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智能仪器论文
深圳大学考试答题纸
（以论文、报告等形式考核专用）
二○一四～二○一五学年度第二学期
课程编号
1701700001
课程名称
智能仪器与测控系统
主讲教师
评分
学号
姓名
专业年级
测控技术与仪器大三
教师评语：
题目：
可自动换挡的直流数字电压表设计
1系统需求分析
1．1考虑的内容
v51单片机使用何种方式将模拟电压转换成数字电压；
v51单片机如何控制进行相应的档位切换；
v51单片机如何显示对应的采集值；
v需要设计合适的单片机软件。
1．2涉及的知识
Ø数字电压表的实现原理；
Ø运算放大器LM324的应用原理；
ØA/D芯片AD0809的应用原理；
ØLCD1602液晶显示器的应用原理。
1.3软件需求
●编程软件：
KeilvUsion
●仿真软件：
protues
1.4硬件需求
✓组成51单片机最小系统的元器件
✓万能板
✓AT89C52
✓LM324放大器
✓AD0809
✓LCD1602
✓杜邦线若干
✓电阻器若干
2系统总体设计
2.1主要实现内容
运用所学单片机、模拟和数字电路、以及测控系统原理与设计等方面的知识，设计出一台以AT89C52为核心的直流数字电压表，完成电压信号的采集、处理、显示（数码管或者LCD）及键盘接口电路等部分的软、硬件设计，要求采用ADC0809或PCF8591实现A/D转换，1、测量范围：
0-20V直流电压，设置三个量程：
0-200mV，200mV-2V，2V-20V，实现自动换档。
●b．测量精度：
20mV。
●c．测量误差允许范围：
<=1%。
●d．显示：
用四位七段数码管显示电压读数或用LCD1602显示
2.2电压表的总体工作流程
初始化单片机系统
判断当前的
待测电压值
切换到0-0.2V量程切换到0.2-2V量程切换到2-20V量程
测量电压
3系统的硬件设计
3．1模块分析
通过对数字电压表的功能分析，我们可以将其分为输入模块、模数转化模块、单片机控制模块以及显示模块四部分。
输入模块是由两个放大器LM324形成的3个输出接到模数转换模块的ADC0809的IN1、IN2、IN4上，这时候输入的是模拟信号，经过ADC转换器进行采样保持等操作，在ADC0809的8个输出口out0~out7输出了相应的数字信号，并从51单片机的P1口传入单片机的内部供单片机进行下一步处理。
另外，ADC转换器上的一些控制端口也接到了单片机上，使单片机实现对模数转换的控制操作。
从单片机P1口进来的数据，会从单片机的P0口传送到显示模块LCD1602的数据输入口上，通过上拉电阻的驱动，液晶屏显示器上就能显示出相应的电压测量值了。
实物图：
显示模块
模数转换模块
输入模块
单片机控制模块
完整的硬件连接图：
3．2关于AT89C52
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标的C51内核，在内部功能以及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能
引脚图：
3.3关于LCD1602
字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚定义如下表所示：
HD44780内置了DDRAM、CGROM和CGRAM。
DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。
共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表：
DDRAM地址与显示位置的对应关系
（事实上我们往DDRAM里的00H地址处送一个数据，譬如0x31（数字1的代码）并不能显示1出来。
这是一个令初学者很容易出错的地方，原因就是如果你要想在DDRAM的00H地址处显示数据，则必须将00H加上80H，即80H，若要在DDRAM的01H处显示数据，则必须将01H加上80H即81H。
依次类推。
大家看一下控制指令的的8条：
DDRAM地址的设定，即可以明白是怎么样的一回事了）
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下表所示，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”
上表中的字符代码与我们PC中的字符代码是基本一致的。
因此我们在向DDRAM写C51字符代码程序时甚至可以直接用P1＝'A'这样的方法。
PC在编译时就把“A”先转为41H代码了。
字符代码0x00～0x0F为用户自定义的字符图形RAM（对于5X8点阵的字符，可以存放8组，5X10点阵的字符，存放4组），就是CGRAM了。
后面我会详细说的。
0x20～0x7F为标准的ASCII码，0xA0～0xFF为日文字符和希腊文字符，其余字符码（0x10～0x1F0x80～0x9F）没有定义。
那么如何对DDRAM的内容和地址进行具体操作呢，下面先说说HD44780的指令集及其设置说明，请浏览该指令集，并找出对DDRAM的内容和地址进行操作的指令。
共11条指令：
1.清屏指令
功能：
<1>清除液晶显示器，即将DDRAM的内容全部填入"空白"的ASCII码20H;
<2>光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方;
<3>将地址计数器（AC）的值设为0。
2.光标归位指令
功能：
<1>把光标撤回到显示器的左上方;
<2>把地址计数器（AC）的值设置为0;
<3>保持DDRAM的内容不变
3.进入模式设置指令
功能：
设定每次定入1位数据后光标的移位方向，并且设定每次写入的一个字符是否移动。
参数设定的情况如下所示：
位名 设置
I/D 0=写入新数据后光标左移 1=写入新数据后光标右移
S 0=写入新数据后显示屏不移动1=写入新数据后显示屏整体右移1个字
4.显示开关控制指令
功能：
控制显示器开/关、光标显示/关闭以及光标是否闪烁。
参数设定的情况如下：
位名 设置
D 0=显示功能关 1=显示功能开
C 0=无光标 1=有光标
B 0=光标闪烁 1=光标不闪烁
5.设定显示屏或光标移动方向指令
功能：
使光标移位或使整个显示屏幕移位。
参数设定的情况如下：
S/C R/L 设定情况
0 0 光标左移1格，且AC值减1
0 1 光标右移1格，且AC值加1
1 0 显示器上字符全部左移一格，但光标不动
1 1 显示器上字符全部右移一格，但光标不动
6.功能设定指令
功能：
设定数据总线位数、显示的行数及字型。
参数设定的情况如下：
位名 设置
DL 0=数据总线为4位1=数据总线为8位
N 0=显示1行1=显示2行
F 0=5×7点阵/每字符 1=5×10点阵/每字符
7.设定CGRAM地址指令
功能：
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
8.设定DDRAM地址指令
功能：
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
（注意这里我们送地址的时候应该是0x80+Address，这也是前面说到写地址命令的时候要加上0x80的原因）
9.读取忙信号或AC地址指令
功能：
<1>读取忙碌信号BF的内容，BF=1表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令;
当BF=0时，液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令;
<2>读取地址计数器（AC）的内容。
10.数据写入DDRAM或CGRAM指令一览
功能：
<1>将字符码写入DDRAM，以使液晶显示屏显示出相对应的字符;
<2>将使用者自己设计的图形存入CGRAM。
11.从CGRAM或DDRAM读出数据的指令一览
功能：
读取DDRAM或CGRAM中的内容。
基本操作时序：
读状态 输入：
RS=L，RW=H，E=H
输出：
DB0～DB7=状态字
写指令 输入：
RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=指令码
输出：
无
读数据 输入：
RS=H，RW=H，E=H
输出：
DB0～DB7=数据
写数据 输入：
RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=数据
输出：
无
3.4关于LM324
LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
LM324的组成和引脚说明如下
3.5关于ADC0809
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
目前仅在单片机初学应用设计中较为常见。
引脚功能说明：
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。
START：
A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC：
A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入端，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHz。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一+5V。
GND：
地。
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。
4系统的软件设计
4．1Protues仿真图设计
仿真图涉及的元器件如下：
器件名称
库
子库
说明
AT89C52
MicroprocessorICs
8051Family
51单片机
RES
Resistors
Generic
通用电阻
CAP
Capacitors
Generic
电容
CAP-ELEC
Capacitors
Generic
极性电容
CRYSTAL
Miscellaneous
-
晶振器
LM016L
Optoelectronics
AlphanumericLCDs
LCD1602
LM324
Operational
PrimitiveSources
运算放大器
ADC0808
DataConverters
AmplifiersQuad
A/D转换器
RESPACK-8
Resistors
ResistorPacks
8位电阻排
1）显示器部分
2）模数转换部分
3）电压输入部分
4）单片机控制部分
5）完整的仿真图
4．2KeilvUsion程序编写与HEX文件生成
步骤1：
新建一个工程，选择Atmel里的AT89C52设备作为数据基础。
点击ok后会生成51单片机的头文件
步骤2：
把写好的程序生成.c的文件并添加到SourceGroupone里面去，然后就可以进行编译。
步骤3：
在编译无错误的情况下就可以通过设置输出口，让程序生成.hex的文件。
步骤4：
设置完之后点击Rebuildtaget就可以生成.hex文件了，可以根据你选择的路径查看是否生成了该文件。
5调试过程及结果分析
5．1软件调试过程
将由Keil生成的.hex文件读取到51单片机里面，仿真图就能运行了。
（1）初始化程序
（2）0~0.2V电压仿真测量
（3）0.2~2V电压仿真测
（4）2~20V电压仿真
5．2硬件调试过程
由于电路焊得不好，实验并未能通过硬件调试！
5.3结果分析
从仿真的结果来看，实验已经达到设计的要求了的，一方面电路实现了0-20V电压的测量，另一方面也实现了量程的自动转换，并且在测小电压的时候能达到很高的精度。
通过修改程序或测量值改变输入口还可以设置更多的量程。
6参考文献
1.51单片机应用开发25例：
基于Protues仿真/张新。
陈跃琴编著.-北京：
电子工业出版社，2013.10
2.王书士.朱宇川基于AT89C2051的直流数字电压表设计[期刊论文]-信息通信2013
（2）
3.高皑琼单片机控制的简易直流数字电压表[期刊论文]-消费电子2012（11）
4.智能仪表原理与设计/凌志浩，王华忠，叶西宁编著.-北京：
人民邮电出版社，2013.7
5.单片机实用系统设计与仿真经典实例/周润景，刘晓霞编著.-北京：
电子工业出版社，2014.1
6.基于Protues的单片机课程的基础实验与课程设计/张毅刚主编.-北京：
人民邮电出版社，2012.4
7.PROTUES入门实用教程/周润景，蔡雨恬编著.-2版.-北京：
机械工业出版社，2011.10
7附录及元器件清单
附录一程序
#include
#defineLEDDATAP0
#definev20_on{s3=0;s2=0;s1=1;}
#definev2_on{s3=0;s2=1;s1=0;}
#definev02_on{s3=1;s2=0;s1=0;}
unsignedcharcodedispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x6d,0x66,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
unsignedchardispbuf[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};
unsignedchargetdata;
unsignedlongtemp;
unsignedchari,k,l,m;
unsignedcharcodemytable0[]="WELCOMETOUSE";
unsignedcharcodemytable1[]="AUTOVOLTMETER!
";
unsignedcharcodeline0[]="Voltmeter";
unsignedcharcodeline1[]="Value:
V";
sbitlcdrs=P2^0;
sbitlcden=P2^1;
sbits3=P3^7;
sbits2=P3^6;
sbits1=P3^5;
sbitOE=P3^0;
sbitEOC=P3^1;
sbitST=P3^2;
sbitCLK=P2^2;
voidInit_Timer0（void）//定时器0
{
TMOD=0x10;
TH1=（65536-200）/256;
TL1=（65536-200）%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
CLK=1;
}
voiddelay（unsignedintz）//延时函数
{
unsignedintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
voidwrite_com（unsignedcharc）//lcd写命令函数
{
lcdrs=0;//输入指令
lcden=0;
LEDDATA=c;
delay（5）;
lcden=1;//读取信息
delay（5）;
lcden=0;//下降沿执行指令
}
voidwrite_data（unsignedchard）//lcd写数据函数
{
lcdrs=1;//输入数据
LEDDATA=d;
delay（5）;
lcden=1;//读取信息
delay（5）;
lcden=0;//下降沿执行指令
}
voidinitialize（）//初始化
{
unsignedcharnum;
lcden=0;
write_com（0x38）;//8位数据，双列。
5*7字型
write_com（0x0c）;//开启显示屏，关闭光标，光标不闪烁
write_com（0x06）;//显示地址递增，写入一个数据后右移
write_com（0x01）;//清屏
write_com（0x80+0x10）;
for（num=0;num<17;num++）
{
write_data（mytable0[num]）;//d=mytable0[num]，调用写入数据函数
delay（10）;
}
write_com（0x80+0x50）;
for（num=0;num<15;num++）
{
write_data（mytable1[num]）;
delay（10）;
}
for（num=0;num<16;num++）
{
write_com（0x1c）;
delay（300）;
}
delay（1000）;
write_com（0x01）;//清屏
write_com（0x80）;//第一行
for（num=0;num<14;num++）
{
write_data（line0[num]）;
delay（10）;
}
write_com（0x80+0x40）;//第二行
for（num=0;num<15;num++）
{
write_data（line1[num]）;
delay（10）;
}
}
voidvalue（unsignedcharadd,unsignedchardat）//电压值计算函数
{
write_com（0x80+0x47+add）;
if（l==3&&add==2||l!
=3&&add==1）
{
write_data（0x2e）;
}
else
{
write_data（0x30+dat）;
}
}
main（）
{
initialize（）;
Init_Timer0（）;
while
（1）
_20v:
{
v20_on;//100，测0-20v的电压
ST=0;
ST=1;
ST=0;
while（EOC==0）;//EOCP3.1
OE=1;
getdata=P1;
OE=0;
if（getdata<20）//电压值被放大了10倍
{
goto_2v;
}
l=3;
temp=getdata;
temp=（temp*1000/51）/2;
gotodisp;
_2v:
v2_on;
ST=0;
ST=1;
ST=0;
while（EOC==0）;
OE=1;
getdata=P1;
OE=0;
if（getdata>204）//电压值被放大了100倍
{
goto_20v;
}
if（getdata<21）
{
goto_02v;
}
l=2;
temp=getdata;
temp=（temp*1000
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