智能仪器论文

1、深圳大学考试答题纸(以论文、报告等形式考核专用)二 一四 二 一五 学年度第 二 学期课程编号1701700001课程名称智能仪器与测控系统主讲教师评分学 号姓名专业年级测控技术与仪器 大三教师评语：题目：可自动换挡的直流数字电压表设计1 系统需求分析 11 考虑的内容v 51单片机使用何种方式将模拟电压转换成数字电压；v 51单片机如何控制进行相应的档位切换；v 51单片机如何显示对应的采集值；v 需要设计合适的单片机软件。 12 涉及的知识Ø 数字电压表的实现原理；Ø 运算放大器LM324的应用原理；Ø A/D芯片AD0809的应用原理；Ø LCD1

2、602液晶显示器的应用原理。 1.3 软件需求l 编程软件 ：Keil vUsionl 仿真软件：protues 1.4 硬件需求ü 组成51单片机最小系统的元器件ü 万能板ü AT89C52ü LM324放大器ü AD0809ü LCD1602ü 杜邦线若干ü 电阻器若干2 系统总体设计2.1主要实现内容 运用所学单片机、模拟和数字电路、以及测控系统原理与设计等方面的知识，设计出一台以AT89C52为核心的直流数字电压表，完成电压信号的采集、处理、显示（数码管或者LCD）及键盘接口电路等部分的软、硬件设计，要求采

3、用ADC0809 或PCF8591实现A/D转换，1、测量范围：0-20V直流电压，设置三个量程：0-200mV，200 mV-2V，2V-20V，实现自动换档。l b测量精度：20 mV。l c测量误差允许范围：<=1%。l d显示：用四位七段数码管显示电压读数或用LCD1602显示2.2电压表的总体工作流程初始化单片机系统 判断当前的 待测电压值 切换到0-0.2V量程 切换到0.2-2V量程 切换到2-20V量程 测量电压3 系统的硬件设计31 模块分析 通过对数字电压表的功能分析，我们可以将其分为输入模块、模数转化模块、 单 片机控制模块以及显示模块四部分。输入模块是由两个放大器

4、LM324形成的3个输出接到模数转换模块的ADC0809的IN1、IN2、IN4上，这时候输入的是模拟信号，经过ADC转换器进行采样保持等操作，在ADC0809的8个输出口out0out7输出了相应的数字信号，并从51单片机的P1口传入单片机的内部供单片机进行下一步处理。另外，ADC转换器上的一些控制端口也接到了单片机上，使单片机实现对模数转换的控制操作。从单片机P1口进来的数据，会从单片机的P0口传送到显示模块LCD1602的数据输入口上，通过上拉电阻的驱动，液晶屏显示器上就能显示出相应的电压测量值了。实物图： 显示模块 模数转换模块 输入模块 单片机控制模块完整的硬件连接图：32 关于AT

5、89C52AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用AT89C52有40个 引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和F

6、lash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标的C51内核，在内部功能以及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为

7、复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能引脚图：3.3关于LCD1602字符型LCD1602通常有14条

8、引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚定义如下表所示： HD44780内置了DDRAM、CGROM和CGRAM。DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表： DDRAM地址与显示位置的对应关系   （事实上我们往DDRAM里的00H地址处送一个数据，譬如0x31(数字1的代码)并不能显示1出来。这是一个令初学者很容易出错的地方，原因就是如果 你要想在DDRAM的00H地址处显示数据，则必须将00H加上80H，即80H，若要在DDRA

9、M的01H处显示数据，则必须将01H加上80H即 81H。依次类推。大家看一下控制指令的的8条：DDRAM地址的设定，即可以明白是怎么样的一回事了）  1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下表所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常 用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点 阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”   上表中的字符代码与我们PC中的字符代码是基本一致的。因此我们在向DDRAM写C51字符代

10、码程序时甚至可以直接用P1'A'这样的方法。PC在编译时就把“A”先转为41H代码了。  字符代码0x000x0F为用户自定义的字符图形RAM(对于5X8点阵的字符，可以存放8组，5X10点阵的字符，存放4组)，就是CGRAM了。后面我会详细说的。  0x200x7F为标准的ASCII码，0xA00xFF为日文字符和希腊文字符，其余字符码(0x100x1F0x800x9F)没有定义。  那么如何对DDRAM的内容和地址进行具体操作呢，下面先说说HD44780的指令集及其设置说明，请浏览该指令集，并找出对DDRAM的内容和地址进行操作的指令。共11条

11、指令： 1.清屏指令 功能：<1> 清除液晶显示器，即将DDRAM的内容全部填入"空白"的ASCII码20H; <2> 光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方; <3> 将地址计数器(AC)的值设为0。 2.光标归位指令 功能：<1> 把光标撤回到显示器的左上方; <2> 把地址计数器(AC)的值设置为0; <3> 保持DDRAM的内容不变 3.进入模式设置指令 功能：设定每次定入1位数据后光标的移位方向，并且设定每次写入的一个字符是否移动。参数设定的情况如下所示：位名  

12、0;           设置 I/D   0=写入新数据后光标左移    1=写入新数据后光标右移 S   0=写入新数据后显示屏不移动 1=写入新数据后显示屏整体右移1个字 4.显示开关控制指令 功能：控制显示器开/关、光标显示/关闭以及光标是否闪烁。参数设定的情况如下： 位名          

13、;    设置 D                0=显示功能关           1=显示功能开 C                0=

14、无光标              1=有光标 B                0=光标闪烁               1=光标不闪烁 5. 设定显示屏或光标

15、移动方向指令  功能：使光标移位或使整个显示屏幕移位。参数设定的情况如下： S/C               R/L                设定情况 0          

16、0;      0          光标左移1格，且AC值减1 0                 1          光标右移1格，且AC值加1 1   

17、              0          显示器上字符全部左移一格，但光标不动 1                 1       

18、   显示器上字符全部右移一格，但光标不动 6.功能设定指令  功能：设定数据总线位数、显示的行数及字型。参数设定的情况如下： 位名              设置 DL               0=数据总线为4位 1=数据总线为8位 N  &#

19、160;               0=显示1行 1=显示2行 F                    0=5×7点阵/每字符   1=5×10点阵/每字符 7.设定CGRAM地址指令  功能：设

20、定下一个要存入数据的CGRAM的地址。 8.设定DDRAM地址指令  功能：设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。 (注意这里我们送地址的时候应该是0x80+Address，这也是前面说到写地址命令的时候要加上0x80的原因) 9.读取忙信号或AC地址指令 功能：<1> 读取忙碌信号BF的内容，BF=1表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令; 当BF=0时，液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令; <2> 读取地址计数器(AC)的内容。 10.数据写入DDRAM或CGRAM指令一览  功能：<1> 将字符码写入DDRAM

21、，以使液晶显示屏显示出相对应的字符; <2> 将使用者自己设计的图形存入CGRAM。 11.从CGRAM或DDRAM读出数据的指令一览  功能：读取DDRAM或CGRAM中的内容。 基本操作时序： 读状态           输入：RS=L，RW=H，E=H                  &#

22、160;  输出：DB0DB7=状态字 写指令           输入：RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=指令码 输出：无 读数据           输入：RS=H，RW=H，E=H               

23、0;                 输出：DB0DB7=数据 写数据           输入：RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=数据 输出：无 3.4关于LM324LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0

24、伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM324的组成和引脚说明如下3.5关于ADC0809ADC0809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A/D模数转换器。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。目前仅在单片机初学应用设计中较为常见。引脚功能说明： IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

25、ALE：地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一+5V。 GND：地。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插

26、式封装，如图所示。 4 系统的软件设计41 Protues仿真图设计 仿真图涉及的元器件如下：器件名称库子库说明AT89C52Microprocessor ICs8051 Family51单片机RESResistorsGeneric通用电阻CAPCapacitorsGeneric电容CAP-ELECCapacitorsGeneric极性电容CRYSTALMiscellaneous-晶振器LM016LOptoelectronicsAlphanumeric LCDsLCD1602LM324OperationalPrimitive Sources运算放大器ADC0808Data Converters

27、Amplifiers QuadA/D转换器RESPACK-8ResistorsResistor Packs8位电阻排1）显示器部分2） 模数转换部分3) 电压输入部分4) 单片机控制部分5） 完整的仿真图42 Keil vUsion 程序编写与HEX文件生成步骤1：新建一个工程，选择Atmel里的AT89C52设备作为数据基础。点击ok后会生成51单片机的头文件步骤2：把写好的程序生成.c的文件并添加到Source Group one 里面去，然后就可以进行编译。步骤3：在编译无错误的情况下就可以通过设置输出口，让程序生成.hex的文件。步骤4：设置完之后点击Rebuild taget 就可以

28、生成.hex文件了，可以根据你选择的路径查看是否生成了该文件。5 调试过程及结果分析51 软件调试过程将由Keil生成的.hex文件读取到51单片机里面，仿真图就能运行了。 （1）初始化程序（2）00.2V电压仿真测量（3）0.22V电压仿真测（4）220V电压仿真52 硬件调试过程由于电路焊得不好，实验并未能通过硬件调试！5.3结果分析从仿真的结果来看，实验已经达到设计的要求了的，一方面电路实现了0-20V电压的测量，另一方面也实现了量程的自动转换，并且在测小电压的时候能达到很高的精度。通过修改程序或测量值改变输入口还可以设置更多的量程。 6参考文献1.51单片机应用开发25例：基于Prot

29、ues仿真/张新。陈跃琴编著.-北京：电子工业出版社，2013.102. 王书士.朱宇川 基于AT89C2051的直流数字电压表设计期刊论文-信息通信2013(2)3. 高皑琼 单片机控制的简易直流数字电压表期刊论文-消费电子2012(11)4. 智能仪表原理与设计/凌志浩，王华忠，叶西宁编著.-北京：人民邮电出版社，2013.75. 单片机实用系统设计与仿真经典实例/周润景，刘晓霞编著.-北京：电子工业出版社，2014.16. 基于Protues的单片机课程的基础实验与课程设计/张毅刚主编.-北京：人民邮电出版社，2012.47. PROTUES入门实用教程/周润景，蔡雨恬编著.-2版.-北

30、京：机械工业出版社，2011.107附录及元器件清单附录一程序#include<AT89X52.H>#define LEDDATA P0#define v20_ons3=0;s2=0;s1=1;#define v2_ons3=0;s2=1;s1=0;#define v02_ons3=1;s2=0;s1=0;unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x6d,0x66,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;unsigned char dispbuf8=0,0,0,0,0,0,0,0;unsigned

31、 char getdata;unsigned long temp;unsigned char i,k,l, m;unsigned char code mytable0="WELCOME TO USE"unsigned char code mytable1="AUTO VOLTMETER!"unsigned char code line0=" Voltmeter " unsigned char code line1="Value: V"sbit lcdrs=P20;sbit lcden=P21;sbit s3=P37

32、;sbit s2=P36;sbit s1=P35;sbit OE=P30;sbit EOC=P31;sbit ST=P32;sbit CLK=P22;void Init_Timer0(void) /定时器0 TMOD=0x10; TH1=(65536-200)/256; TL1=(65536-200)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; CLK=1;void delay (unsigned int z) /延时函数 unsigned int x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);void write_com(unsigned c

33、har c)/lcd写命令函数 lcdrs=0; /输入指令 lcden=0; LEDDATA=c; delay(5); lcden=1;/读取信息 delay(5); lcden=0; /下降沿执行指令void write_data(unsigned char d) /lcd写数据函数 lcdrs=1;/输入数据 LEDDATA=d; delay(5); lcden=1; /读取信息 delay(5); lcden=0; /下降沿执行指令void initialize()/初始化 unsigned char num; lcden=0; write_com(0x38); /8位数据，双列。5*

34、7字型 write_com(0x0c); /开启显示屏， 关闭光标，光标不闪烁 write_com(0x06); /显示地址递增，写入一个数据后右移 write_com(0x01); /清屏 write_com(0x80+0x10); for(num=0;num<17;num+) write_data(mytable0num); /d=mytable0num，调用写入数据函数delay(10); write_com(0x80+0x50); for(num=0;num<15;num+) write_data(mytable1num);delay(10); for(num=0;num&

35、lt;16;num+) write_com(0x1c);delay(300); delay(1000); write_com(0x01);/清屏 write_com(0x80); /第一行 for(num=0;num<14;num+) write_data(line0num);delay(10); write_com(0x80+0x40); /第二行 for(num=0;num<15;num+) write_data(line1num);delay(10); void value(unsigned char add,unsigned char dat)/电压值计算函数 write_

36、com(0x80+0x47+add); if(l=3&&add=2|l!=3&&add=1) write_data(0x2e); else write_data(0x30+dat); main() initialize(); Init_Timer0(); while(1) _20v: v20_on;/100，测0-20v 的电压 ST=0; ST=1; ST=0; while(EOC=0); /EOC P3.1 OE=1; getdata=P1; OE=0; if(getdata<20) /电压值被放大了10倍 goto _2v; l=3; temp=getdata; temp=(temp*100