基于STC12C5A60S2單片機(jī)數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)精選文庫(kù)第1章引言在電量的測(cè)量中， 電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)量， 其中電壓量的測(cè)量最為經(jīng)常。 而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展， 更是經(jīng)常需要測(cè)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(cè)量?jī)x器。數(shù)字電壓表簡(jiǎn)稱 DVM，它是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)， 把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)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(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、測(cè)量速度快等特而得到廣泛應(yīng)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(jué)疲勞， 因而不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需要。 采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表， 將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示

2、， 從而精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與 PC實(shí)時(shí)通信。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。 以數(shù)字電壓表為核心， 可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、 專(zhuān)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(jī)和 A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)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(nèi)部核心部件是 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)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(gè)方面。本文是以簡(jiǎn)易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)為研究?jī)?nèi)容，本系統(tǒng)主要包括三大模塊：轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)選擇與說(shuō)明2.1設(shè)計(jì)要

3、求1 、增強(qiáng)型 MCS-51系列單片機(jī) STC12C5A60S2為核心器件，組成一個(gè)簡(jiǎn)單的直流數(shù)字電壓表。2、采用 1 路模擬量輸入，能夠測(cè)量0-10V 之間的直流電壓值。3、電壓顯示采用LCD1602顯示。-2精選文庫(kù)4、盡量使用較少的元器件。2.2 設(shè)計(jì)思路1、根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制器件。2、 A/D 轉(zhuǎn)換采用 STC12C5A60S2內(nèi)部自帶 A/D 實(shí)現(xiàn)。3、電壓顯示采用LCD1602顯示。2.3 設(shè)計(jì)方案硬件電路設(shè)計(jì)由 7 個(gè)部分組成： STC12C5A60S2單片機(jī)系統(tǒng)，數(shù)碼管顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路檔位調(diào)節(jié)電路以及測(cè)量電壓輸入電路。 硬件電

4、路設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。STC12C5A6時(shí)鐘電路0S2P1測(cè)量電壓輸入入P0P2LCD1602 顯示復(fù)位電路圖 2.1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 STC12C5A60S2單片機(jī)-3精選文庫(kù)圖 3.1 STC12C5A60S2單片機(jī)引腳圖及實(shí)物圖3.2 STC12C5A60S2系列單片機(jī)主要性能1）高速： 1個(gè)時(shí)鐘 / 機(jī)器周期，增強(qiáng)型 8051內(nèi)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(fù)位功能腳/P4.6( 高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)位門(mén)檻電壓，頻率<12MHz時(shí)，

5、無(wú)需此功能 ) 。4）增加外部掉電檢測(cè)電路/P4.6 ，可在掉電時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)保存進(jìn)EEPROM，正常工作時(shí)無(wú)需操作 EEPROM。5）低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式( 可由任意一個(gè)中斷喚醒 ) 。6）低功耗設(shè)計(jì)：掉電模式 ( 可由外部中斷喚醒 ) ，可支持下降沿 / 上升沿和遠(yuǎn)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(dāng)于普通 8051：0420MHz。9) 時(shí)鐘：外部晶體或內(nèi)

6、部 RC振蕩器可選，在 ISP下載編程用戶程序時(shí)設(shè)置。10) 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)10萬(wàn)次以上。11) 1280 字節(jié)片內(nèi) RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。12) 芯片內(nèi) EEPROM功能 , 擦寫(xiě)次數(shù) 10萬(wàn)次以上。13) ISP / IAP，在系統(tǒng)可編程 / 在應(yīng)用可編程，無(wú)需編程器/ 仿真器。-4精選文庫(kù)14) 8通道， 10位高速 ADC，速度可達(dá) 25萬(wàn)次 / 秒， 2路 PWM還可當(dāng) 2路D/A使用。15) 2 通道捕獲 / 比較單元 (PWM/PCA/CCP)，也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2個(gè)定時(shí)器或 2個(gè)外部中斷 ( 支持上

7、升沿 / 下降沿中斷 ) 。16) 4個(gè)16位定時(shí)器，兼容普通 8051的定時(shí)器 T0/T1， 2路 PCA實(shí)現(xiàn) 2個(gè)定時(shí)器。17) 可編程時(shí)鐘輸出功能， T0在P3.4 輸出時(shí)鐘， T1在P3.5 輸出時(shí)鐘， BRT在P1.0 輸出時(shí)鐘。18) 硬件看門(mén)狗 (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(gè)) ，復(fù)位后為： 準(zhǔn)雙向口 / 弱上拉 ( 普通 8051傳統(tǒng)I/O 口 ) ?？稍O(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 / 弱上拉，推挽 / 強(qiáng)上拉，僅為輸入 / 高阻，開(kāi)漏。每個(gè) I/O 口驅(qū)

8、動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過(guò) 120mA。3.3 STC12C5A60S2系列單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)STC12C5A60S2系列單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換口在 P1口（P1.7-P1.0 ）, 有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到 250KHz（25萬(wàn)次 / 秒）。8路電壓輸入型 A/D，可做溫度檢測(cè)、電源電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)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(jī) ADC的結(jié)構(gòu)如下圖所示-5精選文庫(kù)圖3.2

9、 STC12C5A60S2系列單片機(jī) ADC的結(jié)構(gòu)圖3.3 當(dāng)AUXR.1/ADRJ=0時(shí)， A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式圖3.4 當(dāng)AUXR.1/ADRJ=1時(shí)， A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式STC12C5A60S2系列單片機(jī) ADC由多路選擇開(kāi)關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位ADC轉(zhuǎn)換寄結(jié)果存器（ ADC_RES和ADC_RESL）以及 ADC_CONTR構(gòu)成。STC12C5A60S2系列單片機(jī)的 ADC是逐次比較型 ADC，逐次比較型 ADC由一個(gè)比較 D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過(guò)逐次比較邏輯，從最高位（ MSB）開(kāi)始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置 D/A轉(zhuǎn)換器輸出比較，經(jīng)過(guò)多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字

10、量逐次比逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。逐次比較型 A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等特點(diǎn)。從上圖可以看出，通過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)，將通過(guò) ADC0-ADC7的模擬量輸入送給比較器。用數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換的模擬量與本次輸入的模擬量通過(guò)比較器進(jìn)行比較，將比較結(jié)果保存到逐次比較器，并通過(guò)逐次比較寄存器輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 ADC_RES和 ADC_RESL，-6精選文庫(kù)同時(shí)，置位 ADC控制寄存器 ADC_CONTR中的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位 ADC_FLAG，以供程序查詢或發(fā)出中斷申請(qǐng)。模擬通道的選擇控制由ADC控制寄存器 ADC_CONTR中的CH

11、S2CHS0確定。 ADC的轉(zhuǎn)換速度由 ADC控制寄存器中的 SPEED1和SPEED0確定。在使用 ADC之前，應(yīng)先給 ADC上電，也就是置位 ADC控制寄存器中的 ADC_POWER位。當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果取 10位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算：10-bitA/DConversionResult:(ADC_RES7:0,ADC_RESL1:0)=1023*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果取 8位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算：8-bitA/D Conversion Result:(ADC_RES7:0)=255*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=1時(shí)，如果取 10位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算：10-bitA/

12、DConversionResult:( ADC_RESL1:0 ,ADC_RES7:0)=1023*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=1時(shí)，如果取 8位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算：8-bitA/DConversionResult:( ADC_RESL1:0 ,ADC_RES7:2)=255*Vin/Vcc式中， Vin 為模擬輸入電壓， Vcc為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。3.4 與 A/D 轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器及說(shuō)明與STC12C5A60S2系列單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器表 3.1 A/D 轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器-7精選文庫(kù)1.P1 口模擬功能控制寄存器P1ASFSTC12C5A60

13、S2系列單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換通道與 P1(P1.7-P1.0) 復(fù)用，上電復(fù)位后 P1 為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過(guò)將 8 路中的如何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)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(yīng)位置為“1”，將相應(yīng)的口設(shè)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(dāng) P1 口中的相應(yīng)位作為 A/D 使用時(shí)，要將 P1ASF中的相應(yīng)位置“ 1”表 3.3 P1ASF 寄存器設(shè)置2.ADC控制寄存器 ADC

14、_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(duì) ADC_CONTR寄存器進(jìn)行操作， 建議直接用 MOV賦值語(yǔ)句，不要用“與”和“或”語(yǔ)句。ADC_POWER:ADC電源控制位。0：關(guān)閉 A/D 轉(zhuǎn)換電源；1：打開(kāi) A/D 轉(zhuǎn)換電源；-8精選文庫(kù)建議進(jìn)入控模式前， 將 ADC電源關(guān)閉，即 ADC_POWER=0啟動(dòng). A/D 轉(zhuǎn)換前一定要確認(rèn) A/D 電源已打開(kāi)， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后關(guān)閉 A/D 電源可決定功耗，也可以不關(guān)閉。初次打開(kāi)內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換模擬電源，需適當(dāng)延時(shí)，等內(nèi)部模擬電源穩(wěn)定后，再啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換。建議啟動(dòng)

15、 A/D 轉(zhuǎn)換后，在 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束之前，不要改變?nèi)魏?I/O 口的狀態(tài)，有利于高精度 A/D 轉(zhuǎn)換，若能將定時(shí)器 / 串行口 / 中斷系統(tǒng)關(guān)閉更好。SPEED1， SPEED0：模數(shù)轉(zhuǎn)換速度控制位表 3.5模數(shù)轉(zhuǎn)換速度控制位設(shè)置STC12C5A60S2系列單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換模塊所使用的時(shí)鐘時(shí)內(nèi)部（或外部石英晶體）所產(chǎn)生的系統(tǒng)時(shí)鐘， 不使用時(shí)鐘分頻寄存器CLK_DIV對(duì)系統(tǒng)分頻后所產(chǎn)生的供給 CPU工作的時(shí)鐘。（好處：這樣可以讓ADC用較高頻率工作，提高A/D 的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，當(dāng)A/D 轉(zhuǎn)換完成后， ADC

16、_FLAG=1，要由軟件清零。不管是 A/D 轉(zhuǎn)換完成后由該位申請(qǐng)中斷，還是由軟件查詢?cè)摌?biāo)志A/D 轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換完成后， ADC_FLAG = 1，一定要軟件清零。ADC_START:模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制位，設(shè)置為“1”時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后 ADC_START = 1;CHS2/CHS1/CHS0： 模擬輸入通道選擇-9精選文庫(kù)表 3.6 模擬輸入通道選擇設(shè)置 ADC_CONTR控制寄存器后， 要加 4 個(gè)空操作延時(shí)后才能正確度到ADC_CONTR寄存器的值。原因是設(shè)置ADC_CONTR控制寄存器的語(yǔ)句執(zhí)行后，要經(jīng)過(guò)4 個(gè) CPU時(shí)鐘的延時(shí)，其值才能夠保證被

17、設(shè)置進(jìn)ADC_CONTR控制寄存器。MOV ADC_CONTR,#DATANOPNOPNOPNOPMOV A,ADC_CONRT3、A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)果，其格式如下：表 3.7 用于存放 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 ADC_RES、ADC_RESL AUXR1寄存器的 ADRJ位是 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器的數(shù)據(jù)格式調(diào)整控制位。-10精選文庫(kù)表 3.8 當(dāng) ADRJ = 0 時(shí)， 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的高 8 位存放在 ADC_RES中，低 2位存放在 ADC_RESL的低 2 位中

18、。表 3.9 當(dāng) ADRJ = 1 時(shí)， 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的高 2 位存放在 ADC_RES的低 2 位中，低 8 位存放在 ADC_RESL中。4、與 A/D 中斷有關(guān)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(kāi)放標(biāo)志， EA = 1,CPU 開(kāi)放中斷， EA = 0 ， CPU屏蔽所有的中斷請(qǐng)求。EADC: A/D 轉(zhuǎn)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(jí)控制寄存器高（不可位尋址）表 3.11中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器高IP:中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器低（可以位尋址）-11精選文庫(kù)表 3.

19、12 中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器低PADCH,PADC:ADC轉(zhuǎn)換優(yōu)先級(jí)控制位。5、ADC初始化程序/*-初始化 ADC-*/void InitADC(void)P1ASF = 0x58;/設(shè)置 P1 口為 AD口010001110101 1000ADC_RES = 0;/清除結(jié)果寄存器ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL;Delay(50);/ADC上電并延時(shí)6、 ADC讀子函數(shù)/*-發(fā)送 ADC結(jié)果到 PC-*/void ShowResult(BYTE ch)float value;change_long_data_to_array(disadch,2,ch);

20、value=GetADCResult(ch);value=value/255*4.8;change_data_to_array(disadcval,5,1,value);-12精選文庫(kù)/*-讀取 ADC結(jié)果-*/BYTE GetADCResult(BYTE ch)ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ch | ADC_START;_nop_();/等待 4 個(gè) NOP_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/等待 4 個(gè) NOP_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/等待 4 個(gè) NOP_nop_();_n

21、op_();_nop_();while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG);/等待 ADC轉(zhuǎn)換完成ADC_CONTR &= ADC_FLAG;/Close ADCreturn ADC_RES;/返回 ADC結(jié)果3.5 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、說(shuō)明系統(tǒng)電路總原理圖-13精選文庫(kù)圖 3.5 系統(tǒng)原理圖晶振電路簡(jiǎn)介時(shí)鐘信號(hào)的振蕩器提供正常工作穩(wěn)定的供應(yīng)鏈接管理。晶振也被稱為晶振諧振器，是一種機(jī)電設(shè)備， 是需要精密磨削的石英晶體鍍上電極焊上導(dǎo)線制成。這種晶體有一個(gè)很關(guān)鍵的特性-壓電效應(yīng)，給它導(dǎo)電，產(chǎn)生機(jī)械振蕩，反之，給它機(jī)械力，便會(huì)產(chǎn)生電 7 。它的形狀，材質(zhì)，切割方向影響到振蕩的

22、頻率。根據(jù)石英晶體等效為一個(gè)諧振回路，它的機(jī)電效應(yīng)是機(jī)- 電- 機(jī)- 電. 的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場(chǎng)- 磁場(chǎng)的不斷轉(zhuǎn)換。AT89S52 的反相放大器，振蕩器 , 時(shí)鐘信號(hào)可以由單片機(jī)產(chǎn)生周期性功能是機(jī)械指令驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)。 這個(gè)放大器與石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個(gè)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(gè)外部電容C8 和 C10 的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求,但會(huì)影響許多電容振蕩器的頻率穩(wěn)定度、振蕩器、起振圈內(nèi)部振蕩的接法的快速及時(shí)性和溫度穩(wěn)定性。AT89S52芯片里面有一個(gè)反相高增益放大器，它兩頭跟石英晶體及兩個(gè)常用30pF 電容相連接，組成穩(wěn)定的自激振蕩器微調(diào)震蕩頻率。震蕩電路如圖5 所示。-14精選文庫(kù)圖 3.6 晶振電路復(fù)位電路系統(tǒng) CPU 和其輔助部件是在一個(gè)精確的狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行,單片機(jī)成功復(fù)位。不論是電源故障或剛接上電源，要使用單片機(jī)就要先復(fù)位。施密特觸發(fā)器通過(guò)AT89S52單片機(jī) RST引腳接收復(fù)位信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定沒(méi)發(fā)生異常情況下，假如 RST出現(xiàn)一個(gè)持續(xù) 24 個(gè)振蕩周期的高電平 , 則系統(tǒng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是自動(dòng)電源復(fù)位。本系統(tǒng)中采用上電電路復(fù)位， 即在單片機(jī)運(yùn)行期間人工的復(fù)位 , 方便又簡(jiǎn)單。工作按鈕接通電源，單片機(jī)便可復(fù)位，即手動(dòng)復(fù)位完成。系統(tǒng)