钟电路是单片机的心脏 它控制着 单片机的工作节奏 单片机允许的时钟频率是因型号而异的 其典型值为 12MHZ STC12C5A32AD内部有一个反相振荡放大器 XTAL1 和 XTAL2分别是该反向振 荡放大器的输入端和输出端 该反向放大器可配置为片内振荡器 石晶振荡和陶瓷 振荡均可采用 本系统使用12MHZ的晶体 电容为30PF 晶体和电容安装的与单片机近似接近 减少寄生电容 更好的保证振荡器的稳定工作 晶振电路的两端分别接于单片机的 XTAL1 XTAL2两个端口 C1 30PF 12MH Z C2 30PF G ND X TA L1 18 X TA L2 19 STC12C5A 32AD 图2 5 晶振电路 10 2 6 复位电路 按键手动电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通来实现的 当按键没有按 下时 C3起到隔断直流电源的作用 使RST处于低电平状态 当S3按下 将C3短路 使电路导通 RST端为高电平 当时间长到单片机的两个机器周期后 单片机就会复 位 复位后 只影响SFR中的内容 内部RAM中的数据不受影响 外部复位有上电复 位和按键电平复位 由于单片机运行过程中 其本身的干扰或外界干扰会导致出错 此时我们可按复位键重新开始运行 为了便于本设计运行调试 复位电路采用按键 复位方式 S3 位位位位 C3 10U F 5V 2K G ND RST 9 STC12C5A 32AD 图2 6 复位电路 2 7 报警电路 利用三极管进行放大驱动LED或蜂鸣器进行工作 将在1 25V和2 5V作为两路输 入的报警值 当结果超过报警值时 指示灯闪烁和蜂鸣器发声 以示警告 在数字 电路中 是以脉冲信号驱动蜂鸣器以产生声音 若要以C51产生声音 可利用程序产 生频率 送到IO口 再从该点连接到蜂鸣器的驱动电路 即可驱动蜂鸣器 这里采 用的是以PNP晶体管放大电路 数字微处理电路输出高电位时 由IC内部流出的电流很小 虽然我们可以利用 高增益晶体管 在连接上拉电阻 以提供较大的驱动电流 以驱动蜂鸣器或其他负 载 而数字微处理电路输出低电位时 IC可吸入较大电路 连接PNP晶体管构成的简 单放大电路 即可提供足够的驱动能力 11 位位位 Q 1 PN P 9012 Q 2 PN P 9012 5 1K R7 5 1K R6 LED 680 5V P0 4 35 P0 5 34 STC12C5A 32AD G ND 图2 7 报警电路 三 系统软件设计 3 1 主流程图 对两路0 5V模拟电压进行循环采集 每路采集3次 取平均值 采集的数存入 内存并显示 对其扫描的过程进行了概括和分析 其主流程图如下 12 开始 系统初始化 启动 a d 转换 循环采集 2 路测量值 是否采集 了 3 次 对三次数据求平均值 采集 a d 转换值 是否超过 报警值 灯闪烁 蜂鸣器发 声 选择精度 是否改 变精度 显示并保存 N Y N Y N Y 图3 1 主程序流程图 3 2 显示电路流程图 键盘控制 可查看制定通道的电压值 显示中 其中最高位显示通道提示符A B 低三位显示实际的电压 显示电路流程图如下 13 通道选择按通道选择按 钮是否按下钮是否按下 每秒切换一每秒切换一 种显示通道种显示通道 第一位显示第一位显示 A 且显示第一通道且显示第一通道 电压值电压值 第一位显示第一位显示 B 且且 显示第二通道电显示第二通道电 压值压值 程序开始程序开始 N S1S1 按下按下S2S2 按下按下 判断哪个键按判断哪个键按 下下 Y 图3 2 显示电路流程图 3 3 报警电路流程图 将在1 25V和2 5V作为两路输入的报警值 当结果超过报警值时 指示灯和蜂 鸣器发出报警 数字微处理电路输出高电位时 由IC内部流出的电流很小 我们可 以利用高增益晶体管 再连接上拉电阻 以提供较大的驱动电流 以驱动蜂鸣器或 其他负载 而数字微处理电路输出低电位时 IC可吸入较大电路 连接PNP晶体管构 成的简单放大电路 即可提供足够的驱动能力 14 读取电压值读取电压值 子程序入口子程序入口 超出超出 2 5V超出超出 1 25V 蜂鸣器报警蜂鸣器报警LED 闪烁报警闪烁报警 图3 3 报警电路流程图 四 结论总结 4 1 课题总结 这次通过两周的设计 设计出以STC12C5A32AD单片机为主要硬件 LCD1602模块 为主的数字电压表 本电压表以传统模拟电压表的成熟技术为先导 实现了简易数 字式直流电压表的硬件电路与软件设计 这种数字电压表无论是在功能还是实际应 用上都是传统数字电压表无法比拟的 4 2 心得体会 这次课设实际锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识 解决实际工程问题的 能力 使我对电源 报警电路 单片机串口扩展并口及LCD1602模块等有了进一步的 掌握 并能够对protel 99画图软件熟练应用 本课题使我熟悉了单片机设计原则 对单片机内部构造 工作原理 与其它芯 片的接口技术及其工作情况有了更进一步了解 虽然是很简单的运用 但对我的独 立的思考问题 积极的去解决问题的能力进行了锻炼和提升 意义重大 15 五 参考文献 1 王为青 程国刚 单片机 Keil Cx51 应用开发技术 M 北京 人民邮电出版社 2006 223 226 2 张毅刚 单片机及其应用 M 北京 高等教育出版社 2008 18 20 253 255 219 220 3 童诗白 模拟电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2004 213 216 4 李朝青 单片机原理及接口技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2005 22 26 5 阎石 数字电子技术基础 M 第五版 北京 高等教育出版社 2006 524 535 6 闫玉德 葛龙 俞虹 单片机微型计算机原理与设计 M 北京 中国电力出版社 2010 112 154 197 199 7 李群芳 单片机原理接口及应用 嵌入式系统计数基础 M 北京 清华大学出版社 2006 12 125 132 8 解永勃 电压量程自动转换电路 J 电子世界 2003 7 52 53 9 程宇红 基于EPROM的高精度数字电压表设计 J 自动化与仪器仪表 2001 7 52 54 10 苗红霞 单片机实现数字电压表的软硬件设计 J 河海大学常州分校学报 2002 3 74 79 16 六 附录 6 1 程序及其源代码 系统上电 初始化程序将70H 77H内存单元清0 P2口置0 系统默认为循环显 示2个通道的压值 当进行一次测量后 将显示每一通道的A D转换值 每个通道显 示时间为1s 70H 77H内存单元存放采样值 78H 7BH内存单元存放显示数据 依 次为各位 通道标志位 初始化程序 1 软件系统复位 ISP CONTR ISP IAP 控制寄存器 地址在 0E7H 单元 B7B6B5B4B3B2B1B0Reset Value ISPENSWBSSWRSTCMD FAIL1WT2WT1WT00000 1000 ISPEN ISP IAP 功能允许位 0 禁止ISP IAP 编程改变Flash 1 允许编程改变 Flash SWBS 软件选择从用户应用程序区启动 0 还是从ISP 程序区启动 1 要 与SWRST 直接配合才可以实现 SWRST 0 不操作 1 产生软件系统复位 硬件自动清零 MOV ISP CONTR 00100000B SWBS 0 选择 AP 区 SWRST 1 软复位 MOV ISP CONTR 001