智能儀器論文

1、深圳大學(xué)考試答題紙(以論文、報(bào)告等形式考核專用)二 一四 二 一五 學(xué)年度第 二 學(xué)期課程編號(hào)1701700001課程名稱智能儀器與測(cè)控系統(tǒng)主講教師評(píng)分學(xué) 號(hào)姓名專業(yè)年級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器 大三教師評(píng)語(yǔ)：題目：可自動(dòng)換擋的直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)1 系統(tǒng)需求分析 11 考慮的內(nèi)容v 51單片機(jī)使用何種方式將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓；v 51單片機(jī)如何控制進(jìn)行相應(yīng)的檔位切換；v 51單片機(jī)如何顯示對(duì)應(yīng)的采集值；v 需要設(shè)計(jì)合適的單片機(jī)軟件。 12 涉及的知識(shí) 數(shù)字電壓表的實(shí)現(xiàn)原理； 運(yùn)算放大器LM324的應(yīng)用原理； A/D芯片AD0809的應(yīng)用原理； LCD1602液晶顯示器的應(yīng)用原理。 1.3 軟件需求l

2、 編程軟件 ：Keil vUsionl 仿真軟件：protues 1.4 硬件需求 組成51單片機(jī)最小系統(tǒng)的元器件 萬(wàn)能板 AT89C52 LM324放大器 AD0809 LCD1602 杜邦線若干 電阻器若干2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容 運(yùn)用所學(xué)單片機(jī)、模擬和數(shù)字電路、以及測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，設(shè)計(jì)出一臺(tái)以AT89C52為核心的直流數(shù)字電壓表，完成電壓信號(hào)的采集、處理、顯示（數(shù)碼管或者LCD）及鍵盤接口電路等部分的軟、硬件設(shè)計(jì)，要求采用ADC0809 或PCF8591實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，1、測(cè)量范圍：0-20V直流電壓，設(shè)置三個(gè)量程：0-200mV，200 mV-2V，2V-20

3、V，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。l b測(cè)量精度：20 mV。l c測(cè)量誤差允許范圍：=1%。l d顯示：用四位七段數(shù)碼管顯示電壓讀數(shù)或用LCD1602顯示2.2電壓表的總體工作流程初始化單片機(jī)系統(tǒng) 判斷當(dāng)前的 待測(cè)電壓值 切換到0-0.2V量程 切換到0.2-2V量程 切換到2-20V量程 測(cè)量電壓3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)31 模塊分析 通過對(duì)數(shù)字電壓表的功能分析，我們可以將其分為輸入模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊、 單 片機(jī)控制模塊以及顯示模塊四部分。輸入模塊是由兩個(gè)放大器LM324形成的3個(gè)輸出接到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的ADC0809的IN1、IN2、IN4上，這時(shí)候輸入的是模擬信號(hào)，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣保持等操作，在ADC

4、0809的8個(gè)輸出口out0out7輸出了相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并從51單片機(jī)的P1口傳入單片機(jī)的內(nèi)部供單片機(jī)進(jìn)行下一步處理。另外，ADC轉(zhuǎn)換器上的一些控制端口也接到了單片機(jī)上，使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的控制操作。從單片機(jī)P1口進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)，會(huì)從單片機(jī)的P0口傳送到顯示模塊LCD1602的數(shù)據(jù)輸入口上，通過上拉電阻的驅(qū)動(dòng)，液晶屏顯示器上就能顯示出相應(yīng)的電壓測(cè)量值了。實(shí)物圖： 顯示模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 輸入模塊 單片機(jī)控制模塊完整的硬件連接圖：32 關(guān)于AT89C52AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存

5、取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用AT89C52有40個(gè) 引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2 個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同

6、產(chǎn)品的需求。 AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能以及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由

7、軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能引腳圖：3.3關(guān)于LCD1602字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來(lái)的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，引腳定義如下表所示： HD44780內(nèi)置了D

8、DRAM、CGROM和CGRAM。DDRAM就是顯示數(shù)據(jù)RAM，用來(lái)寄存待顯示的字符代碼。共80個(gè)字節(jié)，其地址和屏幕的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表： DDRAM地址與顯示位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系 （事實(shí)上我們往DDRAM里的00H地址處送一個(gè)數(shù)據(jù)，譬如0x31(數(shù)字1的代碼)并不能顯示1出來(lái)。這是一個(gè)令初學(xué)者很容易出錯(cuò)的地方，原因就是如果 你要想在DDRAM的00H地址處顯示數(shù)據(jù)，則必須將00H加上80H，即80H，若要在DDRAM的01H處顯示數(shù)據(jù)，則必須將01H加上80H即 81H。依次類推。大家看一下控制指令的的8條：DDRAM地址的設(shè)定，即可以明白是怎么樣的一回事了） 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（C

9、GROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如下表所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常 用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn) 陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A” 上表中的字符代碼與我們PC中的字符代碼是基本一致的。因此我們?cè)谙駾DRAM寫C51字符代碼程序時(shí)甚至可以直接用P1A這樣的方法。PC在編譯時(shí)就把“A”先轉(zhuǎn)為41H代碼了。 字符代碼0x000x0F為用戶自定義的字符圖形RAM(對(duì)于5X8點(diǎn)陣的字符，可以存放8組，5X10點(diǎn)陣的字符，存放4組)，就是CGR

10、AM了。后面我會(huì)詳細(xì)說的。 0x200x7F為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼，0xA00xFF為日文字符和希臘文字符，其余字符碼(0x100x1F0x800x9F)沒有定義。 那么如何對(duì)DDRAM的內(nèi)容和地址進(jìn)行具體操作呢，下面先說說HD44780的指令集及其設(shè)置說明，請(qǐng)瀏覽該指令集，并找出對(duì)DDRAM的內(nèi)容和地址進(jìn)行操作的指令。共11條指令： 1.清屏指令 功能： 清除液晶顯示器，即將DDRAM的內(nèi)容全部填入空白的ASCII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(jì)數(shù)器(AC)的值設(shè)為0。 2.光標(biāo)歸位指令 功能： 把光標(biāo)撤回到顯示器的左上方; 把地址計(jì)數(shù)器(AC)的值設(shè)置為0;

11、保持DDRAM的內(nèi)容不變 3.進(jìn)入模式設(shè)置指令 功能：設(shè)定每次定入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(gè)字符是否移動(dòng)。參數(shù)設(shè)定的情況如下所示：位名設(shè)置 I/D 0=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(dòng) 1=寫入新數(shù)據(jù)后顯示屏整體右移1個(gè)字 4.顯示開關(guān)控制指令 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(wú)光標(biāo)1=有光標(biāo) B0=光標(biāo)閃爍 1=光標(biāo)不閃爍 5. 設(shè)定顯示屏或光標(biāo)移動(dòng)方向指令 功能：使光標(biāo)移位或使整個(gè)顯示屏幕移位。參數(shù)設(shè)定的情況如下： S/C R/L

12、設(shè)定情況 0 0光標(biāo)左移1格，且AC值減1 0 1光標(biāo)右移1格，且AC值加1 1 0顯示器上字符全部左移一格，但光標(biāo)不動(dòng) 1 1顯示器上字符全部右移一格，但光標(biāo)不動(dòng) 6.功能設(shè)定指令 功能：設(shè)定數(shù)據(jù)總線位數(shù)、顯示的行數(shù)及字型。參數(shù)設(shè)定的情況如下： 位名設(shè)置 DL0=數(shù)據(jù)總線為4位 1=數(shù)據(jù)總線為8位 N0=顯示1行 1=顯示2行 F0=57點(diǎn)陣/每字符 1=510點(diǎn)陣/每字符 7.設(shè)定CGRAM地址指令 功能：設(shè)定下一個(gè)要存入數(shù)據(jù)的CGRAM的地址。 8.設(shè)定DDRAM地址指令 功能：設(shè)定下一個(gè)要存入數(shù)據(jù)的CGRAM的地址。 (注意這里我們送地址的時(shí)候應(yīng)該是0x80+Address，這也是前面

13、說到寫地址命令的時(shí)候要加上0x80的原因) 9.讀取忙信號(hào)或AC地址指令 功能： 讀取忙碌信號(hào)BF的內(nèi)容，BF=1表示液晶顯示器忙，暫時(shí)無(wú)法接收單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)或指令; 當(dāng)BF=0時(shí)，液晶顯示器可以接收單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)或指令; 讀取地址計(jì)數(shù)器(AC)的內(nèi)容。 10.數(shù)據(jù)寫入DDRAM或CGRAM指令一覽 功能： 將字符碼寫入DDRAM，以使液晶顯示屏顯示出相對(duì)應(yīng)的字符; 將使用者自己設(shè)計(jì)的圖形存入CGRAM。 11.從CGRAM或DDRAM讀出數(shù)據(jù)的指令一覽 功能：讀取DDRAM或CGRAM中的內(nèi)容。 基本操作時(shí)序： 讀狀態(tài) 輸入：RS=L，RW=H，E=H 輸出：DB0DB7=狀態(tài)字 寫指令

14、 輸入：RS=L，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0DB7=指令碼 輸出：無(wú) 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) 輸入：RS=H，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0DB7=數(shù)據(jù) 輸出：無(wú) 3.4關(guān)于LM324LM324系列器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，具有真正的差分輸入。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。LM324的組成和引腳說明如下3.5關(guān)于ADC0809

15、ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。目前僅在單片機(jī)初學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)中較為常見。引腳功能說明： IN0IN7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。 ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入端，產(chǎn)生一個(gè)正脈沖以鎖存地址。 START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使 0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。

16、EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出端，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入端，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHz。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)41 Protues仿真圖設(shè)計(jì) 仿真圖涉及的元器件如下：器件名稱庫(kù)子庫(kù)說明AT89C52Microprocessor ICs8051 Family51單片機(jī)RES

17、ResistorsGeneric通用電阻CAPCapacitorsGeneric電容CAP-ELECCapacitorsGeneric極性電容CRYSTALMiscellaneous-晶振器LM016LOptoelectronicsAlphanumeric LCDsLCD1602LM324OperationalPrimitive Sources運(yùn)算放大器ADC0808Data ConvertersAmplifiers QuadA/D轉(zhuǎn)換器RESPACK-8ResistorsResistor Packs8位電阻排1）顯示器部分2） 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分3) 電壓輸入部分4) 單片機(jī)控制部分5） 完整的仿

18、真圖42 Keil vUsion 程序編寫與HEX文件生成步驟1：新建一個(gè)工程，選擇Atmel里的AT89C52設(shè)備作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。點(diǎn)擊ok后會(huì)生成51單片機(jī)的頭文件步驟2：把寫好的程序生成.c的文件并添加到Source Group one 里面去，然后就可以進(jìn)行編譯。步驟3：在編譯無(wú)錯(cuò)誤的情況下就可以通過設(shè)置輸出口，讓程序生成.hex的文件。步驟4：設(shè)置完之后點(diǎn)擊Rebuild taget 就可以生成.hex文件了，可以根據(jù)你選擇的路徑查看是否生成了該文件。5 調(diào)試過程及結(jié)果分析51 軟件調(diào)試過程將由Keil生成的.hex文件讀取到51單片機(jī)里面，仿真圖就能運(yùn)行了。 （1）初始化程序（2）00

19、.2V電壓仿真測(cè)量（3）0.22V電壓仿真測(cè)（4）220V電壓仿真52 硬件調(diào)試過程由于電路焊得不好，實(shí)驗(yàn)并未能通過硬件調(diào)試！5.3結(jié)果分析從仿真的結(jié)果來(lái)看，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求了的，一方面電路實(shí)現(xiàn)了0-20V電壓的測(cè)量，另一方面也實(shí)現(xiàn)了量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并且在測(cè)小電壓的時(shí)候能達(dá)到很高的精度。通過修改程序或測(cè)量值改變輸入口還可以設(shè)置更多的量程。 6參考文獻(xiàn)1.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)25例：基于Protues仿真/張新。陳躍琴編著.-北京：電子工業(yè)出版社，2013.102. 王書士.朱宇川 基于AT89C2051的直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)期刊論文-信息通信2013(2)3. 高皚瓊 單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易直流數(shù)

20、字電壓表期刊論文-消費(fèi)電子2012(11)4. 智能儀表原理與設(shè)計(jì)/凌志浩，王華忠，葉西寧編著.-北京：人民郵電出版社，2013.75. 單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真經(jīng)典實(shí)例/周潤(rùn)景，劉曉霞編著.-北京：電子工業(yè)出版社，2014.16. 基于Protues的單片機(jī)課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)/張毅剛主編.-北京：人民郵電出版社，2012.47. PROTUES入門實(shí)用教程/周潤(rùn)景，蔡雨恬編著.-2版.-北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.107附錄及元器件清單附錄一程序#include#define LEDDATA P0#define v20_ons3=0;s2=0;s1=1;#define v2_ons

21、3=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 char getdata;unsigned long temp;unsigned char i,k,l, m;unsigned char code mytable0=WELCOME TO USE;unsigned char code

22、 mytable1=AUTO VOLTMETER!;unsigned char code line0= Voltmeter ; unsigned char code line1=Value: V;sbit lcdrs=P20;sbit lcden=P21;sbit s3=P37;sbit s2=P36;sbit s1=P35;sbit OE=P30;sbit EOC=P31;sbit ST=P32;sbit CLK=P22;void Init_Timer0(void) /定時(shí)器0 TMOD=0x10; TH1=(65536-200)/256; TL1=(65536-200)%256; EA=1

23、; ET0=1; TR0=1; CLK=1;void delay (unsigned int z) /延時(shí)函數(shù) unsigned int x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-);void write_com(unsigned char c)/lcd寫命令函數(shù) lcdrs=0; /輸入指令 lcden=0; LEDDATA=c; delay(5); lcden=1;/讀取信息 delay(5); lcden=0; /下降沿執(zhí)行指令void write_data(unsigned char d) /lcd寫數(shù)據(jù)函數(shù) lcdrs=1;/輸入數(shù)據(jù) LEDDATA=d;

24、 delay(5); lcden=1; /讀取信息 delay(5); lcden=0; /下降沿執(zhí)行指令void initialize()/初始化 unsigned char num; lcden=0; write_com(0x38); /8位數(shù)據(jù)，雙列。5*7字型 write_com(0x0c); /開啟顯示屏， 關(guān)閉光標(biāo)，光標(biāo)不閃爍 write_com(0x06); /顯示地址遞增，寫入一個(gè)數(shù)據(jù)后右移 write_com(0x01); /清屏 write_com(0x80+0x10); for(num=0;num17;num+) write_data(mytable0num); /d=m

25、ytable0num，調(diào)用寫入數(shù)據(jù)函數(shù)delay(10); write_com(0x80+0x50); for(num=0;num15;num+) write_data(mytable1num);delay(10); for(num=0;num16;num+) write_com(0x1c);delay(300); delay(1000); write_com(0x01);/清屏 write_com(0x80); /第一行 for(num=0;num14;num+) write_data(line0num);delay(10); write_com(0x80+0x40); /第二行 for(num=0;num15;num+) write_data(line1num);delay(10); void value(unsigned char add,unsigned char dat)/電壓值計(jì)算函數(shù) write_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，測(cè)0-20v 的電