【《基于单片机的数字电压表设计》9200字（论文）】

第1章绪论网络拓扑自动生成、网络流量监测和网络故障检测的研究与实现PAGE10PAGE29基于单片机的数字电压表设计目录TOC\o"1-3"\h\z前言 4第一章绪论 51.1设计背景 51.2设计分析 51.3任务与目标 6第二章系统整体电路设计 72.1系统结构框图 72.2总体电路设计 7第三章硬件电路设计 93.1单片机系统 93.1.1STC89C52介绍 93.1.2引脚简介 93.2时钟电路与复位电路 103.2.1时钟电路 103.2.2复位电路 113.3A/D转换模块 123.3.1AD转换器选型 123.3.2AD0809介绍 133.3.3A/D转换电路的接口设计 133.4液晶显示模块 143.4.1LCD1602简介 143.4.2LCD1602显示电路 163.5按键开关系统 173.6测压模块 183.6.1LM393 193.6.2CD4053 193.7蓝牙模块 203.7.1通信原理 203.7.2蓝牙单片机接口设计 21第四章系统程序设计 234.1系统主程序 234.2模数转换子程序 234.3LCD显示子程序 244.4蓝牙通信子程序 24第五章电路设计仿真 255.1Proteus仿真图 255.2仿真展示 25第六章总结与展望 276.1设计总结 276.2未来展望 27参考文献 28摘要随着时代的变迁，现代电子信息技术得到了日新月异的发展，传统意义上的指针式电压表仪器存在功能有限、误差大、读数易偏差的问题，已经满足不了实验室的需求。此时数字电压表应运而生。基于单片机的数字电压表有着显示清晰直观、准确度高、分辨率高、扩展能力强、抗干扰能力强等优点。如今，由各种模数转换器等其它元件组成的数字电压表蓬勃发展，普遍应用于各种智能测量领域。在本次设计中我将选型了STC89C52单片机,并以AD0809作为采集信号的模数转换器，单片机进行信号处理，再经过显示模块LCD液晶显示数字化电压值。本设计精度准确，灵敏度高，并且运用一个蓝牙模块可以将信息发送到手机端便于人们了解数值大小。该数字电压表有两个测量范围分别为0-5V和0-12V。关键词：STC89C52单片机，ADC0809，模数转换，LCD1602，蓝牙模块。前言本篇论文共分为六个部分。第一章内容为绪论章节，主要讲解了数字电压表这一设计的背景，并对整个测量流程的功能进做出详细的剖析，对整体工作做一个简单的规划。第二章内容主要就是系统整体电路设计，利用电子CAD软件AltiumDesigner辅助定制了一个整体方案。第三章内容是整个电路设计系统中的各个局部硬件电路设计，并通过上一步骤做出实物来。第四章内容则是整个电路程序设计中的基础：软件程序，使整个设计能够运行。第五章内容则是通过单片机仿真软件Proteus对数字电压表整体系统电路进行模拟仿真。第六章内容是我对本次数字电压表设计的一些总结以及对其的期望，以及从本设计中了解到的一系列感悟。第一章绪论1.1设计背景单片机技术1970年代横空出世，在1980年单片机不断进步提升到了高性能阶段，直至近年来得到了飞跃的发展，目前单片微机技术已逐渐成熟与完善，能得到各个行业的广泛认可和使用。单片机未来必定会朝着低功耗CMOS化、微型单片化、安全性能更高等优点不断进步和完善。数字电压表出现在20世纪50年代初，而具体的电压测量仪表逐步成型于20世纪60年代末,它采用的是数字化测量技术,通过模数转换芯片，将连续的模拟量转变为断续的数字量,然后再进行特殊的数字化处理转变成可直观显示的数值，最终呈现在显示屏上。如今，电子与信息技术、微电子和光电子技术等高新技术的不断发展。在这一情况下，现在的仪器仪表便有了与时俱进的需求。传统意义上的仪器仪表将会向着性能稳定可靠、环保耐用等方向不断发展进步。新型的仪器仪表和电子元器件将朝着小型集成化、成套电子化、智能数字化、计算机网络化。在功能服务方面上向着专业化、简捷化、家庭友好化、人性化、无维护化以及装配生产自动化、无尘、大规模等的方向发展[1]。1.2设计分析现在．数字化仪表仪器已经取代很大一部分程度上的传统模拟指针式仪表仪器所取代。因为传统的指针式电压表有着功能有限、误差大、读数易偏差易出错等问题。采用单片机的数字电压表广泛应用于电子电气测量、半导体、自动化工业等领域。数字电压表仪器在智能测量领域中，尤其是在测试系统中更加显示出它蓬勃不息的生命力.数字电压表开始是伺服步进管比较型，具有精度高的优点，它的采样速度慢，有着较大的重量，体积也偏大。后来出现了谐波式电压表，它的速度相较伺服步进有所提高，但精度低，稳定性差，再后来改进成逐次逼近型，大大保持了高精度的优点。也提高了速度，但有缺点为抗干扰差，容易受到各种外部因素的影响。之后在斜波型的基础上引伸出阶梯波型可以降低成本，但精度、宽度、速度和抗干扰能力并没有得到进步。目前，数字电压表仪器的发展愈加变得成熟。原则上，它已经从一个或两个演变为多个。在测量参数功能上，它已经从单一参数演变为多种参数测量。从这个角度来看，从制造零件的角度来看，集成电路的发展大大提高了精度，读数为每秒数万次，价格也比以前显着降低。目前能够有效的实现电压数字化测量的方法仍是模数转换的方法，但是数字电压表样式丰富，产品型号日新月异，至今没有统一的标准，所以我们可以由下几种方法来分类：(1)根据不同的电压分为交流、直流电压表。(3)根据不同的显示位数（3-8）分类。(4)根据低中高3种不同的准确度来分类。(5)根据低中高3种不同的测量速度来分类。(6)根据模数转换器的类型来分类。在电路的物理参数测量中，电压（伏特）、电流(安培)、频率(赫兹)是3个基本量。其中电压在电路测量中需要高精度的测量，所以使用数字电压表这一高精度测量仪表仪器便成为了最重要的一部分。此外，由于数字式仪表仪器拥有读数准，精度高，偏差小，信噪比高等显著特点，从而受到用户的喜欢，数字式电压表就是根据这种需求开发的，它已经成为一种不可或缺的电子测量仪表。1.3任务与目标本次毕业设计将51单片机作为研究课题，主要任务及目标为：熟悉掌握并理解51单片机系统的工作原理，运用C语言为其开发进行程序开发并生成.hex文件，它通过单片机软件开发系统Keil4进行编程编译并生成.hex文件，经过单片机仿真软件Protues进行详细地对各电路以及整体电路仿真。通过数字电压表，便捷地对电路中的电压值测量，并且通过按键可以调节不同的量程，以液晶显示器显示电压值，同时可以以连接蓝牙的方式让显示值呈现在手机端。第二章系统整体电路设计2.1系统结构框图如图2-1所示，是数字电压表的一张简单的基本框图。图2-1基本框图2.2总体电路设计图2-2整体电路设计图该设计主要由单片机时钟复位模块，模数转换模块和LCD液晶显示模块以及按键模块，电源模块[2]，蓝牙模块，测量电压模块等组合在一起，使其成为一个整体，以进行后续的仿真测试。第三章硬件电路设计3.1单片机系统3.1.1STC89C52介绍STC89C52是一种低耗高性能COMOS8的微控制器,它具有8K字节程序存储空间。STC89C52和MCS-51是使用着相同的内核，但它与传统的51单片机相比拥有了一些其它功能，用通俗理解就是数据存储器和程序存储器不同，其他的都相同。3.1.2引脚简介STC89C52的各引脚如图3-1所示图3-1STC89C52引脚图STC89C52芯片上各引脚以及对应功能如下表所示：表格SEQ表格\*ARABIC1编号引脚功能1-8P1.0~P1.7标准I/O口9RST复位端10P3.0/RXD标准I/O口；串口1数据接收端11P3.1/TXD标准I/O口；串口1数据发送端12P3.2/标准I/O口；外部中断0，下降沿中断或低电平中断13P3.3/标准I/O口；外部中断1，下降沿中断或低电平中断14P3.4/T0标准I/O口；定时器/计数器0的外部输入15P3.5/T1标准I/O口；定时器/计数器1的外部输入16P3.6/标准I/O口；外部数据存储器写脉冲17P3.7/标准I/O口；外部数据存储器读脉冲18XTAL2内部时钟电路反相放大器的输出端，外接晶振引脚19XTAL1内部时钟电路反相放大器的输入端，外接晶振引脚20VSS接地端21-28P2.0~P2.7双向I/O口，内部自带上拉电阻，也可作为高8位地址总线使用。29外部程序存储器读选通信号的输出引脚30ALE地址锁存允许信号的输出引脚31访问程序存储器控制信号的引脚32-39P0.0~P0.7双向I/O口，外电路需接一个上拉电阻才能当作I/O口。当没有上拉电阻时，可以当作低8位地址/数据复用。40VCC电源端3.2时钟电路与复位电路3.2.1时钟电路时钟电路的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。它的作用就是与外部晶振衔接起来实现振荡电路的作用，从而为单片机提供工作时钟。CPU的微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行，所以需要通过单片机引脚接入晶振元件或外部时钟。图3-2时钟电路图3.2.2复位电路单片机在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。STC89C52有一个复位端引脚RST，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[3]。单片机自动上电复位和按键复位两种复位方式。下图3-3显示了单片机系统中常用的自动上电复位和手动按钮复位电路的组合。图3-3复位电路组合图3.3A/D转换模块3.3.1AD转换器选型数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，这种方法可以避免视差和测量的视觉疲劳。A/D转换器已经是当今数字电压表仪器的核心部件了，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）[4]，并行比较模数器等。如下表显示双积分型和逐次逼近型两种转换器的的不同特点对比：类型 对比转换时间精度抗干扰双积分型（VT）慢高较强逐次逼近型（SAR）快更高较差逐次逼近型（SAR）模数转换器是由电压比较器、顺序脉冲发生器、模数转换器、逐次逼近寄存器及控制逻辑电路组成[5]。它使用内部逐次逼近寄存器启动从高到低的逐位式比较。它的模数转换过程如下：首先要清除寄存器位使其为0。在转换过程中，最高有效位初始设置为1，并将数据发送到模数转换器进行转换[6]。之后便需要比较转换结果，如果转换后的模拟量大于输入模拟量，则不保留1，然后从第二位开始直至最低位不断重复上述比较过程，最后寄存器的内容就是输入模拟量所对应的二进制数字量[7]。其原理框图如图所示:图3-4逐次逼近型A/D转换器原理图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取决于它的位数和时钟周期，逐次逼近型AD0809模数转换器的位数为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。3.3.2AD0809介绍AD0809是位数为8位的、逐次逼近型（SAR）的一款模数转换器件[8]。其内部有8条通道3路开关，通过锁存根据地址码解码的信号，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）工作温度范围为-40～＋85摄氏度（6）低功耗，约15mW。AD0809拥有28条引脚，采用双列直插式封装。它的8条引脚(IN0-IN7)分别为8路模拟量输入端。引脚(2-1~2-8)分别为为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ALE端是地址锁存允许信号高电平有效低电平无效。START端是模数转换启动脉冲输入端。EOC端是模数转换结束信号输出引脚，开始转换为低电平0，结束为高电平1。OE端是输出允许控制端，模数转换结束时该端输入高电平1，就打开输出三态门输出锁存器。CLK端是时钟脉冲输入端。一般时钟频率为500KHZ。REF(+)(-)分别是是基准电压正负两端。Vcc：电源，单一＋5V。GND：地。3.3.3A/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3-5：图3-5AD0809与单片机连接图3.4液晶显示模块3.4.1LCD1602简介普通的LED数码管一般只能用来显示数字，如果要显示英文、汉字或者图像，则必须使用液晶显示器。液晶显示器的英文名称为LiquidCrystalDisplay，它的简称为LCD。液晶显示器作为一种显示器件，拥有体积小、重量轻、功耗低等多种优点，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显示内容分类可分为段式LCD、字符型LCD、点阵型LCD三种。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。LCD1602的16个引脚接口如下表说明：LCD1602引脚功能表SEQLCD1602引脚功能表\*ARABIC1编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端5R/W读/写选择端6E使能信号8-14D0-D7数据I/O15BLA背光源正极16BLK背光源负极LCD1602指令图SEQLCD1602指令图\*ARABIC1序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清屏00000000012光标复位000000001X3输入方式设置00000001I/DS4显示开关控制0000001DCB5光标或字符移位控制000001S/CR/LXX6功能设置00001DLNFXX7字符发生存储器地址设置0001字符发生存储器地址8数据存储器地址设置001显示数据存储器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写入数据至CGRAM或DDRAM10要写入的数据内容11从CGRAM或DDRAM中读出数据11读取的数据内容LCD是一个慢速显示设备，因此在运行每个命令之前，请务必确保模块的忙标志为低电平0。这表明不忙。否则，该命令将无效。如果要在显示屏上显示出对应的字符，必须先输入对应的显示字符地址。也就是向LCD提前告知字符的显示地址。如图3-6是1602的内部具体位置的不同显示地址。图3-61602内部显示图在使用LCD之前首先得初始化液晶模块时，首先要设置它的显示模式。当LCD模块可以显示字符时，光标则会自动的向右移动，无需手动操作。在输入每个命令之前，需要确定LCD模块是否在忙。1602LCD模块中的字符生成存储器（CGROM）包含160种不同的点阵字符图形，这些字符包括阿拉伯数字、大小写英文字母、常用符号和日文假名等，如图3-7所示，每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”图3-71602液晶屏字符代码与图形对应图3.4.2LCD1602显示电路图3-8显示电路设计图1、液晶显示偏压VL：对应图3-8中的V0引脚，作用是调整LCD1602的显示对比度，图中10K的上拉电阻是用来调节对比度，可以消除对比度过高时的“鬼影”效果。2、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。3、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。4、使能信号E：引脚上升、下降沿分别表示对LCD开始数据传输或者数据传输结束。5、背光控制K：引脚高低电平（1或0）表示背光关闭或打开。3.5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是复位开关，按下开关即可复位。图3-9按钮复位电路图如图3-10是调节测量量程的两个通道开关。图3-10量程调节图3.6测压模块如图3-11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3-11测压模块图3.6.1LM393LM393是一种双电压比较器集成电路。在电路中输出负载电阻可以接在允许的电源电压范围内的电源电压上，不会受到电源端电压的限制。此输出可用作简单的SPS对地开路（如果不使用负载电阻，则不使用），输出部分的陷电流受到可用驱动器和设备的β值限制。当达到临界电流时，输出晶体管结束工作，输出电压急剧回升。3.6.2CD4053CD4053是一款三组2选一通道的数字控制模拟开关，它有三个独立的二进制数字控制输入端A、B、C和INH抑制输入端[10]。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。例如若数字电源为+6伏特，数字地电压为0，负电源为-10.5伏特，则0～6V的数字信号可控制-10.5～4.5V的模拟信号。无论控制信号的逻辑状态如何，这些开关电路在整个数字电源减去数字地和数字电源减去负电源两个电源范围内都具有极低的静态功耗。如果禁止端输入为1，则所有通道都将被截止。选择1通道，控制输入为低电平，不然就选择0通道。它的引脚功能图如3-12所示。图3-12CD4053引脚图CD4053各引脚功能如下表：CD4053引脚功能表SEQCD4053引脚功能表\*ARABIC1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3.7蓝牙模块3.7.1通信原理蓝牙设备可以通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，我们可以忽视它内部的通信协议，只需要把它当作一个串口使用。它可以扮演Slave、Master和Slave-Loop这三个角色。当它为从角色(Slave)时，它是被动连接的。

当它为主角色(Master)时，它可以主动地查询周围蓝牙从设备，然后可以和它相连接并且建立主从蓝牙设备之间的透明数据传输通道。

当它为回环角色(Slave-Loop)时，那它也是被动连接的。它可以从从主设备那边接收数据，并将数据原样返回。

1、蓝牙模块的接口电平为3.3V，它可以直接与单片微机相连,5V微控制器也可以直接连接。

2、在配对之后，可以直接忽视它的具体通信协议，将其作为全双串口使用。

3、通过命令回应模式(AT)来设置参数和查询信息。

4、它体积小巧，做工简单，工厂贴片生产可以保证质量。5、可以使用AT命令切换为主模式或者从模式，可通过AT命令连接指定设备。

简单的说，蓝牙本质上就是一种近距离的无线通信方式，它最大的特点就是成本低、功率低和功耗低。3.7.2蓝牙单片机接口设计如图3-11所示：将蓝牙模块TXD与单片机RXD相连，蓝牙模块的RXD与单片机的TXD相连，即两者的RX和TX交叉连接。图3-13蓝牙单片机连接图在蓝牙模块连接到单片机上之前，首先利用USB-TTL转接器再转接到电脑上后，然后可以直接通过电脑端模拟的蓝牙串口调试助手进行调试[12]，进入到AT命令调试模式，再通过发送不同的“AT+×××”的语句，可以设置蓝牙模块的各种参数，最后只要将设置自动连接模式下的串口波特率设置为9600波特率即发送“AT+UART=9600”的语句。第四章系统程序设计4.1系统主程序图4-1为数字电压表软件程序设计流程图，系统在开始启动后首先需要对时钟和后续使用到的相关功能进行初始化。图4-1数字电压表软件流程图4.2模数转换子程序如图4-2所示A/D转换子程序是将AD0809转换后的数字量通过该程序转化成工程量并查表将结果送到P0口让LCD显示。图4-2模数转换子程序流程图首先要初始化程序，给予AD0809一个脉冲信号，然后进行数据读入，首先由START(6脚)为转换启动信号，当它为下降沿时，开始进行A/D转换。在A/D转换期间，START引脚应该一直保持为低电平。当EOC引脚由低电平转换为高电平的时候，转换结束。此时OE引脚转变为高电平，输出数据。具体AD工作脉冲时序图如下4-3所示。4.3LCD显示子程序如图4-3为LCD显示的流程图图4-3显示流程图首先要对LCD1602进行初始化，然后向LCD1602写指令，写数据，最后检查忙函数。4.4蓝牙通信子程序如图4-4为蓝牙模块与手机相连接的流程图。图4-4蓝牙通讯图第五章电路设计仿真5.1Proteus仿真图如图5-1所示，使用Proteus软件后我为整个数字电压表系统设计了一个电路图，该设计方案采用STC89C52作为单片机的核心部分，单片机的P0端口与LCD液晶屏连接起来，以此显示测量电压的数值。P2.6/2.7口连接两个按键以控制调节测量量程。XTAL1、XTAL2两端分别连接着时钟电路，RST连接着复位电路。两个LM393双电压比较器分别连接着CD4053的X、Y,单片机的P1.2、P1.3口连接着模拟开关CD4053的控制端A、B,由此可以控制各个通道的输出端电压值。图5-1Proteus电路仿真图5.2仿真展示如图5-2，第一通道为0-12V，第二通道为0-5V。图5-2量程显示图1如图5-3所示，第一量程显示为Outrange！0-5V，由上图仿真图显示为5.41V，由此看来超过测量量程，所以LCD液晶不给予显示，即显示警告。而第二量程则显示Auto0-5V，因为是2.04V，则自动使用0-5V量程。图5-3量程显示图2第六章总结与展望6.1设计总结单片机运用简单，价格低廉，但需要有一定的C语言基础和硬件操作的经验才能够实现一些相关的功能。在数字电压表这一设计中我使用了LCD液晶显示仪作为显示模块，与LED数码管相比较，LCD更能直观的显示某些特殊符号、汉字等，同时蓝牙模块的加入又可以让测量者方便的从手机端读取并记录数据。当测量的电压值超出本设计设定的量程范围内，LCD1602就会显示Outrange！的语句，这样便可以起到预防的作用，与此同时是0-5V就可以按按钮即可调节成更大量程来测量，如果本身就是最大量程0-12V，那便采用其他仪器来测量该电压值。同时如果碰到两个电压值需要同时测量的时候，本设计也支持。经过这次数字电压表的设计，让我懂得了许多，我们不应该单方面注重理论知识，而应该同时注重动手实践的过程，我们应该将两者结合起来。从理论知识中得出结论，然后再通过实践证明结论的正确性.这可以提高我们自身的学术水平以及实践动手能力。这充分的彰显了我校“学以致用”的办学理念，在我看来，我们不仅仅要学以致用，还要用以致学，相互印证。在数字电压表开发的过