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

1、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(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)，

2、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)STC12C5A60

3、S2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。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。 時(shí)鐘電路 測(cè)量電壓輸入入LCD1602顯示STC12C5A60S2 P1

4、 P0 P2 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)3.1 STC12C5A60S2單片機(jī) 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)，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EEPR

5、OM。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F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)10萬(wàn)次以上。11

6、) 1280字節(jié)片RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。12) 芯片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)

7、 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

8、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)如下圖所示圖3.2 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。STC12C5A60S

9、2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，同時(shí)，置位

10、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CHS2CHS0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/D Conversion Result:(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 Co

11、nversion 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/D Conversion Result:( 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/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(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STC12C5A6

12、0S2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1.P1口模擬功能控制寄存器P1ASFSTC12C5A60S2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

13、置“1”表3.3 P1ASF寄存器設(shè)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(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；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)部A/D轉(zhuǎn)換模擬電源，需適當(dāng)延時(shí)，等部模擬電源穩(wěn)定后，再啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。建議啟動(dòng)

14、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，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)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_FLAG=1，要由軟件清零。不管是A/D轉(zhuǎn)換

15、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)，其值才能夠保證被設(shè)置進(jìn)ADC_CONTR控制寄存器。MOV ADC_CONTR,#DATANOPNOPN

16、OPNOPMOV 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。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

17、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）表3.12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 0100

18、0111 0101 1000 ADC_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); value=GetADCResult(ch); value=value/255*4.8; change_data_to_array(disadcval,5,1,value);/*-讀取ADC結(jié)果-*/BY

19、TE 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_(); _nop_(); _nop_(); while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG);/等待ADC轉(zhuǎn)換完成 ADC_CONTR &= ADC_FLAG; /Close ADC retu

20、rn ADC_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)定的供應(yīng)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

21、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)上電運(yùn)行后，如果要復(fù)位，則動(dòng)手復(fù)位即可，手動(dòng)復(fù)位