自動選檔數(shù)字電壓表的設(shè)計

1、北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信申明本人申明：我所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下對四年專業(yè)知識而進行的研究工作及全面的總結(jié)。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中創(chuàng)新處不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京化工大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而已經(jīng)使用過的材料。與我一同完成畢業(yè)設(shè)計（論文）的同學(xué)對本課題所做的任何貢獻均已在文中做了明確的說明并表示了謝意。若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名： 年 月 日ii自動選檔數(shù)字電壓表的設(shè)計自動化專業(yè) 0902班 學(xué)號111111111指導(dǎo)教師 王凌摘 要數(shù)字電壓表自誕生以來被廣泛應(yīng)

2、用于工控，教學(xué)及社會生產(chǎn)中,需要測量電壓電流值的各種場所。本文研究基于單片機的自動選檔數(shù)字電壓表的設(shè)計，本設(shè)計的數(shù)字式電壓表，具有可自動選檔，實用性高，測量精準(zhǔn)等特點。通過對現(xiàn)有的各種方案分析，采用以單片機為中央處理器，接收到電信號后，利用芯片及設(shè)計電路完成a/d轉(zhuǎn)換功能，通過對電信號的轉(zhuǎn)換由lcd顯示結(jié)果，完成測量過程。本文給出了具體的硬件設(shè)計電路和軟件結(jié)構(gòu)，文中給出了系統(tǒng)硬件線路的設(shè)計要點和電路結(jié)構(gòu)以及軟件的設(shè)計要點。本文設(shè)計的數(shù)字電壓表，其硬件電路所用元件較少、成本低、調(diào)節(jié)簡單；軟件程序采用c語言編寫，可讀性強。經(jīng)過理論研究、原理設(shè)計和整機調(diào)試，實驗結(jié)果表明，本設(shè)計達到了可自動選檔,測量

3、精準(zhǔn)等初步要求。關(guān)鍵詞： 數(shù)字電壓表 單片機 lcd a/d轉(zhuǎn)換iiithe design of a digital voltmeter of function of automatic selected stallsabstractdigital voltmeter since its created that has been widely used in a variety of palce,such as industrial, teaching and social production where is that voltage and current values measure

4、d.this article is about the design of a digital voltmeter of function of automatic selected stalls,the microcontroller-based digital voltmeter of the function that is automatic selected stalls,high availablity and precise measurement. analysis on the various programs,put the microcontroller as the c

5、entral processor received electrical signal , a/d conversion function achieved by using the chip and circuit design, when the transformed electrical signal displayed by the lcd ,the measurement process is completed.in this paper, a detailed description of the design of the system hardware circuit de

6、sign and structure, as well as the design of software ,all of about that is given. the digital voltage meter designed in this paper, have less components in the hardware part, lower cost and easier testing; software used c programming language which is strong readability. after theoretical research,

7、 principle design and debugging, the experimental results suppose it is feasible of choosing this program .key words: digital voltmeter microcontoller lcd a/d conversion iv1目 錄前 言1第1章整體設(shè)計4第1.1節(jié) 設(shè)計指標(biāo)4第1.2節(jié) 設(shè)計方案的論證4第1.3節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計6第1.4節(jié) 小結(jié)7第2章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)8第2.1節(jié) 硬件系統(tǒng)的設(shè)計原則8第2.2節(jié) 單片機及外圍電路設(shè)計9第3章 軟件程序設(shè)計27第3.1節(jié) 軟件

8、設(shè)計要求27第3.2節(jié) 程序流程28第3.3節(jié) 小結(jié)28第4章 制作與調(diào)試29第4.1節(jié) 電路板的制作29第4.2節(jié) 調(diào)試29第5章 數(shù)字電壓表的抗干擾設(shè)計31第5.1節(jié) 硬件系統(tǒng)抗干擾設(shè)計硬件31第5.2節(jié) 軟件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計32第5.3節(jié) 小結(jié)32結(jié) 論34附 錄35參考文獻45致 謝47v前 言21世紀(jì)是一個數(shù)字化的時代，各式各樣的數(shù)字化產(chǎn)品如雨后春筍般出現(xiàn)并被應(yīng)用在科學(xué)研究、工業(yè)和生產(chǎn)生活等各領(lǐng)域，發(fā)揮著無可比擬的作用。而現(xiàn)在，數(shù)字電壓表作為現(xiàn)代工業(yè)和生產(chǎn)生活中重要工具，它不但開拓了電子測量領(lǐng)域的先河，而且正朝著高準(zhǔn)確度、智能化、低成本的方向發(fā)展，成為人們青睞的測量工具之一。并且，數(shù)

9、字電壓表在生產(chǎn)工藝、外觀設(shè)計、安全及可靠性等方面也在不斷改進和完善。因此，對數(shù)字電壓表的研究具有十分重要的意義。以往的指針式電壓表功能較單一、指示精度低，不能滿足現(xiàn)在人們在生產(chǎn)生活中的需求，于是數(shù)字式電壓表在這樣的背景下誕生。數(shù)字電壓表（digital voltmeter）簡稱dvm，它指的是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流或交流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字量形式并加以顯示的儀表。在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量。其中，電壓值的測量是最為經(jīng)常被需要的。而且隨著高新電子技術(shù)的發(fā)展，電壓值的測量在轉(zhuǎn)向高精度發(fā)展，由此看來數(shù)字電壓表是一種必不可少的測量儀器。另外，由

10、于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點而倍受人們青睞，數(shù)字式電壓表就是基于這種需求而發(fā)展起來的。目前數(shù)字電壓表的設(shè)計和研發(fā),已經(jīng)有多種類型和款式，類如由數(shù)字電路和芯片構(gòu)成的、基于單片機控制的、基于fpga控制的、基于cpld控制的等等?；趩纹瑱C（microcontoller）控制的數(shù)字電壓表，以單片機和a/d轉(zhuǎn)換器為主要元件，構(gòu)成了數(shù)字電壓表的主要硬件電路。這樣的電壓表電路設(shè)計簡單，所用的元件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實現(xiàn)自動化，而且還可以方便地進行8位a/d轉(zhuǎn)換量的測量，遠(yuǎn)程測量結(jié)果傳送等功能。較之以往傳統(tǒng)的電壓表更加靈活便捷，傳統(tǒng)電壓表系統(tǒng)功能固

11、定，難以更新擴展，而這些缺點在新型數(shù)字電壓表上面都已被克服。從數(shù)字電壓表的發(fā)展來看，從1952年美國nls公司生產(chǎn)的四位電子管數(shù)字電壓表到現(xiàn)在已出現(xiàn)的8位數(shù)字電壓表，可以測量的參數(shù)增加到直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等多種電量單位。由于測量自動化程度不斷提高，數(shù)字電壓表還可以和pc機相結(jié)合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量和對數(shù)據(jù)的傳輸處理等功能。目前世界上美國fluke 公司在直流和低頻交流電量的校準(zhǔn)領(lǐng)域居于國際先進水平。比如該公司生產(chǎn)的“4700a”多功能校準(zhǔn)器和“8505”微機數(shù)字多用電壓表，可用8位顯示，直流精度可達到十百萬分之五，讀數(shù)分辨力01pv，帶有a/d轉(zhuǎn)換模式、數(shù)據(jù)輸出接口型ieee-488，具

12、有比率測量軟件校準(zhǔn)和有交流電阻、電流選件。還有高精度電壓標(biāo)準(zhǔn)器“5400a”、“5200a”、“5450a ”等數(shù)字儀表，都是作為一級計量站和國家級計量站使用的標(biāo)準(zhǔn)儀表。還有英國的7055數(shù)字電壓表采用脈沖調(diào)寬技術(shù)。日本橫河公司生產(chǎn)的2501型采用三次采樣等等。在現(xiàn)代電子科技的高速發(fā)展過程中，微型化、集成化、高密度化以及設(shè)備的高精度化已經(jīng)成為一種長期的趨勢，這就要求我們力求使用更精確的設(shè)備。而基于現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)及實踐需求，新型數(shù)字電壓表的發(fā)展趨勢也可以從以下五個方面可見一斑：(1)廣泛采用新技術(shù)，不斷開發(fā)新產(chǎn)品 。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新器件的不斷出現(xiàn)。首先是a/d轉(zhuǎn)換器：20

13、世紀(jì)90年代世界各國相繼研發(fā)了新的a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)。如四斜率a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)、余數(shù)再循環(huán)技術(shù)、自動校準(zhǔn)技術(shù)、固態(tài)真有效值轉(zhuǎn)換技術(shù)、約瑟夫森效應(yīng)基準(zhǔn)源、智能化專用芯片等，這些新技術(shù)使數(shù)字電壓表向高準(zhǔn)確度、高可靠性及智能化、低成本方向發(fā)展。另外，集成電路的發(fā)展使電壓表只在外圍配置少量元器件，即可構(gòu)成完整的智能儀表，可以完成儲存、計算、比較、控制等多項功能。(2)廣泛采用新工藝。新一代數(shù)字儀表正朝著標(biāo)準(zhǔn)模塊化的方向發(fā)展。預(yù)計在不久的將來，更多的數(shù)字儀表將由標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的模塊所構(gòu)成，給電路設(shè)計、安裝調(diào)試和維修帶來極大方便。(3)多從顯示儀表。為徹底解決數(shù)字儀表不便于觀察連續(xù)變化量的技術(shù)難題；“數(shù)

14、字/模擬條圖”雙顯示儀表已成為國際流行款式，它兼有數(shù)字儀表準(zhǔn)確度高、模擬式儀表便于觀察被測量的變化過程及變化趨勢這兩大優(yōu)點。 (4)提高安全性。儀器儀表在設(shè)計和使用中的安全性，對生產(chǎn)廠家和廣大用戶都至關(guān)重要。一方面廠家必須為儀表設(shè)計安全保護電路，并使之符合國家標(biāo)準(zhǔn)；另一方面用戶必須安全操作，時刻注意儀表上的各種安全警告指示。 (5)操作簡單化。 集成電路的發(fā)展使電壓表只在外圍配置少量元件，即可構(gòu)成完整的智能儀表，可以完成儲存、計算、比較、控制等多項功能。這使的按鍵變少，操作簡單。但是數(shù)字電壓表并不能完全取代指針式的電壓表，在反映電壓的連續(xù)變化和變化趨勢方面不如指針表的直觀。為克服這種缺憾，20

15、世紀(jì)90年代初，一種“數(shù)字/光柱”的雙重顯示儀表已經(jīng)出現(xiàn)，并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。數(shù)字電壓表的設(shè)計是生產(chǎn)許多數(shù)字化儀表產(chǎn)品的核心與基礎(chǔ)。以單片機式數(shù)字電壓表技術(shù)為核心，可以擴展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表（如：溫度計，濕度計，酸度計，重量，厚度儀等），覆蓋了電子電工測量，工業(yè)測量，自動化儀表等各個領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表設(shè)計通常以大規(guī)模asic(專用集成電路)為核心器件，并輔以少量中規(guī)模集成電路及顯示器件構(gòu)成，可是這種設(shè)計方法靈活性差，系統(tǒng)功能固定，難以更新擴展，不能滿足日益發(fā)展的電子工業(yè)要求。而應(yīng)用單片機技術(shù)為核心設(shè)計的數(shù)字式電壓表，其各方面性能優(yōu)異，正是現(xiàn)在

16、社會生產(chǎn)生活中所需要的。由此看來，設(shè)計這種以單片機為基礎(chǔ)，具有自動選檔功能、靈活性好、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的數(shù)字式電壓表將是很有意義的。 3第1章 整體設(shè)計第1.1節(jié) 設(shè)計指標(biāo)設(shè)計一個具有自動選檔功能的數(shù)字電壓表，其設(shè)計指標(biāo)基本如下：1. 電壓測量范圍：0-220v。2. 保持測量精度小數(shù)點后三位。3. 輸出數(shù)據(jù)用lcd液晶顯示。4. 用tlc1549實現(xiàn)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。5. 核心控制部件采用單片機控制，充分利用單片機資源。第1.2節(jié) 設(shè)計方案的論證1.2.1單片機控制系統(tǒng)的論證現(xiàn)代數(shù)字電壓表的設(shè)計多采用單片機來作為設(shè)計系統(tǒng)的中央處理器。因為單片微理器的優(yōu)異性，其集成度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用靈活，

17、處理功能強，運算速度快，這一系列優(yōu)點，使單片機為數(shù)字電壓表設(shè)計基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)容易實現(xiàn)體積小，性能好，設(shè)計靈活性高，價格便宜，易于產(chǎn)品化等多方面指標(biāo)。 目前的單片機種類繁多，有8位機的intel mcs-51系列，pic系列等，而16位單片機有intel mcs-96系列等。在本次設(shè)計中，8位單片機就能滿足電壓表系統(tǒng)的設(shè)計需求。由stc公司推出的c51、c52兩個系列單片機功能強大，在多種電子儀表設(shè)計中廣泛得到應(yīng)用。其中的stc89系列8位flash單片機，與8051系列單片機相兼容，特別是stc公司推出的89c52低功耗高性能的8位coms單片機。它內(nèi)部集成了8k的flash程序存儲器，這種f

18、lash存儲器可以反復(fù)擦除1000次之多，使程序調(diào)試非常方便。同時stc89c52具有256字節(jié)內(nèi)部ram, 32位輸出/輸入口線，3個16位定時器/計數(shù)器，6個中斷源2級中斷處理能力，具有低功耗空閑和掉電兩種節(jié)電模式。從軟硬件系統(tǒng)設(shè)計的各方面考慮，選用stc89c52單片機作為電壓表系統(tǒng)的中央處理器，完全能夠滿足整個系統(tǒng)的設(shè)計需要。1.2.2 a/d轉(zhuǎn)換電路的論證現(xiàn)在市場上的a/d轉(zhuǎn)換芯片種類繁多。按轉(zhuǎn)換位數(shù)分有8位，10位，12位，16位。按a/d轉(zhuǎn)換基本原理的特點，a/d轉(zhuǎn)換芯片分為積分型，逐次逼近型，并行比較型/串并行型，-調(diào)制型，電容陣列逐次比較型以及壓頻變換型。積分型ad工作原理是

19、將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。逐次比較型ad是由一個比較器和da轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從msb開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置da轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辨率（12位）時價格很高。并行比較型ad采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)換，又稱flash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻ad轉(zhuǎn)換器等速度特

20、別高的領(lǐng)域。串并行比較型ad結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型ad轉(zhuǎn)換器配合da轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)換，所以稱為half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)ad轉(zhuǎn)換的叫做分級（multistep/subrangling）型ad，而從轉(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線（pipelined）型ad，現(xiàn)代的分級型ad中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類ad速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。從設(shè)計指標(biāo)來看，通過比較壓頻變換型、電容陣列逐次比較型、-型等集中典型ad 轉(zhuǎn)換器，來論證我們從轉(zhuǎn)換精度的角度出發(fā)應(yīng)采用電容逐次比較型的轉(zhuǎn)換器。

21、因此，我選用德州儀器制造的tlc1549芯片，由于tlc1549采用cmos工藝，內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且開關(guān)電容設(shè)計使在滿刻度時最大總誤差僅為1 lsb(4.8 mv)，因此可廣泛應(yīng)用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路中。1.2.3 lcd顯示電路的論證在現(xiàn)代數(shù)字產(chǎn)品的研究與生產(chǎn)中，字符型液晶顯示模塊被廣泛應(yīng)用于智能儀表、通訊、辦公自動化及軍工等領(lǐng)域。在國際上已經(jīng)規(guī)范化，但無論顯示屏規(guī)格如何變化，其電特性和接口形式都是統(tǒng)一的。因此只要設(shè)計出一種型號的接口電路，在指令設(shè)置上稍加改動即可使用各種規(guī)格的字符型液晶顯示模塊。和數(shù)碼管相比，字符型液晶顯示模塊的使用更

22、加靈活，顯示程序比較通用，可移植性強，讀數(shù)視覺效果好，顯示字符類型也多種多樣，例如，在電壓超過量程時，字符型液晶顯示模塊可以輕松的顯示“over”,而數(shù)碼管實現(xiàn)起來卻比較麻煩。因此，在本設(shè)計中顯示電路采用lcd-1601液晶顯示屏。lcd-1602晶顯示屏是以若干個5 7/8或5 10/11點陣塊組成的顯示字符群，每個點陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一個點的寬度。主控制驅(qū)動ic為hd44780及其他公司全兼容ic如：nt3881 novatek ks0066 samsung splc78a01 sunplus。具有字符發(fā)生器rom，可顯示192種字符，160個5 7點陣字符和32個5 1

23、0點陣字符。具有64個字節(jié)的自定義字符ram ，可自定義8個5 8點陣字符或4個5 11點陣字符。具有80個字節(jié)的ram。標(biāo)準(zhǔn)的接口特性，適配m6800系列mpu的操作時序。模塊結(jié)構(gòu)緊湊輕巧裝配容易。單+5v電源供電，低功耗、長壽命、高可靠性。綜上所述，選用lcd-1602顯示模塊可以完全滿足數(shù)字電壓表的數(shù)顯需求。第1.3節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計 stc89c52顯示電路/轉(zhuǎn)換電路交直流輸入電路穩(wěn)壓電源電路圖1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1.1所示，整個系統(tǒng)的工作原理：輸入的電壓經(jīng)交直流輸入電路，將采樣電壓發(fā)送到tlc1549,然后由tlc1549將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出送至單片機處理

24、。單片機通過軟件控制對數(shù)據(jù)進行處理，進行信號的篩選及運算，完成選檔過程，數(shù)據(jù)從p2口輸出，送入顯示電路顯示。其中，被測電壓由交直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定模電信號，穩(wěn)壓電源電路為單片機，ad轉(zhuǎn)換器，lcd等元器件提供+5v工作電源電壓。第1.4節(jié) 小結(jié)在電壓表系統(tǒng)中,硬件電路設(shè)計和軟件程序的設(shè)計中都采用了分模塊設(shè)計，這種設(shè)計方法能清晰的顯示出電路的功能與結(jié)構(gòu)，為設(shè)計的過程和以后的調(diào)試維修提供了很大的方便。特別是在軟件的設(shè)計中，這種方法提高了程序的可移植性，為以后的功能擴展提供了空間。而軟件的設(shè)計相關(guān)將在第三章介紹。第2章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)第2.1節(jié) 硬件系統(tǒng)的設(shè)計原則一個以單片機為處理器的系統(tǒng)中硬件電

25、路的設(shè)計包含有兩部分：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如rom、ram、i /o口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行系統(tǒng)擴展，選擇合適的芯片并設(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機、a/d、d/a轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計相應(yīng)的接口電路。在本系統(tǒng)中，stc89c52單片機內(nèi)部的功能單元已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計需要，不需要系統(tǒng)擴展。按系統(tǒng)功能需求，需要配置工作電源、lcd顯示等。系統(tǒng)的擴展和配置設(shè)計遵循下列原則：1盡量選擇典型電路，采用符合單片機的常規(guī)用法。為整個系統(tǒng)硬件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。2單片機的系統(tǒng)擴

26、展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求來設(shè)計，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以便二次開發(fā)。在本系統(tǒng)中選用有32個i/o口線的stc89c52，當(dāng)前設(shè)計中分別選用了其中的24個i/o口線，留有8個i/o口為以后系統(tǒng)擴展留有空間。3硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合軟件設(shè)計方案結(jié)合考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會相互影響，為了使整個系統(tǒng)整合統(tǒng)一，需要考慮到：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其相應(yīng)時間要比直接用硬件實現(xiàn)來得長，而且占用cpu時間。因此，選用軟件方案時要考慮這些因素。4系統(tǒng)中的相關(guān)的原器件要盡可能做到性能的相互匹配。如在本系統(tǒng)中，選擇cmos芯片單片機構(gòu)成低功

27、耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。選用芯片必須是同一個系列，若是cmos系列則盡量不選用ttl系列的芯片。5可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計中尤其注意的地方，它包括芯片、器件選擇、印刷電路板布線等。6該系統(tǒng)設(shè)計的有元器件必須滿足5伏的工作電壓，并且通過硬件的設(shè)計滿足所有元器件的電源電壓的需求。第2.2節(jié) 單片機及外圍電路設(shè)計2.2.1單片機系統(tǒng)單片機是整個數(shù)字電壓表系統(tǒng)的核心。在考慮經(jīng)濟性和滿足需求前提下，本系統(tǒng)選用stc公司生產(chǎn)的8位89c52單片機作為整個系統(tǒng)的控制中心。stc89c52的命令與mcs-51系列產(chǎn)品完全兼容且具有以下的一些特點：18k的flash存儲器。100

28、0次擦寫周期。2三級加密程序存儲器。3看門狗定時器。4全靜態(tài)操作：0hz-33mhz。532個可編程i/o口線。63個16位定時器/計數(shù)器。78個中斷源。8低功耗空閑和掉電兩種節(jié)電模式。9. 全雙工uart串行通道。10.掉電后中斷可喚醒。11.雙數(shù)據(jù)指針。12.掉電標(biāo)識符。stc89c52 是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得stc89c

29、52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。at89s52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram，32位i/o口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。低功耗空閑模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為至。圖2.1 stc89c52引腳圖stc89c52引腳圖如圖2.1，引腳說明如下：p0口：p0口

30、是一個8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個ttl邏輯電平。對p0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，p0不具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 p1口：p1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o 口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl邏輯電平。對p1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 此外，p1.0和p1.1分別

31、作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（p1.0/t2）和定時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex）。在flash編程和校驗時，p1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能： p1.0 t2（定時器/計數(shù)器t2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 p1.1 t2ex（定時器/計數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） p1.5 mosi（在系統(tǒng)編程用） p1.6 miso（在系統(tǒng)編程用） p1.7 sck（在系統(tǒng)編程用） p2口：p2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl邏輯電平。對p2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入

32、使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movx dptr）時，p2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，p2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 p3口：p3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl邏輯電平。對p3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原

33、因，將輸出電流（iil）。p3口亦作為at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，p3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能： p3.0 rxd(串行輸入口) p3.1 txd(串行輸出口) p3.2 into(外中斷0) p3.3 int1(外中斷1) p3.4 to(定時/計數(shù)器0) p3.5 t1(定時/計數(shù)器1) p3.6 wr(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) p3.7 rd(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 此外，p3口還接收一些用于flash閃存編程和程序校驗的控制信號。 rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。al

34、e/prog：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ale仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。對flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位置位后，只有一條movx和movc指令才能將ale激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ale禁止位無效。 psen：程序儲存允許（psen）輸出是外部程序

35、存儲器的讀選通信號，當(dāng)at89s52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次psen有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次psen信號。 ea/vpp：外部訪問允許，欲使cpu僅訪問外部程序存儲器（地址為0000h-ffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。flash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12v編程電壓vpp。 xtal1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 x

36、tal2：振蕩器反相放大器的輸出端。 2.2.2晶振電路的設(shè)計在單片機系統(tǒng)正常工作中晶振發(fā)揮著不可替代的作用，作為單片機運行的基礎(chǔ)，它結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需要的時鐘頻率，這為單片機系統(tǒng)提供了基本的時鐘信號，而單片機晶振提供的時鐘頻率越高，單片機的運行速度越快，單片機一切指令的執(zhí)行都是以單片機晶振提供的時鐘頻率為基礎(chǔ)。y111.0592mc130pfc230pfxtal1xtal2圖2.2 晶振電路圖晶振電路圖的設(shè)計采用內(nèi)部方式時鐘電路方式，如圖2.2，晶體振蕩器的振蕩信號從xtal2端送入內(nèi)部時鐘電路，它將該振蕩信號二分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘信號p1和p2供單片機使用。時鐘信號的周期稱

37、為狀態(tài)時間s，它是振蕩周期的2倍，p1信號在每個狀態(tài)的前半周期有效，在每個狀態(tài)的后半周期p2信號有效。cpu就是以兩相時鐘p1和p2為基本節(jié)拍協(xié)調(diào)單片機各部分有效的進行工作。2.2.3復(fù)位電路的設(shè)計復(fù)位電路在單片機系統(tǒng)中用于產(chǎn)生復(fù)位信號，主要是通過rst引腳送入單片機，進行復(fù)位操作。它的穩(wěn)定直接影響單片機系統(tǒng)工作的可靠性，因此，復(fù)位電路的設(shè)計和研究非常重要。單片機的復(fù)位分為加電復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式。加電復(fù)位是指通過專用的復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號。它是系統(tǒng)原始的復(fù)位方式，發(fā)生在開機加電時，是系統(tǒng)自動完成的。手動復(fù)位也是通過設(shè)計專用的復(fù)位電路來實現(xiàn)復(fù)位。在單片機系統(tǒng)中，手動復(fù)位是必須具有的功能，在調(diào)

38、試或運行時，若遇到死機、死循環(huán)或程序“跑飛”等情況，手動復(fù)位是處理這種尷尬局面的常用方法。在本設(shè)計中采用按鍵電平復(fù)位電路，如圖2.3復(fù)位電路stc89c52圖2.3 復(fù)位電路原理圖2.2.4 a/d轉(zhuǎn)換電路相關(guān)tlc1549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用cmos工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾性強，該芯片具有兩個數(shù)字輸入端和一個3態(tài)輸出端，它們提供與微處理器串行端口的3線接口。本芯片具備自動采樣保持功能，采取差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，可以實現(xiàn)低誤差的轉(zhuǎn)換，總不可調(diào)整誤差為1lsb max（4.8mv）。(1)tlc1549的性

39、能特點：10位分辨率轉(zhuǎn)換器；內(nèi)在的采樣和保持；總不可調(diào)整誤差1lsbmax；片內(nèi)系統(tǒng)時鐘；cmos工藝。(2)tlc1549的極限參數(shù)：電源電壓范圍：-0.5v至6.5v；輸入電壓范圍：-0.3v至vcc+0.3v；輸出電壓范圍：-0.3v至vcc+0.3v；正基準(zhǔn)電壓：vcc+0.1v；負(fù)基準(zhǔn)電壓：-0.1v；峰值輸入電流：20ma；峰值總輸入電流：30ma。(3)tlc1549引腳其功能：圖2.4 tlc1549引腳圖tlc1549引腳圖如圖2.4，其中cs位芯片選擇段低電平有效；ananlog in為模擬信號輸入端，data out為轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端，在時鐘信號的作用下，前次轉(zhuǎn)換結(jié)果以串行

40、方式依次由該引腳送出；i/o clock為輸入/輸出時鐘；ref+為基準(zhǔn)電壓的高端值（通常為vcc）加至該引腳，最大輸入電壓范圍由加至ref+和ref-的電壓差決定；ref-為基準(zhǔn)電壓的低端值（通常為地）加至該引腳；vcc為正電源電壓。(4)工作原理：當(dāng)芯片選擇（cs）無效（高）時，i/o clock跟先前一樣禁止以及data out為高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)串行借口讓cs有效（低）時，開始轉(zhuǎn)換過程，i/o clock使能，并使data out端脫離高阻抗?fàn)顟B(tài)。然后，串行接口向i/o clock提供時鐘序列，并從data out接收先前轉(zhuǎn)換的結(jié)果。i/o clock從主機串行接口上接收到一個10至16個

41、時鐘的序列。前10 個時鐘為采樣模擬輸入提供控制時序。圖2.5 tlc1549 工作時序圖在cs的下降沿，前次轉(zhuǎn)換的msb出現(xiàn)在data out端。10位數(shù)據(jù)通過data out 被發(fā)送到主機串行接口。為了開始轉(zhuǎn)換，最少需要10個時鐘脈沖。如果i/o clock 傳送大于10個時鐘長度，那么在的10個時鐘的下降沿，內(nèi)部邏輯把data out 拉至低電平以確保其余位的值為零。在正常進行的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，規(guī)定時間內(nèi)cs端高電平至低電平的跳變可終止該周期，器件返回初始狀態(tài)（輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為前次轉(zhuǎn)換結(jié)果）。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時要小心防止cs被拉至低電平。時序圖如圖2.5。對

42、于連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc1549。cmos門限檢測器通過檢測一系列電容的充電電壓決定a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的每一位，如圖2.6所示。在轉(zhuǎn)換過程的第一階段，模擬輸入量同時關(guān)閉sc和st進行充電采樣，這一過程使所有電容的充電電壓之和達到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。由圖2.6中可知，轉(zhuǎn)換過程的第二階段打開所有sc和st，cmos門限檢測器通過識別每一只電容的電壓確定每一位。使其接近參考電壓。在這個過程中，10只電容逐一檢測，直到確定轉(zhuǎn)換的十位數(shù)字量。其詳細(xì)步驟為：門限檢測器檢測第一只電容（weight=512）的電壓該電容的節(jié)點512連接到ref+。梯型網(wǎng)絡(luò)中其他電容的等效節(jié)點接到ref-。如果總

43、節(jié)點的電壓大于門限檢測器的電壓（大約vcc的一半），“0”被送至輸出寄存器，此時512-weight的電容連接到ref。經(jīng)反相后為“1”，即為最高位msb為1：如果總節(jié)點的電壓小于門限檢測器的電壓（大約vcc的一半），“1”被送至輸出寄存器此時512-weight的電容連接到ref+，經(jīng)反相后為“0”，存為最高位msb為0對于256-weight的電容和128-weight的電容也要通過連續(xù)逐次逼近型的重復(fù)操作，直到確定從高位（msb）到低位（lsb）所有數(shù)字量，即為初始的模擬電壓數(shù)字量。整個轉(zhuǎn)換過程調(diào)整vrf-和vrf+以便從數(shù)字0至1跳變的電壓為0.0024v，滿度跳變電壓為4.908v，

44、即1lsb4.8mv。圖2.6 連續(xù)逐次逼近系統(tǒng)采樣模式圖 stc89c52(5）tlc1549與單片機連接原理圖：圖2.7 tlc1549與單片機連接原理圖2.2.5穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源電路的實現(xiàn)，為電壓表中各個需要+5v工作電源的元器件提供了穩(wěn)定電源，保證了整個設(shè)計電路的正常工作，是設(shè)計中重要的組成部分。（1）穩(wěn)壓電源電路相關(guān)三端穩(wěn)壓器7805是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。圖2.8 7805管腳圖7805主要特點：輸出電流可達1a 。輸出電壓有：5v； 6

45、v； 8v； 9v； 10v； 12v； 15v； 18v； 24v。過熱保護。短路保護。輸出晶體管soa保護。（2）7805功能框圖：圖2.9 7805功能框圖（3）穩(wěn)壓電源電路原理圖：圖2.10 穩(wěn)壓電源電路原理圖2.2.6聲光提示電路聲光提示電路工作原理：p37為低電平時，三極管q1導(dǎo)通，蜂鳴器響，led燈亮，其作用是在以后的擴展中供光電及聲音提示。圖2.11 聲光提示電路原理圖2.2.7 lcd顯示電路lcd1602也叫1602字符型顯示液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5x7或者5x11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有

46、一個點距的間隔每行之間也有也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能顯示圖形。（1）1602特性：+5v電壓，對比度可調(diào)；內(nèi)含復(fù)位電路；提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能；有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器ddram；內(nèi)建有160個5x7點陣的字型的字符發(fā)生器cgrom；8個可由用戶自定義的5x7的字符發(fā)生器cgram。（2）1602引腳說明：表 2.1 1602引腳說明引腳號引腳名電平輸入/輸出作用1vss電源地2vcc電源（+5v）3vee對比調(diào)整電壓4rs0/1輸入0=輸入指令1=輸入數(shù)據(jù)5r/w0/1輸入0=向lcd寫入指令或數(shù)據(jù)1=從lcd讀取信

47、息6e1,10輸入使能信號，1時讀取信息，10（下降沿）執(zhí)行命令7db00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line0(最低位)8db10/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line9db20/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line10db30/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line11db40/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line12db50/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line13db60/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line14db70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line15a+vcclcd背光電源正極16k接地lcd背光電源負(fù)極（3）1602與單片機連接原理圖：stc89c52圖2.12 1602與單片機連接原理圖hd44780內(nèi)置了ddram（顯示數(shù)據(jù)存儲r

48、am）、cgrom（字符存儲rom）和cgram（用戶自定義ram）。ddram就是顯示數(shù)據(jù)ram，用來寄存待顯示的字符代碼。共80個字節(jié)，其地址和屏幕的對應(yīng)關(guān)系如表2.2：表 2.2 其地址和屏幕的對應(yīng)關(guān)系顯示位置123456740ddram地址第一行00h01h02h03h04h05h06h27h第二行40h41h42h43h44h45h46h67h也就是說想要在lcd1602屏幕的第一行第一列顯示一個“a”字,就要向ddram的00h地址寫入“a”的代碼就行了。但具體的寫入是要按lcd模塊的指令格式來進行的，后面我會講到的。一行有40個地址在1602中我們就用前16個就行了。第二行也一樣

49、用前16個地址。對應(yīng)如下表： 表2.3 ddram地址與顯示位置的對應(yīng)關(guān)系00h01h02h03h04h05h06h07h08h09h0ah0bh0ch0dh0eh0fh40h41h42h43h44h45h46h47h48h49h4ah4bh4ch4dh4eh4fh（4）對ddram的內(nèi)容和地址操作，hd44780的指令集及其設(shè)置說明，共有11條指令：1602基本操作時序： 讀狀態(tài)輸入：rs=l，rw=h，e=h 輸出：db0db7=狀態(tài)字 寫指令 輸入：rs=l，rw=l，e=下降沿脈沖，db0db7=指令碼 輸出：無 讀數(shù)據(jù)輸入：rs=h,rw=h,e=h輸出：db0db7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù)

50、輸入：rs=h，rw=l，e=下降沿脈沖，db0db7=數(shù)據(jù) 輸出：無 表2.4 清屏指令指令功能指令編碼執(zhí)行時間/msrsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0清屏00000000011.64功能： 清除液晶顯示器，即將ddram的內(nèi)容全部填入“空白”的字符碼20h; 光標(biāo)歸位，即將光標(biāo)撤回液晶顯示屏的左上方; 將地址計數(shù)器(ac)的值設(shè)為0。 表2.5 光標(biāo)歸位指令指令功能指令編碼執(zhí)行時間/msrsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0光標(biāo)歸位000000001x1.64功能： 把光標(biāo)撤回到顯示器的左上方; 把地址計數(shù)器(ac)的值設(shè)置為0; 保持ddram

51、的內(nèi)容不變 。表2.6 輸入模式設(shè)置指令指令功能指令編碼執(zhí)行時間/usrsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0進入模式設(shè)置00000001i/ds40功能：設(shè)定每次寫入1位數(shù)據(jù)后光標(biāo)的移位方向，并且設(shè)定每次寫入的一個字符是否移動。參數(shù)設(shè)定的情況如下所示： 位名設(shè)置 i/d0=寫入新數(shù)據(jù)后光標(biāo)左移 1=寫入新數(shù)據(jù)后光標(biāo)右移 s0=寫入新數(shù)據(jù)后顯示屏不移動 1=寫入新數(shù)據(jù)后顯示屏整體 右移一個字 表2.7 顯示開關(guān)控制指令指令功能指令編碼執(zhí)行時間/usrsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0顯示開關(guān)控制0000001dcb40功能：控制顯示器開/關(guān)、光標(biāo)顯示/關(guān)閉以及光標(biāo)是否閃爍。參數(shù)設(shè)定的情況如下： 位名設(shè)置 d0=顯示功能關(guān) 1=顯示功能開 c0=無光標(biāo) 1=有光標(biāo) b0=光標(biāo)不閃爍 1=光標(biāo)閃爍 表2.8 設(shè)定顯示屏或光標(biāo)移動方向指令指令功能指令編碼執(zhí)行時間/usrsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0設(shè)定顯示屏或光標(biāo)移動000001s/cr/lxx40功能：使光標(biāo)移位或使整個顯示屏幕移位。參數(shù)設(shè)定的情況如下： s/c r/l設(shè)定情況 0 0光標(biāo)左移1格，且ac值減