基于單片機的智能電壓表設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 /D 轉換 STC89C52 單片機 液晶顯示 通訊模塊 根據設計要求，該智能數字式系統(tǒng)電壓表采用 STC89S52 型單片機作為主要控制器，系統(tǒng)由過壓保護電路，輸入分壓及量 程切換電路， A/D 轉換電路，單片機最小系統(tǒng)，顯示電路和其它外圍電路等幾個功能模塊組成。本系統(tǒng)原理圖如圖22 所示。 圖 22 系統(tǒng)原理圖 科技學院畢業(yè)設計（學士） 8 科技學院畢業(yè)設計（學士） 9 第 3 章 系統(tǒng)的硬件結構設計 微處理器電路的設計 微控制器的主要功能是管理系統(tǒng)的所有外圍設備 ， 主要完成 模擬信號的的采集和處理，實現電壓自動控制 。 STC89C52 微處理器 STC89C52 是一種 能夠自 帶 4K 字節(jié)閃存可編程可 擦除 只讀存儲器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Only Memory）的低電壓、性能 高CMOS 8 位微處理器， 通用稱單片機 。 STC89C52 是一種 自身擁有 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000 次。該器件采用 美國電子公司生產的 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造， 能夠 與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相 匹配實現功能 。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在 一 個芯片中， ATMEL 的 STC89C52 是一種高效微控制器， STC89C52 是它的一種精簡版本。 STC89C52 單片機為很 多嵌入式系統(tǒng) 提供了一種靈活性且 價格廉價 的方案。 其引腳圖如圖 所示。 科技學院畢業(yè)設計（學士） 10 圖 STC89C52 管腳圖 STC89C52 的引腳說明 P0 口： P0 口為一個 8 位漏 極 開路雙向 I/O 口，每 個管 腳可吸收 8 個 TTL門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 “ 1” 時，被定義為高阻輸入。 P0 口 能夠 作為外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的 低 八位。在 Flash 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 Flash 進行 校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4 個 TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 “ 1” 后，被內部上拉為高電平，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為 低 八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個 帶 內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被上拉電阻拉高，且作為輸入。 P2 口的管腳被外部 下 拉 為 低 電平時 ，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內部上拉 電阻 ，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2 口在Flash 編程和校驗時接收高八位地址信號和 有效信號 。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL 門電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內部 結構 上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部 結構 下拉為低電平， P3 口將輸出電流 ， 這是由于上拉的緣故 。 RST：復位輸入 端 。當振蕩器 啟動 復位 時 ，要 夠使 RST 腳保持兩個機器周期的時間。 ALE：當 進入 外部存儲器時，地址鎖存 直接于 鎖存地址的 低 位字節(jié)。在FLASH 編程期間， 該 引腳 作用是 輸入編程脈沖。在 一般情況下 ， ALE 端 口 以 一致 的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它 作用用于 作對 、報警、鍵盤控制等較高要求，本設計選用 AT89C52 單片機作為中心控制器外部輸出的脈沖或用于 實現 定時目的。然而 ，值得 注意的是：每當 其 用作外部 科技學院畢業(yè)設計（學士） 11數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如 不 讓 ALE 的輸出 ， 可 將 SFR8EH 地址置 低電平 。此時， 引腳 ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令 時 ALE 才起作用。 PSEN：外部程序 數據 存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指 令 期間，每個機器周 期 /PSEN 兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效 數據的 /PSEN 信號將不出現。 /EA： /EA 功能為內外程序存儲器選擇控制端。 當 /EA 保持低電平時， 單片機訪問 外部程序存儲器。 當 /EA 端保持高電平時， 單片機訪問內部程序存儲器 。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入 端 。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出 端 。 電源電路設計 任何電路都離不開電源部分，單片機系統(tǒng)也不例外，而且我們應該高度重視電源部分，不能因為電源部分電路比較簡單而有所忽略，其實有將近一半的故障或制作失敗都和電源有關，電源部分做好才能保證電路的正常工作。 STC89C52單片機的 5V直流供電電路如圖 ： 圖 電源 電路 復位電路設計 任何微處理器均需通過可靠復位，然后才能有序地執(zhí)行應用程序。復位電路的設計要求其一要保證整個系統(tǒng)可靠復位，二要有一定的抗干擾能力。在實際的監(jiān)測系統(tǒng)中，考慮到電源穩(wěn)定時間、晶振穩(wěn)定時間、參數漂移和復位可靠性等因素，其設計必須留有較大的裕量。復位電路應具有上電復位和手動復位功能。復科技學院畢業(yè)設計（學士） 12 位脈沖的寬度至少要大于 2 個機器周期。系統(tǒng)的復位電路如圖 所示 [： 圖 復位電路 振蕩電路設計 本電路設計給單片機加了 的晶振，其晶振兩端分別通過兩個電容接地， XTAL XTAL2 分別接到 STC89C52 的 19 腳和 18 腳，構成單片機的振蕩電路，其電路圖如圖 所示： 圖 的振蕩電路 微處理器與 MAX232 連接電路設計 STC89C52 單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。 MAX232 的第 10 腳和單片機的 11 腳連接，第 9 和單片機的 10 腳連接。（三孔接線座的 1 腳接地 ， 2 腳接 RXD， 3 腳接 TXD）就可以直接用串口線，將開發(fā)板與計算機串口相連，使用 STC_ISP 下載軟件，將寫好的程序直接下載到 STC89C52 里面。單片機與 MAX232 的電路連接原理圖如圖 所 示 [9]： 科技學院畢業(yè)設計（學士） 13 圖 MAX232 與單片機接 口的連接電路 轉換電路設計 數字電壓表最終顯示結果是數字信號，但輸入時卻是模擬量，故而需要轉電路使模擬量轉換成數字量。本設計采用 A/D 轉換器實現此過程。本節(jié)將著重介紹轉化器基本知識和 AD574 芯片的功能。 轉換器類型 A/D 轉換器（ ADC）的作用是把模擬量轉換成數字量，以便于計算機進行處理。隨著超大規(guī)模集成電路技術的飛躍發(fā)展，現在有很多類型的 A/D 轉換器芯片，不同的芯片內部結構不一樣，轉換原理也不僅相同，各種轉換芯片根據轉換原理可分為：計數型 A/D 轉換器，逐次逼近型 A/D 轉換器，雙重積分型 A/D 轉換器，和并行式 A/D 轉換器等，按轉換方法可分為直接 A/D 轉換器和間接 A/D轉換器；按其分辨率分為 416 位轉換器。 1．計數型 A/D 轉換器： 計數型 A/D 轉換器由 D/A 轉換器，計數器和比較器組成，工作時：計數器由零開始計數，每計 1 次數后，計數器送往 D/A 轉換器轉換，并將生成的模擬科技學院畢業(yè)設計（學士） 14 信號與輸入的模擬信號在比較器內進行比較，若小于后者，則計數值加 1， D/A轉換和比較過程，直到 D/A 轉換生成的模擬信號與輸入模擬信號相同時，則停止計數，這時計數器中的當前值就為輸入模擬量對應的數字量。這種 A/D 轉換器結構簡單， 原理清楚，但轉換精度與速度之間存在矛盾。當提高速度時，精度就回有所下降，當提高精度時，速度就回有所下降?，F實中很少使用。 2．逐次逼近型 A/D 轉換器： 逐次逼近型 A/D 轉換器是由一個比較器， D/A 轉換器，寄存器及控制電路組成。與計數型相同，也要進行比較以得到轉換的數字量，但逐次逼近型 A/D轉換器使用寄存器從高位到低位依次開始逐次比較。轉換過程如下：開始時寄存器各位都為零，轉換時先將高位置 1，送 D/A 轉換器轉換，轉換結果與輸入的模擬量比較，如果前者小于后者，則 1 保留，否則，不保留。重復上述過程直到最低位，最后 寄存器內容就為輸入模擬量對應的數字量。一個 n 位逐次逼近型轉換器只需要比較 n 次，轉換時間取決于位數和時鐘周期。逐次逼近型 A/D 轉換器轉轉速度快，在實際中廣泛應用。 3．雙重積分型 A/D 轉換器： 雙重積分型 A/D 轉換器將輸入電壓先變成與其平均值成正比的時間間隔，然后再把此時間間隔轉換成數字量，它屬于間接型。它的轉換過程分采樣和比較兩個過程。采樣就是積分器對輸入模擬電壓進行固定時間積分，輸入量越大，采樣值越大。比較就是用基準電壓對積分器進行反向積分，直到值為零，由于基準電壓固定，所以采樣越大，反向積分時間越長， 積分時間與輸入電壓成正比，最后把積分時間轉換成數字量，則該數字量就為輸入模擬量對應的數字量。由于轉換過程進行了兩次積分，所以稱為雙重積分型。，雙重積分型 A/D 轉換器的轉換精度高，穩(wěn)定性能好，抗干擾能力強，但轉換速度慢。 轉換器的主要性能 1．分辨率： 分變率是指 A/D 轉換器能分辨的最小輸入量。通常用轉換的數字量的位數來表示，如 8 位， 10 位， 12 位， 16 位等。位數越高，分辨率越高。 2．轉換時間： 轉換時間是指 A/D 完成一次轉換需要的時間，指從啟動轉換器開始到轉換 科技學院畢業(yè)設計（學士） 15 結束并得到穩(wěn)定數字量為止的時間。一 般而言，轉換時間越短，轉換速度越快。 3．量程： 量程是指所能轉換的輸入電壓范疇。 4．轉換精度： 分為絕對轉換精度和相對轉換精度。絕對精度是指實際輸入的模擬量與理論上模擬量之差。相對精度是指當滿刻度值校準后，任意數字量對應的實際模擬量（中間值）與理論值之差（中間值）。 A/D 轉換器的轉換精度對測量電路極其重要，它的參數關系到測量電路性能。本設計采用雙積 A/D 轉換器，它的性能比較穩(wěn)定，轉換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結構簡單，其缺點是工作速度較低。在對轉換精度要求較高，而對轉換速度要求不高的場合如 電壓測量有廣泛的應用。 AD574 的介紹及應用 AD574A 是美國模擬數字公司（ Analog）推出的單片高速 12 位逐次比較型A/D 轉換器，內置雙極性電路構成的混合集