基于STC12C5A60S2單片機數(shù)字電壓表的設計

1、數(shù)字電壓表的設計第1章 引言在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準確方便、精度高、誤差小、測量速度快等特而得到廣泛應用。 傳統(tǒng)的指針式刻度電壓表功能單一，精度低，容易引起視差和視覺疲勞，因而不能滿足數(shù)字化時代的需要。采用單片機的數(shù)字電壓表，將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，從而精度高、抗干擾能力強，

2、可擴展性強、集成方便，還可與PC實時通信。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎。以數(shù)字電壓表為核心，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。目前，由各種單片機和A/D轉換器構成的數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。目前，數(shù)字電壓表的內部核心部件是A/D轉換器，轉換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準確度，因而，以后數(shù)字電壓表的發(fā)展就著眼在高精度和低成本這兩個方面。本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設計為研究內容，本系統(tǒng)主要包括三大模塊：轉換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。第2章 系統(tǒng)總體方案設計選擇與說明2.1 設計要求 1、增強型MCS-51系列單片機STC12C5A

3、60S2為核心器件，組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表。2、采用1路模擬量輸入，能夠測量0-10V之間的直流電壓值。3、電壓顯示采用LCD1602顯示。 4、盡量使用較少的元器件。2.2 設計思路1、根據(jù)設計要求，選擇STC12C5A60S2單片機為核心控制器件。2、A/D轉換采用STC12C5A60S2內部自帶A/D實現(xiàn)。3、電壓顯示采用LCD1602顯示。2.3 設計方案硬件電路設計由7個部分組成：STC12C5A60S2單片機系統(tǒng)，數(shù)碼管顯示系統(tǒng)、時鐘電路、復位電路檔位調節(jié)電路以及測量電壓輸入電路。硬件電路設計框圖如圖1所示。 時鐘電路 測量電壓輸入入LCD1602顯示STC12C5A60S2

4、 P1 P0 P2 P2 P0復位電路 圖2.1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設計框圖第3章 硬件電路設計3.1 STC12C5A60S2單片機 圖3.1 STC12C5A60S2單片機引腳圖及實物圖3.2 STC12C5A60S2系列單片機主要性能1）高速：1個時鐘/機器周期，增強型8051內核，速度比普通8051快612倍。2）寬電壓：5.53.3V，2.23.6V(STC12LE5A60S2系列)。3）增加第二復位功能腳/P4.6(高可靠復位，可調整復位門檻電壓，頻率<12MHz時，無需此功能)。4）增加外部掉電檢測電路/P4.6，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)保存進EEPROM，正常工作時無需操作

5、EEPROM。5）低功耗設計：空閑模式(可由任意一個中斷喚醒)。6）低功耗設計：掉電模式(可由外部中斷喚醒)，可支持下降沿/上升沿和遠程喚醒。7）支持掉電喚醒的管腳： INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(或P4.2)，CCP1/P1.4(或P4.3)，EX_LVD/P4.6。8) 工作頻率：035MHz，相當于普通8051：0420MHz。9) 時鐘：外部晶體或內部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時設置。10) 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片內Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬

6、次以上。11) 1280字節(jié)片內RAM數(shù)據(jù)存儲器。12) 芯片內EEPROM功能,擦寫次數(shù)10萬次以上。13) ISP / IAP，在系統(tǒng)可編程/在應用可編程，無需編程器/仿真器。14) 8通道，10位高速ADC，速度可達25萬次/秒，2路PWM還可當2路D/A使用。15) 2通道捕獲/比較單元(PWM/PCA/CCP)，也可用來再實現(xiàn)2個定時器或2個外部中斷(支持上升沿/下降沿中斷)。16) 4個16位定時器，兼容普通8051的定時器T0/T1，2路PCA實現(xiàn)2個定時器。17) 可編程時鐘輸出功能，T0在P3.4輸出時鐘，T1在P3.5輸出時鐘，BRT在P1.0輸出時鐘。18) 硬件看門狗(

7、WDT)。19) 高速SPI串行通信端口。20) 全雙工異步串行口(UART)，兼容普通8051的串口。21) 通用I/O口(36/40/44個)，復位后為： 準雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)?？稍O置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏。每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不得超過120mA。3.3 STC12C5A60S2系列單片機的A/D轉換器的結構STC12C5A60S2系列單片機的A/D轉換口在P1口（P1.7-P1.0）,有8路10位高速A/D轉換器，速度可達到250KHz（25萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電

8、源電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉換，不需作為A/D使用的I/O口可以繼續(xù)作為I/O口使用。STC12C5A60S2系列單片機ADC的結構如下圖所示圖3.2 STC12C5A60S2系列單片機ADC的結構圖3.3 當AUXR.1/ADRJ=0時，A/D轉換結果寄存器格式圖3.4 當AUXR.1/ADRJ=1時，A/D轉換結果寄存器格式STC12C5A60S2系列單片機ADC由多路選擇開關、比較器、逐次比較寄存器、10位ADC轉換寄結果存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC_CONTR構成。STC

9、12C5A60S2系列單片機的ADC是逐次比較型ADC，逐次比較型ADC由一個比較D/A轉換器構成，通過逐次比較邏輯，從最高位（MSB）開始，順序地對每一輸入電壓與內置D/A轉換器輸出比較，經(jīng)過多次比較，使轉換所得的數(shù)字量逐次比逼近輸入模擬量對應值。逐次比較型A/D轉換器具有速度高，功耗低等特點。從上圖可以看出，通過模擬多路開關，將通過ADC0-ADC7的模擬量輸入送給比較器。用數(shù)/模轉換器（DAC）轉換的模擬量與本次輸入的模擬量通過比較器進行比較，將比較結果保存到逐次比較器，并通過逐次比較寄存器輸出轉換結果。A/D轉換結束后，最終的轉換結果保存到ADC轉換結果寄存器ADC_RES和ADC_R

10、ESL，同時，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D轉換結束標志位ADC_FLAG，以供程序查詢或發(fā)出中斷申請。模擬通道的選擇控制由ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2CHS0確定。ADC的轉換速度由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0確定。在使用ADC之前，應先給ADC上電，也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。當ADRJ=0時，如果取10位結果，則按下面公式計算：10-bitA/D Conversion Result:(ADC_RES7:0,ADC_RESL1:0)=1023*Vin/Vcc當ADRJ=0時，如果取8位結果，則按下面公式計算：8-

11、bitA/D Conversion Result:(ADC_RES7:0)=255*Vin/Vcc當ADRJ=1時，如果取10位結果，則按下面公式計算：10-bitA/D Conversion Result:( ADC_RESL1:0 ,ADC_RES7:0)=1023*Vin/Vcc當ADRJ=1時，如果取8位結果，則按下面公式計算：8-bitA/D Conversion Result:( ADC_RESL1:0 ,ADC_RES7:2)=255*Vin/Vcc式中，Vin為模擬輸入電壓，Vcc為單片機實際工作電壓，用單片機工作電壓作為模擬參考電壓。3.4 與A/D 轉換相關的寄存器及說明與

12、STC12C5A60S2系列單片機A/D轉換相關的寄存器表3.1 A/D轉換相關的寄存器1.P1口模擬功能控制寄存器P1ASFSTC12C5A60S2系列單片機的A/D轉換通道與P1(P1.7-P1.0)復用，上電復位后P1為弱上拉型I/O口，用戶可以通過將8路中的如何一路設置為A/D轉換，不需作為A/D使用的P1口可繼續(xù)作為I/O口使用（建議只作為輸入）。需作為A/D使用的口需要先將P1ASF特殊功能寄存器中的相應位置為“1”，將相應的口設置為模擬功能。P1ASF寄存器的格式如下：P1ASF:P1口模擬功能控制寄存器（只讀）表3.2 P1ASF寄存器當P1口中的相應位作為A/D使用時，要將P

13、1ASF中的相應位置“1”表3.3 P1ASF寄存器設置2.ADC控制寄存器ADC_CONTRADC_CONTR寄存器的格式如下：ADC_CONRTR:ADC控制寄存器表3.4 ADC控制寄存器對ADC_CONTR寄存器進行操作，建議直接用MOV賦值語句，不要用“與”和“或”語句。ADC_POWER:ADC電源控制位。0：關閉A/D轉換電源；1：打開A/D轉換電源；建議進入控模式前，將ADC電源關閉，即ADC_POWER=0.啟動A/D轉換前一定要確認A/D電源已打開，A/D轉換結束后關閉A/D電源可決定功耗，也可以不關閉。初次打開內部A/D轉換模擬電源，需適當延時，等內部模擬電源穩(wěn)定后，再啟

14、動A/D轉換。建議啟動A/D轉換后，在A/D轉換結束之前，不要改變任何I/O口的狀態(tài)，有利于高精度A/D轉換，若能將定時器/串行口/中斷系統(tǒng)關閉更好。SPEED1，SPEED0：模數(shù)轉換速度控制位表3.5 模數(shù)轉換速度控制位設置STC12C5A60S2系列單片機的A/D轉換模塊所使用的時鐘時內部（或外部石英晶體）所產(chǎn)生的系統(tǒng)時鐘，不使用時鐘分頻寄存器CLK_DIV對系統(tǒng)分頻后所產(chǎn)生的供給CPU工作的時鐘。（好處：這樣可以讓ADC用較高頻率工作，提高A/D的轉換速度。讓CPU工作工作在較低頻率，降低系統(tǒng)功耗）。ADC_FLAG:模數(shù)轉換結束標志位，當A/D轉換完成后，ADC_FLAG=1，要由軟

15、件清零。不管是A/D轉換完成后由該位申請中斷，還是由軟件查詢該標志A/D轉換是否結束，當A/D轉換完成后， ADC_FLAG = 1，一定要軟件清零。ADC_START:模數(shù)轉換器（ADC）轉換啟動控制位，設置為“1”時，開始轉換，轉換結束后ADC_START = 1;CHS2/CHS1/CHS0： 模擬輸入通道選擇表3.6模擬輸入通道選擇設置ADC_CONTR控制寄存器后，要加4個空操作延時后才能正確度到ADC_CONTR寄存器的值。原因是設置ADC_CONTR控制寄存器的語句執(zhí)行后，要經(jīng)過4個CPU時鐘的延時，其值才能夠保證被設置進ADC_CONTR控制寄存器。MOV ADC_CONTR,

16、#DATANOPNOPNOPNOPMOV A,ADC_CONRT3、A/D轉換結果寄存器ADC_RES、ADC_RESL特殊功能寄存器ADC_RES和ADC_RESL寄存器用于存放A/D轉換結果，其格式如下：表3.7 用于存放A/D轉換結果寄存器ADC_RES、ADC_RESL AUXR1寄存器的ADRJ位是A/D轉換結果寄存器的數(shù)據(jù)格式調整控制位。表3.8 當ADRJ = 0 時，10位A/D轉換結果的高8位存放在ADC_RES中，低2位存放在ADC_RESL的低2 位中。表3.9 當ADRJ = 1 時，10位A/D轉換結果的高2位存放在ADC_RES的低2 位中，低8位存放在ADC_RE

17、SL中。4、與A/D中斷有關的寄存器IE:中斷允許寄存器表3.10 中斷允許寄存器EA: CPU的中斷開放標志，EA = 1,CPU開放中斷，EA = 0，CPU屏蔽所有的中斷請求。EADC:A/D轉換中斷允許位。EADC = 1，允許A/D中斷；EADC = 0，屏蔽A/D中斷。IPH:中斷優(yōu)先級控制寄存器高（不可位尋址）表3.11 中斷優(yōu)先級控制寄存器高IP: 中斷優(yōu)先級控制寄存器低（可以位尋址）表3.12中斷優(yōu)先級控制寄存器低PADCH,PADC:ADC轉換優(yōu)先級控制位。5、ADC初始化程序/*-初始化ADC-*/void InitADC(void) P1ASF = 0x58; /設置P

18、1口為AD口 0100 0111 0101 1000 ADC_RES = 0; /清除結果寄存器 ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL; Delay(50); /ADC上電并延時6、ADC讀子函數(shù)/*-發(fā)送ADC結果到PC-*/void ShowResult(BYTE ch) float value; change_long_data_to_array(disadch,2,ch); value=GetADCResult(ch); value=value/255*4.8; change_data_to_array(disadcval,5,1,value);/*-

19、讀取ADC結果-*/BYTE GetADCResult(BYTE ch) ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ch | ADC_START; _nop_(); /等待4個NOP _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_(); /等待4個NOP _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_(); /等待4個NOP _nop_(); _nop_(); _nop_(); while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG);/等待ADC轉換完成 ADC_CONTR &= ADC_FLAG; /Cl

20、ose ADC return ADC_RES; /返回ADC結果3.5系統(tǒng)電路設計、說明3.5.1 系統(tǒng)電路總原理圖 圖3.5 系統(tǒng)原理圖3.5.2 晶振電路簡介時鐘信號的振蕩器提供正常工作穩(wěn)定的供應鏈接管理。晶振也被稱為晶振諧振器，是一種機電設備，是需要精密磨削的石英晶體鍍上電極焊上導線制成。這種晶體有一個很關鍵的特性-壓電效應，給它導電，產(chǎn)生機械振蕩，反之，給它機械力，便會產(chǎn)生電7。它的形狀，材質，切割方向影響到振蕩的頻率。根據(jù)石英晶體等效為一個諧振回路，它的機電效應是機-電-機-電.的不斷轉換，由電感和電容組成的諧振回路是電場-磁場的不斷轉換。AT89S52的反相放大器，振蕩器,時鐘信號

21、可以由單片機產(chǎn)生周期性功能是機械指令驅動芯片實現(xiàn)。這個放大器與石英晶體或陶瓷諧振器一起可構成一個自激振蕩器,外接石英晶體或陶瓷諧振器以及電容C8和C10組成并聯(lián)諧振電路, 接在放大器的反饋回路中。一個外部電容C8和C10的值雖然沒有嚴格的要求, 但會影響許多電容振蕩器的頻率穩(wěn)定度、振蕩器、起振圈內部振蕩的接法的快速及時性和溫度穩(wěn)定性。AT89S52芯片里面有一個反相高增益放大器，它兩頭跟石英晶體及兩個常用30pF電容相連接，組成穩(wěn)定的自激振蕩器微調震蕩頻率。震蕩電路如圖5所示。圖3.6晶振電路3.5.3 復位電路系統(tǒng)CPU和其輔助部件是在一個精確的狀態(tài)開始運行, 單片機成功復位。 不論是電源故障或剛接上電源，要使用單片機就要先復位。施密特觸發(fā)器通過AT89S52單片機RST引腳接收復位信號。當系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定沒發(fā)生異常情況下， 假如RST出現(xiàn)一個持續(xù)24個振蕩周期的高電平, 則系統(tǒng)復位。本設計系統(tǒng)是自動電源復位。本系統(tǒng)中采用上電電路復位，即在單片機運行期間人工的復位,方便又簡單。工作按鈕接通電源，單片機便可復位，即手動復位完成。系統(tǒng)上電運行后，如果要復位，則動手復位即可，手動復