【《某数字电压表的硬件电路设计案例》4500字】

某数字电压表的硬件电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u19934某数字电压表的硬件电路设计案例 1105041.1单片机系统 1322811.1.1单片机最小系统 1115611.2A/D转换模块 2121331.2.1AD转换器选型 2276071.2.2AD0809介绍 3227161.2.3A/D转换电路的接口设计 4103191.3液晶显示模块 5163891.1.1显示器选型 5189511.1.2LCD1602显示电路 7192661.4按键开关系统 8291171.5测压模块 8102311.5.1LM393 9204061.5.2CD4053 10253101.6蓝牙模块 1233721.6.1通信原理 1266921.6.2蓝牙单片机接口设计 121.1单片机系统1.1.1单片机最小系统STC89C52是一种低耗高性能COMOS8的微控制器，其中它的ROM内存为8K，RAM内存为512字节。它和MCS-51拥有着相同的内核，但它相较于传统的51单片机做出了一些改进从而增加了新功能，例如STC89C52不需要专门的下载器，可以通过USB转串口下载。两者通俗的比较就是数据存储器和程序存储器不同，其他都相同。时钟电路的基本工作原理是在单片机外接一个振荡器，晶振提供高频脉冲再经过分频处理，便是单片机内部时钟信号，它用作芯片上各个组件协同工作的控制信号。单片微机在开始启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，然后从这个状态启动工作。在STC89C52有一个复位端引脚RST[3]，它使用施密特触发器进行输入。当振荡器启动后，只要引脚为高电平超过2个机器周期，器件就可以保证复位。如果复位完成后，复位端引脚仍然保持高电平状态，则单片机将一直保持复位状态，当复位端引脚恢复低电平状态后，单片机则进入其他工作状态[4]。如图3-1所示，就是单片机最小系统。图3-1最小系统1.2A/D转换模块1.2.1AD转换器选型现如今，人们追求便捷化的仪表仪器，数字电压表已经成为诸多数字化仪表的核心与基础。将连续的模拟量转换成断续、离散的数字量便是电压表数字化过程的形式[5]，再经过数字化之后便可以显示仪器显示出来。传统意义上的仪器是要以肉眼的形式去观察指针和刻度盘从而读出数值，而数字化的电压表与它区别甚大，这种方法可以有效地避免了由视觉带来的误差。模数转换器已经是当今数字电压表仪器的最核心部件之一了，而数字电压表的精度很大程度上还是取决于A/D转换器的精度。根据各种模数转换芯片的转化原理可分为逐次逼近型（SAR），Σ-Δ型AD，双积分型（VT）[6]，并行比较模数器等。再根据信号的传输方式可以分为并行和串行两种。本设计中提供了两种不同的AD模数转换芯片以便选择分析。方案一AD0832AD0832是一种8位分辨率、具有双通道的AD转换芯片。如图3-2所示，它体积很小占用面积小，与此同时它兼容性很高，总结来说它是一款性价比很高的模数转换芯片。图3-2AD0832实物图方案二AD0809AD0809是一种8位分辨率、具有八通道的AD转换芯片。如图3-3所示，它的体积也很小，同时带有着微处理器兼容的的控制逻辑CMOS组件。总得来说也是一款受消费者青睐的模数转换芯片。图3-3AD0809实物图AD0832的转换速度极快，只有短短地32μS。而AD0809的100μS的转换时间相对来说慢了一点，而它们的分辨率相同。而AD0809是并行通讯的，每一时刻可以传输多个比特的信号，而AD0832为串行通讯，每刻只能传输一个比特的信号。此外在本设计中，有着调节量程的功能，需要用到更多的引脚，AD0832不能满足此条件，而AD0809的引脚数量足够。总得来说就是AD0809通道多且是并行通讯，相对于AD0832的双通道且是串行通讯，它的效率更高。所以在本次数字电压表设计中，我选用了转换时间快，精度高的逐次逼近型模数转换器AD0809，它有着8路通道选择，而且它可以直接与单片机相连接，将输入模拟量转换成数字量并将数字传输给单片机，从而通过单片机显示出来。逐次逼近型模数转换器的转换时间受到其位数和时钟周期影响，它的位数为8为则只需要比较8次，在实际运用中它的转换速度更快时间更短，所以它更被人青睐。1.2.2AD0809介绍AD0809是位数为8位的、工作原理为SAR的一款模数转换器件[7]。它有8条通道，内部有3路开关，通过了解地址锁存译码器的真值表编译后的信号，使八路模拟输入信号中只有一路被选择用作于模数转换通道。其主要特性有：（1）分辨率为8位，即模数转换产生的编码个数为28。（2）具有转换起停控制端。（3）转换时间为100μs。（4）单个＋5V电源供电。（5）低功耗，约15mW。AD0809拥有28条引脚，采用双列直插式封装。它的IN0-IN7为8通道模拟输入端，D0-D7为8位数字量输出端。根据真值表，改变ADDA、ADDB、ADDC三个的高低电平可以选择具体某条模拟输入通道。ADC0809的工作过程:首先要地址锁存端输入高电平，这时输入3位地址，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上升沿启动脉冲信号将寄存器复位，当下降沿才真正启动A/D转换，在转换中EOC需要变为低电平，当EOC变为高电平时，A/D转换完成了，这时A/D转换结束，转换的数据便存入锁存器。当OE变为高电平时，输出三态门打开，转换结果输出[8]。1.2.3A/D转换电路的接口设计AD0809与单片机的连接设计电路图如图3-4：AD0809的2-1~2-8这8条数字输出端连接着单片机的P0端，它的3端输入通道A、B、C与单片机的P2.3、2.4、2.5相连接，EOC端与P1.5相连接，ALE端与P1.6端相连接。图3-4AD0809与单片机连接图1.3液晶显示模块1.1.1显示器选型方案一数码管如图3-5为数码管实物图，它可以形成不同的数字。LED数码管是市场上非常常见且廉价的屏幕。它的优点是编程简单，缺点是只能显示A到F的英文字符和数字字符，能显示的内容较少。图3-5数码管实物图方案二液晶LCD1602如图3-6所示为液晶显示屏1602的实物图，它是一种经常被使用的液晶屏，液晶屏幕上可以显示中文、英文、数字等特殊符号，在硬件布线方面，布线方法也非常明确。编写软件代码也很容易，该LCD还可以选择是否需要背光。总之，LCD1602是一款性价比很高的产品。图3-6LCD1602实物图在本次设计中需要实时直观的显示出电压的数值,并且需要中英文字符的显示，数码管明显不行，所以我选择了后者的方案二。液晶显示器LCD全称LiquidCrystalDisplay。在现如今液晶显示器拥有者许多的优点，如体积小、重量轻、功耗低等，在具有这些优势之后使它逐渐成为电子表、电脑显示器等各种电子产品配套的理想显示器。按LCD显示内容分类可将其分为段式、字符、点阵型。其中，字符液晶以其成本便宜、色彩丰富、外形美观、操作便捷等优点，逐渐成为LED数码管的理想代替物品。LCD液晶屏已经成为一种被应用广泛的字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏、控制驱动主电路HD44780和扩展驱动电路HD44100等元器件结构装配在PCB板上而组成[9]。LCD1602能够同时显示2行，16列，一共可以显示32个字符。它具有低功耗、小体积、超薄、轻巧等特点，常用于袖珍设备和低功耗应用系统。LCD在运行每个指令前都需要确保它的忙标志BF为低电平，当BF为1时该命令将无效。如果要在显示屏上的对应位置显示出字符，必须先输入对应的显示字符地址。通俗理解便是提前告知字符显示地址。如图3-7是1602的内部具体位置的不同显示地址。图3-71602内部显示图第一步：在使用LCD之前我们首先需要将它初始化，然后要设置它的显示模式。当LCD模块可以显示字符时，我们无需手动操作，而光标则会自动的向右移动。每当我们在输入命令之前，都需要确定LCD模块是否在忙。单片机和LCD1602两者想要相互沟通，应该要通过0和1的组成的语言才能实现，若想在LCD1602上显示内容时，RS=1对应上表3-8所输入的代码即可在显示屏上显示相对应的内容，若单片机传输01000001为0x41所显示的对应字符就为A.当RS=0是LCD1602识别代码为位置代码.就正如图3-6，Bit7固定为1，剩下7位输入所对应图3-7LCD1602上所对应的位置，如果是单片机给LCD1602给单片机发送10000001那么它对应的是LCD1602第一行第二个位置。1.1.2LCD1602显示电路如图3-8，我们可以控制使能信号E引脚的上升、下降沿以此让LCD进行不同的传输数据状态。单片机的P0.0-P0.7引脚连接LCD1602的D0-D7的7个数据引脚，以此作为显示部分显示检测处的电压数值。液晶显示偏压VL引脚对应图3-8中的V0引脚，在本电路中是调整LCD1602的显示对比度，当对比度过高的时候会出现“鬼影”的效果，在图中有一个10K的上拉电阻就是用来调节对比度以此消除该情况的。数据/命令选择端RS引脚高低电平分别进行数据字节传输或者命令字节传输。读/写选择端R/W：引脚的高低电平（1或0）分别对LCD1602读写数据。图3-8显示电路设计图1.4按键开关系统本设计共有3个按键设计，分别是一个复位开关和两个调节量程的开关。如图3-9是调节测量量程的两个通道开关。按下按钮即可调节至0-5V或者0-12V以及一个自动量程这三个不同的量程。图3-9量程调节图1.5测压模块如图3-10是测压模块图。是由两路LM393双电压比较器和模拟开关CD4053组成。图3-10测压模块图1.5.1LM393LM393是一种双电压比较器集成电路。它的实物如图3-11所示。它在该设计电路的作用就是电压比较，因为我在设定的的量程值为0-5V和0-12V，所以LM393参考电压为5V。图3-11LM393实物图如图3-12实验一所示，以比较器的反向输入电压5V作为参考电压时，比较器的正向电压输入为3V时，这时正极小于5V参考电压，那么比较器输出为低电平，则与比较器相连接的单片机的P1.0收到反馈为低电平。如图3-13实验二，当比较器的正向电压为9V时，这时大于5V的参考电压便输出高电平，那与单片机相连接的P1.0口收到反馈为高电平。图3-12实验一图3-13实验二1.5.2CD4053CD4053是一块带有公共使能输入控制的3路二选一模拟开关电路，他相当于三组单刀双掷开关。它的A、B、C三个引脚开关都有axay、bxby、cxcy两个独立的输入输出通道以及对应的公共输入输出端和选择输入端。CD4053的每一路都有两个双向模拟开关，开关的一边连接到独立输入/输出端，另一边连接到公共输入/输出端[10]。当INH端引脚为高电平时，所以通道会被截止，即处于高阻状态。只有当它处于低电平时才能有开关通道被选择，即处于低阻状态。CD4053芯片引脚图如图3-14所示。功能如下表3-1：图3-14CD4053芯片引脚图表3-1CD4053引脚功能引脚号符号功能12351213bybxcxcyayax输入/输出端91011cba控制端14OUT/INaxoray公共输出/输入端axoray15OUT/INbxorby公共输出/输入端bxorby4OUT/INcxorcy公共输出/输入端cxorcy6INH禁止端7VEE模拟信号接地端8VSS数字信号接地端16VDD电源模拟CD4053在与单片机的连接如下图3-15。模拟输入量A1与模拟输入量A2分别连接到公共输入端X、Y。芯片的A、B引脚由单片机的P1.2、P1.3管脚所控制。从该芯片的真值表我们可以得到，当P1.2=A等于低电平0时，则选择X0通道，当P1.2＝A等于高电平时，则选择X1通道。同样的B也受控于单片机的P1.3引脚，由P1.3的高低电平控制选择了Y1、Y0通道。在将X0、X1和Y0、Y1分别于AD0809的IN0-IN4相连接。图3-15CD4053电路连接图1.6蓝牙模块1.6.1通信原理蓝牙设备是经过无线电波的方式将手机连接到计算机。蓝牙产品是由一个小型蓝牙模块和支持连接的蓝牙无线电软件组成。如果两个蓝牙设备想要相互通信交流，则需要配对。蓝牙设备之间的通信通过称为微微网的短距离自组织网络进行。这样的网络可以容纳2到8个连接的设备。如果蓝牙的网络环境创建成功，其中一台设备将会作为主设备，所有其他设备将作为从设备。当蓝牙设备加入或离开无线短距离感测时，微微网是动态自动建立的。蓝牙通信技术是一种短距离通信方式，主从设备使用相同的通信协议[11]，而不同的应用拥有着不同的通信协议，协议规范遵循开放系统互连参考模型。HC-05是一款主从一体的蓝牙串口模块，我们可以忽