基于ARM7的电压监测报警系统.docx
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基于ARM7的电压监测报警系统
《嵌入式系统设计导论》
课程设计
题目：
基于ARM7的电压监测报警系统
学院
班级
学号
姓名
二〇一三年四月
基于ARM7的电压监测报警系统
摘要
本系统采用LPC2138系列的ARM硬件、WS-1型电位器、液晶屏LM016L、按键、蜂鸣器、虚拟终端和上位机等组成，系统可实现在液晶屏实时显示电压的功能，并将电压数据串口通信传递给上位机，通过按键可调节阈值电压，系统除基本数字电压表功能外，还具有电压超限时声光报警等功能。
在设计中我们应用具有丰富的硬件资源的ARM7开发板。
本设计采用电位器实现对电压信号的采集，利用LPC2138内部的ADC模块将转换后的电压传送给LCD液晶显示，虚拟终端再将数据传递给上位机，同时按键可调节阈值电压，当当前电压超过阈值电压时，报警通过蜂鸣器鸣叫和LED灯亮来提示。
本文详细介绍了AD采样、与PC机的串口通信、液晶屏显示等部分，具有较强的实用性和推广性。
关键词：
LPC2138；上位机；LM016L液晶屏；电压超限报警；
一、设计目的
1.通过本课程设计，熟悉嵌入式系统开发方法和流程。
2.能结合课堂所学自主设计实现一个简单的监测报警系统。
3.进一步学会应用定时器、A/D、显示等模块功能
二、设计要求
1.能利用学过的A/D转换、定时器、按键等模块，实现温度（可用DS18B20传感器）或电压（可用滑动电阻）的检测、显示、阈值设置，以及超过阈值能声光报警。
2.将温度/电压数据通过串行通信（UART）发送到PC上位机显示，由上位机可显示实时监测数据、历史曲线，并可发送控制命令给ARM实现报警或关闭加热源/电源。
注：
上位机软件程序可用VB、VC++做界面，也可简单地通过“串口调试软件”显示。
三、系统总体方案
3.1总体方案设计
利用ARM7控制芯片、LCD液晶屏、LED、电位器、虚拟终端等分别实现；
（1）通过电位器的移动来调节应采集的电压信号的大小；
（2）通过液晶显示当前电压值和阈值及其大小关系；
（3）通过蜂鸣器和LED灯实现超限报警；
（4）虚拟终端将实时电压显示出来，并通过串口物理端口将数据传递给上位
机。
图1设计方案总体框图
系统初始化后，通过调节电位器来调节采集电压信号的大小，通过LCD上显示当前电压值和阈值，通过按键实现电压阈值设定，如果采集的电压值超过设定的阈值电压，蜂鸣器会鸣叫且LED等亮提示电压超限，起到报警的作用。
3.2ARM7LPC2138
EasyARM2131开发板是广州周立功公司设计的EasyARM系列开发套件之一，采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核、单电源供电、LQFP64封装的LPC2131，具有JTAG仿真调试、ISP编程等功能。
开发板上提供了一些键盘、LED、蜂鸣器等常用功能部件，还具有RS232接口电路、I2C存储器电路。
另外，用户也可以更换兼容的CPU进行仿真调试，如LPC2132、LPC2138、LPC2142等。
灵活的跳线组合（开发板内使用的所有I/O均可断开连接），还有用户I/O接口，极大地方便了用户进行32位ARM嵌入式系统的开发实验。
EasyARM2131实验板功能特点：
*完全自主设计的软硬件、拥有自主版权的JTAG仿真技术；
*支持ADS1.2集成开发环境及其PHILIPS所有型号ARM微控制器的仿真与开发；
*采用“主板＋CPUPACK适配器＋SD卡适配器（标准配置）＋多种可选配置适配器”
*的形式构成EasyARM2131开发套件，标准配置的CPUPACK主芯片为
LPC2131FBD；
*板上的功能部件与CPU之间，可以使用跳线器选择连接；
*全面支持9种型号的64PIN小管脚ARM7微控制器：
－LPC213x（LPC2131/2132/2134/2136/2138）
－内置USB接口的LPC214x（LPC2142/2144/2146/2148）
*多种免费商业化软件包及其详细的开发文档：
*移植μC/OS－II到ARM7软件包
四、硬件设计
4.1AD采样模块设计
左图为电压信号调节电路，如图所示，电源电压Vcc=3.3V,故测量范围为（0~3.3V），电位器RV2=1K,信号采集端接到ARM7芯片P0.27口，通过调节电位器改变采集P0.2口的电压值，送至芯片内部AIN0（AD转换器）进行A/D转换。
A/D没有独立的参考电压引脚，A/D的参考电压与供电电压连接在一起即3.3V，假定从ADDR寄存器中读取到的10位A/D转换结果为VALUE，则对应的时间电压为：
图2信号采集电路图
4.2LCD液晶屏显示设计
LCD液晶屏显示电路如图4-2所示。
该液晶可实现显示当前电压值和信号显示时间，具体控制和实现方法如下：
（1）ARM7的P1.16-P1.23口连接液晶屏的DBO-DB7，控制对液晶屏并行数据
读和写；
（2）ARM7的P1.24口连接液晶屏的RS口，控制并行的指令/数据选择信号；
（3）ARM7的P1.25口连接液晶屏的R/W口，控制并行的读写选择信号；
（4）ARM7的P1.26口连接液晶屏的EN口，控制并行的使能信号；
图3LCD液晶屏电路图
4.2.1LCD内部的11条指令
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
表1LCD内部指令表
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平左移，低电平右移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
液晶显示部分的程序可根据上表进行编写，本文中如果电压超过设定值w,则显示屏上显示当前电压且大于设定电压，否则，显示当前电压且小于设定电压，清晰的看出当前电压情况。
4.3按键调节电路
按键SWI和按键SWI1分别接到芯片的P0.26、P0.30口，当按键SWI按下时，P0.26口的变为低电压，当程序检测到IO0PIN的改变，阈值电压w=w+200；
同理，当按键SWI1按下时，阈值电压w=w-200；
同时液晶屏上会显示此时电压>阈值电压，或此时电压<阈值电压，液晶屏会同步更新阈值电压，虚拟终端和上位机也会实时显示当前电压值。
图4按键调节电路图
4.4蜂鸣器和LED报警电路
LED灯和蜂鸣器电路分别接芯片的P1.28和P1.29口，当经过AD转换的电压u超出设定的阈值电压w时，程序拉高了ARM芯片的P1.28、P1.29口，使NPN管导通，蜂鸣器开始鸣叫，LED灯亮报警，同理如果电压值低于阀值电压，NPN管截止，则蜂鸣器不鸣叫。
图5蜂鸣器电路图
4.5串口通信（UART）电路
串口通信电路如下图，串口物理端口（COMPIM）的RXD接芯片的P0.1口，TXD接芯片的P0.0口,即UART0口，电压信息可实时显示在虚拟终端上，且可通过VSPD将虚拟终端与串口调试软件连接起来，将信息显示在串口调试软件上。
图6串口通信电路
五、系统的软件设计
5.1系统主流程图
图5-1为系统主流程图，主流程图具体介绍如下:
（1）系统初始化包括对AD转换模块进行初始化、液晶屏初始化，串口通信
初始化、设定GPIO、设定电压阈值W等；
（2）ADC模块电压转换，转换之后显示当前检测到的电压并赋值给U，同时
串口通信传递给串口调试软件；
（3）检测按键1是否按下，如果按下，则阈值电压w增加200，同理，如
果按键2按下，则阈值电压减小200；
（4）将检测到的电压值U与电压阈值W进行比较，如果U>W,则蜂鸣器鸣叫
报警，否则蜂鸣器不鸣叫。
（5）循环执行
（2）~（4）。
图7系统主流程图
5.2液晶显示功能模块
图5-2为液晶显示功能模块流程图；
图8液晶显示功能模块流程图
5.2.11602LCD的一般初始化（复位）过程
延时15mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号
写指令38H：
显示模式设置
写指令08H：
显示关闭
写指令01H：
显示清屏
写指令06H：
显示光标移动设置
写指令0CH：
显示开及光标设置
5.3串口通信模块
串口通信模块的流程图如下：
图9串口通信流程图
5.3.1串口通信的基本步骤
（1）选择串口UART0；
（2）设置UART0的工作模式为：
8位字符长度，1个停止位，无奇偶校验，使能除数锁存寄存器
（3）确定除数锁存寄存器高8位和低8位的数据；
（4）串口通信还需锁相环（PLL）来实现输出信号频率对输入信号频率的跟踪，PLL主要由下面这3个寄存器来控制状态：
①PLLCON寄存器：
控制PLL是否进行连接，这个连接需要在向PLLFEED发送正确的信息（馈送序列）的时候才生效，且PLLCON必须在PLL开始连接之前就设置好，否则会造成系统不可预知的错误。
②PLLCFG寄存器：
这个寄存器是用来设置倍频系数M和分频系数N的，这两个值决定了倍频和分频的频率。
③PLLFEED:
向此寄存器以连续的VPB总线周期写入0xAA,Ox55,即馈送序列，在正确的序列被写入PLLFEED之后，PLLCON,PLLCFG才生效，PLL电路才能正确的连接到电路中。
（5）UART0查询方式发送字节数据。
5.4AD转换模块
AD转换模块的流程图如下：
图10AD转换流程图
使用ADC模块时，先要将测量通道引脚设置为AINx功能，然后通过ADCR寄存器设置ADC的工作模式、ADC转换通道、CLKDIV时钟分频值，并启动ADC转换。
可以通过查询或中断的方式等待ADC转换完毕，转换数据保存在ADDR寄存器中。
6、设计结果演示
图10系统总体仿真图
由图可看出当前电压和阈值电压，也可直接通过LED灯看出电压是否超过阈值，按键的按下能及时反映在液晶屏上阈值大小的变化。
图11虚拟终端的电压显示图
图12串口调试软件接收数据图
七、设计体会
回顾此次ARM课程设计，我感触颇多，最深刻的体会是：
事情只有做了那你才能知道是什么结果，开始觉得程序很难懂，每次编都有好多错误，很多垂头丧气的时候都想要放弃，可是最终都放下情绪坚持了下来，因为我坚信：
付出终会有收获，同时也懂得了理论与实践相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实际编程相结合起来，才能充分运用和体会所学知识。
我在设计中遇到了许多问题，同时也发现了自己的不足之处，比如：
不够耐心，部分程序思路不清等，在今后的学习中我会慢慢改正。
最后，很感激老师的指导，我会继续努力的！
附：
系统总程序
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineuint8unsignedchar
#defineuint32unsignedint
#defineuint16unsignedint
#defineFpclk11059200//晶振频率
#defineUART_BPS9600
#defineLED（1<<28）
#defineBEE（1<<29）
#defineSWI（1<<30）
#defineSWI1（1<<26）
#definers（1<<24）
#definerw（1<<25）
#defineen（1<<26）
uint32ADC_data,u,i,w;
uchar*q;charstr[20];
chardis[5];
voiddelay（unsignedinta）//延迟函数
{
while（--a!
=0）
for（i=0;i<500;i++）;
}
voidUART0_Ini（void）//初始化串口0
{
uint16Fdiv;
U0LCR=0x83;
Fdiv=（Fpclk/16）/UART_BPS;
U0DLM=Fdiv/256;
U0DLL=Fdiv%256;
U0LCR=0x03;
}
voidlcd_init（void）//液晶屏初始化
{
IO1CLR=IO1CLR|rs;
IO1CLR=IO1CLR|rw;
IO1CLR=IO1CLR|0x00ff0000;//D1~D7先清零
IO1SET=IO1SET|0x00380000;//再送数（置功能双行显示）
IO1SET=IO1SET|en;
IO1CLR=IO1CLR|en;
delay（5）;
IO1CLR=IO1CLR|rs;//全部清零
IO1CLR=IO1CLR|rw;
IO1CLR=IO1CLR|0x00ff0000;//先清零
IO1SET=IO1SET|0x00060000;//再送数（置输入模式）
IO1SET=IO1SET|en;
IO1CLR=IO1CLR|en;
delay（5）;
IO1CLR=IO1CLR|rs;//全部清零
IO1CLR=IO1CLR|rw;
IO1CLR=IO1CLR|0x00ff0000;//先清零
IO1SET=IO1SET|0x000c0000;//再送数（显示开关控制）
IO1SET=IO1SET|en;
IO1CLR=IO1CLR|en;
delay（5）;
}
voidlcd_printf（char*s,longtemp_data）//液晶屏显示
{
if（temp_data<0）{
temp_data=-temp_data;
*s='-';
}
else*s='';
*++s=temp_data/1000+0x30;
*++s=temp_data%1000/100+0x30;
temp_data=temp_data%100;//取余运算
*++s=temp_data/10+0x30;
temp_data=temp_data%10;//取余运算
*++s=temp_data+0x30;
}
voidAdd（longdat）
{dat=dat<<16;
delay（5）;
IO1CLR=IO1CLR|rs;//全部清零
IO1CLR=IO1CLR|rw;
IO1CLR=IO1CLR|0x00ff0000;//先清零
IO1SET=IO1SET|dat;//再送数（DDRAM地址设置）
IO1SET=IO1SET|en;
IO1CLR=IO1CLR|en;
}
voidWrDat（longdat）
{
dat=dat<<16;
delay（5）;
IO1SET=IO1SET|rs;
IO1CLR=IO1CLR|rw;
IO1CLR=IO1CLR|0x00ff0000;//先清零
IO1SET=IO1SET|dat;//再送数（置功能）
IO1SET=IO1SET|en;
IO1CLR=IO1CLR|en;
}
voidUART0_SendByte（uint8data）//向串口发送字节数据，并等待数据发送完毕
{
U0THR=data;
while（（U0LSR&0x40）==0）;
}
voidUART0_SendStr（uint8const*str）//向串口发送字符串
{
while
（1）
{if（*str=='\0'）break;
UART0_SendByte（*str++）;
}
}
voidadcwork（）//读取AD转换结果
{
while（ADDR&0x800000000==0）;//等待转换结束
ADC_data=ADDR;
ADC_data=（ADC_data>>6）&0x3ff;//处理转换值
u=（long）ADC_data*3300/1024;//得到实际电压
if（（IO0PIN&SWI）==0）//阈值调节
w=w+200;
if（（IO0PIN&SWI1）==0）
w=w-200;
if（u>w）//报警显示
{IO1SET=IO1SET|LED;
IO1SET=IO1SET|BEE;
Add（0x89）;
WrDat（62）;
Add（0x8a）;
WrDat（119）;}
else
{IO1CLR=IO1CLR|LED;
IO1CLR=IO1CLR|BEE;
Add（0x89）;
WrDat（60）;
Add（0x8a）;
WrDat（119）;
}
delay（100）;
Add（0x83）;
WrDat（u/1000+0x30）;
Add（0x84）;
WrDat（u%1000/100+0x30）;
Add（0x85）;
WrDat（u%1000%100/10+0x30）;
Add（0x86）;
WrDat（u%1000%100%10+0x30）;
Add（0x87）;
WrDat（109）;
Add（0x88）;
WrDat（86）;
Add（0x8b）;
WrDat（0x3d）;
Add（0x8c）;
WrDat（w/1000+0x30）;
Add（0x8d）;
WrDat（w%1000/100+0x30）;
Add（0x8e）;
WrDat（w%1000%100/10+0x30）;
Add（0x8f）;
WrDat（w%1000%100%10+0x30）;
lcd_printf（dis,u）;
}
intmain（）//主函数
{
PINSEL1=0x00000000;
PINSEL0=0x00000000;//设置所有管脚连接GPIO
PINSEL2=0x00000000;
PINSEL0|=5;//P0.0为TxD0,P0.1为RxD0
UART0_Ini（）;//串口初始化
delay（100）;
lcd_init（）;
PINSEL1=0X00400000;
IO1DIR=IO1DIR|0xffffffff;//引脚均设为输出状态
w=2800;
//----------------------------------------对于串口要加入
VPBDIV=2;
PLLCFG=
（1）|（0<<5）;
PLLCON=3;//设置激活并连接PLL
PLLFEED=0xaa;//发送PLL馈送序列，执行激活和连接动作
PLLFEED=0x55;
//----------------------------------------
while
（1）
{
PINSEL1=0x00400000;
ADCR=（1<<0）|（（Fpclk/1000000-1）<<8）|（0<<16）|（0<<17）|（1<<21）|（0<<22）|（1<<24）|（0<<27）;
delay（10）;
ADC_data=ADDR;
adcwork（）;
UART0_SendStr（"Thecurrentvoltageis"）;
UART0_SendByte（（u/1000）+'0'）;
UART0_SendByte（（u%1000/100）+'0'）;
UART0_SendByte（（u%1000%100/10）+'0'）;
UART0_SendByte（（u%1000%100%10）+'0'）;
UART0_SendStr（"mV\r\n"）;
delay（10）;
}
}
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