基于STC12C5A60S2單片機數(shù)字電壓表的設(shè)計

1、數(shù)字電壓表的設(shè)計精選文庫第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(shù)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(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)準確方便、精度高、誤差小、測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(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，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(chǔ)。 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(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(shè)計為研究內(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)計選擇與說明2.1設(shè)計要

3、求1 、增強型 MCS-51系列單片機 STC12C5A60S2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。-2精選文庫4、盡量使用較少的元器件。2.2 設(shè)計思路1、根據(jù)設(shè)計要求，選擇STC12C5A60S2單片機為核心控制器件。2、 A/D 轉(zhuǎn)換采用 STC12C5A60S2內(nèi)部自帶 A/D 實現(xiàn)。3、電壓顯示采用LCD1602顯示。2.3 設(shè)計方案硬件電路設(shè)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(fù)位電路檔位調(diào)節(jié)電路以及測量電壓輸入電路。 硬件電

4、路設(shè)計框圖如圖 1 所示。STC12C5A6時鐘電路0S2P1測量電壓輸入入P0P2LCD1602 顯示復(fù)位電路圖 2.1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖第 3 章 硬件電路設(shè)計3.1 STC12C5A60S2單片機-3精選文庫圖 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(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)位門檻電壓，頻率<12MHz時，

5、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 EEPROM。5）低功耗設(shè)計：空閑模式( 可由任意一個中斷喚醒 ) 。6）低功耗設(shè)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(nèi)

6、部 RC振蕩器可選，在 ISP下載編程用戶程序時設(shè)置。10) 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片內(nèi) Flash 程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上。11) 1280 字節(jié)片內(nèi) RAM數(shù)據(jù)存儲器。12) 芯片內(nèi) 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(yīng)用可編程，無需編程器/ 仿真器。-4精選文庫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

7、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 (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(fù)位后為： 準雙向口 / 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(qū)

8、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(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)STC12C5A60S2系列單片機的 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，速度可達到 250KHz（25萬次 / 秒）。8路電壓輸入型 A/D，可做溫度檢測、電源電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過軟件設(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 ADC的結(jié)構(gòu)如下圖所示-5精選文庫圖3.2

9、 STC12C5A60S2系列單片機 ADC的結(jié)構(gòu)圖3.3 當AUXR.1/ADRJ=0時， A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式圖3.4 當AUXR.1/ADRJ=1時， A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式STC12C5A60S2系列單片機 ADC由多路選擇開關(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系列單片機的 ADC是逐次比較型 ADC，逐次比較型 ADC由一個比較 D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)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(nèi)置 D/A轉(zhuǎn)換器輸出比較，經(jīng)過多次比較，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。從上圖可以看出，通過模擬多路開關(guān)，將通過 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比較器進行比較，將比較結(jié)果保存到逐次比較器，并通過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精選文庫同時，置位 ADC控制寄存器 ADC_CONTR中的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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ADRJ=0時，如果取 10位結(jié)果，則按下面公式計算：10-bitA/DConversionResult:(ADC_RES7:0,ADC_RESL1:0)=1023*Vin/Vcc當ADRJ=0時，如果取 8位結(jié)果，則按下面公式計算：8-bitA/D Conversion Result:(ADC_RES7:0)=255*Vin/Vcc當ADRJ=1時，如果取 10位結(jié)果，則按下面公式計算：10-bitA/

12、DConversionResult:( ADC_RESL1:0 ,ADC_RES7:0)=1023*Vin/Vcc當ADRJ=1時，如果取 8位結(jié)果，則按下面公式計算：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(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器及說明與STC12C5A60S2系列單片機 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1.P1 口模擬功能控制寄存器P1ASFSTC12C5A60

13、S2系列單片機的 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 P1 口中的相應(yīng)位作為 A/D 使用時，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 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(guān)閉 A/D 轉(zhuǎn)換電源；1：打開 A/D 轉(zhuǎn)換電源；-8精選文庫建議進入控模式前， 將 ADC電源關(guān)閉，即 ADC_POWER=0啟動. A/D 轉(zhuǎn)換前一定要確認 A/D 電源已打開， 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。初次打開內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換模擬電源，需適當延時，等內(nèi)部模擬電源穩(wěn)定后，再啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。建議啟動

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系列單片機的A/D 轉(zhuǎn)換模塊所使用的時鐘時內(nèi)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(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)束標志位，當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中斷，還是由軟件查詢該標志A/D 轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，當 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)換啟動控制位，設(shè)置為“1”時，開始轉(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 個空操作延時后才能正確度到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

17、設(shè)置進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精選文庫表 3.8 當 ADRJ = 0 時， 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 ADRJ = 1 時， 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(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）-11精選文庫表 3.

19、12 中斷優(yōu)先級控制寄存器低PADCH,PADC:ADC轉(zhuǎn)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(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/*-讀取 ADC結(jié)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_();_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、說明系統(tǒng)電路總原理圖-13精選文庫圖 3.5 系統(tǒng)原理圖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(yīng)鏈接管理。晶振也被稱為晶振諧振器，是一種機電設(shè)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(guān)鍵的特性-壓電效應(yīng)，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(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諧振回路，它的機電效應(yīng)是機- 電- 機- 電. 的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場- 磁場的不斷轉(zhuǎn)換。AT89S52 的反相放大器，振蕩器 , 時鐘信號可以由單片機產(chǎn)生周期性功能是機械指令驅(qū)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(gòu)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(nèi)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(diào)震蕩頻率。震蕩電路如圖5 所示。-14精選文庫圖 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精確的狀態(tài)開始運行,單片機成功復(fù)位。不論是電源故障或剛接上電源，要使用單片機就要先復(fù)位。施密特觸發(fā)器通過AT89S52單片機 RST引腳接收復(fù)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(fù)位。本設(shè)計系統(tǒng)是自動電源復(fù)位。本系統(tǒng)中采用上電電路復(fù)位， 即在單片機運行期間人工的復(fù)位 , 方便又簡單。工作按鈕接通電源，單片機便可復(fù)位，即手動復(fù)位完成。系統(tǒng)