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

數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)第1章引言在電量的測(cè)量中，電壓、電流和頻率是最根本的三個(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)的開(kāi)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(chēng)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(mǎn)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，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)字化儀表的核心與根底。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)字電壓表的開(kāi)展就著眼在高精度和低本錢(qián)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。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)局部組成：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。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路測(cè)量電壓輸入入LCD1602顯示STC12C5A60S2P1P0P2 P2 P0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)3.1STC12C5A60S2單片機(jī)圖3.1STC12C5A60S2單片機(jī)引腳圖及實(shí)物圖3.2STC12C5A60S2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6~12倍。2〕寬電壓：5.5~3.3V，2.2~3.6V(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)，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：0~35MHz，相當(dāng)于普通8051：0~420MHz。9)時(shí)鐘：外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶(hù)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。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/比擬單元(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)動(dòng)能力均可到達(dá)20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過(guò)120mA。3.3STC12C5A60S2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，速度可到達(dá)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(hù)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)如下列圖所示圖3.2STC12C5A60S2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)果存放器格式圖3.4當(dāng)AUXR.1/ADRJ=1時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存放器格式STC12C5A60S2系列單片機(jī)ADC由多路選擇開(kāi)關(guān)、比擬器、逐次比擬存放器、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是逐次比擬型ADC，逐次比擬型ADC由一個(gè)比擬D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過(guò)逐次比擬邏輯，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)換器輸出比擬，經(jīng)過(guò)屢次比擬，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次比逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。逐次比擬型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擬器。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)比擬器進(jìn)行比擬，將比擬結(jié)果保存到逐次比擬器，并通過(guò)逐次比擬存放器輸出轉(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)果存放器ADC_RES和ADC_RESL，同時(shí)，置位ADC控制存放器ADC_CONTR中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位ADC_FLAG，以供程序查詢(xún)或發(fā)出中斷申請(qǐng)。模擬通道的選擇控制由ADC控制存放器ADC_CONTR中的CHS2~CHS0確定。ADC的轉(zhuǎn)換速度由ADC控制存放器中的SPEED1和SPEED0確定。在使用ADC之前，應(yīng)先給ADC上電，也就是置位ADC控制存放器中的ADC_POWER位。當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果取10位結(jié)果，那么按下面公式計(jì)算：10-bitA/DConversionResult:(ADC_RES[7:0],ADC_RESL[1:0])=1023*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果取8位結(jié)果，那么按下面公式計(jì)算：8-bitA/DConversionResult:(ADC_RES[7:0])=255*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=1時(shí)，如果取10位結(jié)果，那么按下面公式計(jì)算：10-bitA/DConversionResult:(ADC_RESL[1:0],ADC_RES[7:0])=1023*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=1時(shí)，如果取8位結(jié)果，那么按下面公式計(jì)算：8-bitA/DConversionResult:(ADC_RESL[1:0],ADC_RES[7:2])=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)的存放器及說(shuō)明與STC12C5A60S2系列單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的存放器表3.1A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的存放器1.P1口模擬功能控制存放器P1ASF STC12C5A60S2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(hù)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特殊功能存放器中的相應(yīng)位置為“1〞，將相應(yīng)的口設(shè)置為模擬功能。P1ASF存放器的格式如下： P1ASF:P1口模擬功能控制存放器〔只讀〕表3.2P1ASF存放器當(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3.3P1ASF存放器設(shè)置2.ADC控制存放器ADC_CONTRADC_CONTR存放器的格式如下：ADC_CONRTR:ADC控制存放器表3.4ADC控制存放器對(duì)ADC_CONTR存放器進(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：翻開(kāi)A/D轉(zhuǎn)換電源； 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電源已翻開(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。初次翻開(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)A/D轉(zhuǎn)換后，在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束之前，不要改變?nèi)魏蜪/O口的狀態(tài)，有利于高精度A/D轉(zhuǎn)換，假設(shè)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)鐘分頻存放器CLK_DIV對(duì)系統(tǒng)分頻后所產(chǎn)生的供給CPU工作的時(shí)鐘?！埠锰帲哼@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_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(xún)?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：模擬輸入通道選擇表3.6模擬輸入通道選擇設(shè)置ADC_CONTR控制存放器后，要加4個(gè)空操作延時(shí)后才能正確度到ADC_CONTR存放器的值。原因是設(shè)置ADC_CONTR控制存放器的語(yǔ)句執(zhí)行后，要經(jīng)過(guò)4個(gè)CPU時(shí)鐘的延時(shí)，其值才能夠保證被設(shè)置進(jìn)ADC_CONTR控制存放器。 MOVADC_CONTR,#DATA NOP NOP NOP NOP MOVA,ADC_CONRT3、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存放器ADC_RES、ADC_RESL特殊功能存放器ADC_RES和ADC_RESL存放器用于存放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)果存放器ADC_RES、ADC_RESLAUXR1存放器的ADRJ位是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存放器的數(shù)據(jù)格式調(diào)整控制位。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。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)的存放器 IE:中斷允許存放器 表3.10中斷允許存放器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)控制存放器高〔不可位尋址〕 表3.11中斷優(yōu)先級(jí)控制存放器高 IP:中斷優(yōu)先級(jí)控制存放器低〔可以位尋址〕 表3.12中斷優(yōu)先級(jí)控制存放器低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----------------------------*/voidInitADC(void){P1ASF=0x58;//設(shè)置P1口為AD口 01000111 01011000ADC_RES=0;//去除結(jié)果存放器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----------------------------*/voidShowResult(BYTEch){floatvalue; change_long_data_to_array(disadch,2,ch); value=GetADCResult(ch); value=value/255*4.8; change_data_to_array(disadcval,5,1,value);}/*----------------------------讀取ADC結(jié)果----------------------------*/BYTEGetADCResult(BYTEch){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_();_nop_();_nop_();while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG));//等待ADC轉(zhuǎn)換完成ADC_CONTR&=~ADC_FLAG;//CloseADCreturnADC_RES;//返回ADC結(jié)果}3.5系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、說(shuō)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(jiǎn)介時(shí)鐘信號(hào)的振蕩器提供正常工作穩(wěn)定的供給鏈接管理。晶振也被稱(chēng)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(xiàn)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,接在放大器的反應(yīng)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。圖3.6晶振電路3.5.3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。不管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，假設(shè)RST出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)24個(gè)振蕩周期的高電平,那么系統(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)上電運(yùn)行后，如果要復(fù)位，那么動(dòng)手復(fù)位即可，手動(dòng)復(fù)位電路如圖6所示。圖3.7復(fù)位電路3.5.4顯示電路LCD1602顯示32個(gè)字