基于STC12C5A60S2单片机数字电压表的设计.docx

1、基于STC12C5A60S2单片机数字电压表的设计数字电压表的设计精选文库第1章 引言在电量的测量中， 电压、电流和频率是最基本的三个被测量， 其中电压量的测量最为经常。 而且随着电子技术的发展， 更是经常需要测量高精度的电压， 所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称 DVM，它是采用数字化测量技术， 把连续的模拟量转换成不连续、 离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。传统的指针式刻度电压表功能单一， 精度低，容易引起视差和视觉疲劳， 因而不能满足数字化时代的需要。 采用单片机的数字电压表， 将连续的模

2、拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示， 从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与 PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。 以数字电压表为核心， 可以扩展成各种通用数字仪表、 专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。 目前，由各种单片机和 A/D 转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。目前，数字电压表的内部核心部件是 A/D 转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度， 因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块

3、。第 2 章 系统总体方案设计选择与说明2.1 设计要求1、增强型 MCS-51系列单片机 STC12C5A60S2为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。2、采用 1 路模拟量输入，能够测量 0-10V 之间的直流电压值。3、电压显示采用 LCD1602显示。- 2精选文库4、尽量使用较少的元器件。2.2 设计思路1、根据设计要求，选择 STC12C5A60S2单片机为核心控制器件。2、 A/D 转换采用 STC12C5A60S2内部自带 A/D 实现。3、电压显示采用 LCD1602显示。2.3 设计方案硬件电路设计由 7 个部分组成： STC12C5A60S2单片机系统，数码管显示系统

4、、时钟电路、复位电路档位调节电路以及测量电压输入电路。 硬件电路设计框图如图 1 所示。STC12C5A6时钟电路 0S2P1测量电压输入入P0P2LCD1602 显示复位电路图 2.1 数字电压表系统硬件设计框图第 3 章 硬件电路设计3.1 STC12C5A60S2单片机- 3精选文库图 3.1 STC12C5A60S2单片机引脚图及实物图3.2 STC12C5A60S2系列单片机主要性能1）高速： 1个时钟 / 机器周期，增强型 8051内核，速度比普通 8051快612倍。2）宽电压： 5.53.3V ，2.23.6V(STC12LE5A60S2系列 ) 。3）增加第二复位功能脚 /P

5、4.6( 高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率12MHz时，无需此功能 ) 。4）增加外部掉电检测电路 /P4.6 ，可在掉电时，及时将数据保存进 EEPROM，正常工作时无需操作 EEPROM。5）低功耗设计：空闲模式 ( 可由任意一个中断唤醒 ) 。6）低功耗设计：掉电模式 ( 可由外部中断唤醒 ) ，可支持下降沿 / 上升沿和远程唤醒。7）支持掉电唤醒的管脚： 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)工作频率： 035MH

6、z，相当于普通 8051：0420MHz。9)时钟：外部晶体或内部 RC振荡器可选，在 ISP下载编程用户程序时设置。10)8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内 Flash 程序存储器，擦写次数10万次以上。11)1280 字节片内 RAM数据存储器。12)芯片内 EEPROM功能 , 擦写次数 10万次以上。13) ISP / IAP ，在系统可编程 / 在应用可编程，无需编程器 / 仿真器。- 4精选文库14)8通道， 10位高速 ADC，速度可达 25万次 / 秒， 2路 PWM还可当 2路D/A使用。15)2 通道捕获 / 比较单元 (PWM/PCA/CC

7、P)，也可用来再实现 2个定时器或 2个外部中断 ( 支持上升沿 / 下降沿中断 ) 。16)4个16位定时器，兼容普通 8051的定时器 T0/T1， 2路 PCA实现 2个定时器。17)可编程时钟输出功能， T0在P3.4 输出时钟， T1在P3.5 输出时钟， BRT在P1.0 输出时钟。18)硬件看门狗 (WDT)。19)高速 SPI串行通信端口。20)全双工异步串行口 (UART)，兼容普通 8051的串口。21)通用 I/O 口(36/40/44 个) ，复位后为： 准双向口 / 弱上拉 ( 普通 8051传统I/O 口 ) 。可设置成四种模式：准双向口 / 弱上拉，推挽 / 强上

8、拉，仅为输入 / 高阻，开漏。每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不得超过 120mA。3.3 STC12C5A60S2系列单片机的 A/D转换器的结构STC12C5A60S2系列单片机的 A/D转换口在 P1口（P1.7-P1.0 ）, 有8路10位高速A/D转换器，速度可达到 250KHz（25万次 / 秒）。8路电压输入型 A/D，可做温度检测、电源电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后 P1口为弱上拉型 I/O 口，用户可以通过软件设置将 8路中的任何一路设置为 A/D转换，不需作为 A/D使用的I/O 口可以继续作为 I/O 口使用。STC12C5A60S2

9、系列单片机 ADC的结构如下图所示- 5精选文库图3.2 STC12C5A60S2系列单片机 ADC的结构图3.3 当AUXR.1/ADRJ=0时， A/D转换结果寄存器格式图3.4 当AUXR.1/ADRJ=1时， A/D转换结果寄存器格式STC12C5A60S2系列单片机 ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位ADC转换寄结果存器（ ADC_RES和ADC_RESL）以及 ADC_CONTR构成。STC12C5A60S2系列单片机的 ADC是逐次比较型 ADC，逐次比较型 ADC由一个比较 D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（ MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内

10、置 D/A转换器输出比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次比逼近输入模拟量对应值。逐次比较型 A/D转换器具有速度高，功耗低等特点。从上图可以看出，通过模拟多路开关，将通过 ADC0-ADC7的模拟量输入送给比较器。用数 / 模转换器（DAC）转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果保存到逐次比较器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。A/D转换结束后，最终的转换结果保存到 ADC转换结果寄存器 ADC_RES和 ADC_RESL，- 6精选文库同时，置位 ADC控制寄存器 ADC_CONTR中的 A/D转换结束标志位 ADC_FLAG，以供程序查询或发出中断申请。模拟通

11、道的选择控制由 ADC控制寄存器 ADC_CONTR中的CHS2CHS0确定。 ADC的转换速度由 ADC控制寄存器中的 SPEED1和SPEED0确定。在使用 ADC之前，应先给 ADC上电，也就是置位 ADC控制寄存器中的 ADC_POWER位。当ADRJ=0时，如果取 10位结果，则按下面公式计算：10-bitA/D ConversionResult:(ADC_RES7:0,ADC_RESL1:0)=1023*Vin/Vcc当ADRJ=0时，如果取 8位结果，则按下面公式计算：8-bitA/D Conversion Result:(ADC_RES7:0)=255*Vin/Vcc当ADRJ

12、=1时，如果取 10位结果，则按下面公式计算：10-bitA/D ConversionResult:( ADC_RESL1:0 ,ADC_RES7:0)=1023*Vin/Vcc当ADRJ=1时，如果取 8位结果，则按下面公式计算：8-bitA/D ConversionResult:( ADC_RESL1:0 ,ADC_RES7:2)=255*Vin/Vcc式中， Vin 为模拟输入电压， Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。3.4 与 A/D 转换相关的寄存器及说明与STC12C5A60S2系列单片机 A/D转换相关的寄存器表 3.1 A/D 转换相关的寄存器- 7

13、精选文库1.P1 口模拟功能控制寄存器 P1ASFSTC12C5A60S2系列单片机的 A/D 转换通道与 P1(P1.7-P1.0) 复用，上电复位后 P1 为弱上拉型 I/O 口，用户可以通过将 8 路中的如何一路设置为 A/D 转换，不需作为 A/D 使用的 P1 口可继续作为 I/O 口使用（建议只作为输入） 。需作为A/D 使用的口需要先将 P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为“ 1”，将相应的口设置为模拟功能。 P1ASF寄存器的格式如下：P1ASF:P1口模拟功能控制寄存器（只读）表 3.2 P1ASF 寄存器当 P1 口中的相应位作为 A/D 使用时，要将 P1ASF中的相应

14、位置“ 1”表 3.3 P1ASF 寄存器设置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 控制寄存器对 ADC_CONTR寄存器进行操作， 建议直接用 MOV赋值语句，不要用“与”和“或”语句。ADC_POWER:ADC电源控制位。0：关闭 A/D 转换电源；1：打开 A/D 转换电源；- 8精选文库建议进入控模式前， 将 ADC电源关闭，即 ADC_POWER=0启动. A/D 转换前一定要确认 A/D 电源已打开， A/D 转换结束后关闭 A/D 电源可决定功耗，也可以不关闭。初次打开内部 A/D 转

15、换模拟电源，需适当延时，等内部模拟电源稳定后，再启动 A/D 转换。建议启动 A/D 转换后，在 A/D 转换结束之前，不要改变任何 I/O 口的状态，有利于高精度 A/D 转换，若能将定时器 / 串行口 / 中断系统关闭更好。SPEED1， SPEED0：模数转换速度控制位表 3.5 模数转换速度控制位设置STC12C5A60S2系列单片机的 A/D 转换模块所使用的时钟时内部（或外部石英晶体）所产生的系统时钟， 不使用时钟分频寄存器 CLK_DIV对系统分频后所产生的供给 CPU工作的时钟。（好处：这样可以让 ADC用较高频率工作，提高 A/D 的转换速度。让 CPU工作工作在较低频率，降

16、低系统功耗） 。ADC_FLAG: 模数转换结束标志位，当 A/D 转换完成后， ADC_FLAG=1，要由软件清零。不管是 A/D 转换完成后由该位申请中断，还是由软件查询该标志 A/D 转换是否结束，当 A/D 转换完成后， ADC_FLAG = 1，一定要软件清零。ADC_START:模数转换器（ ADC）转换启动控制位，设置为“ 1”时，开始转换，转换结束 后 ADC_START = 1;CHS2/CHS1/CHS0： 模拟输入通道选择- 9精选文库表 3.6 模拟输入通道选择设置 ADC_CONTR控制寄存器后， 要加 4 个空操作延时后才能正确度到 ADC_CONTR寄存器的值。原

17、因是设置 ADC_CONTR控制寄存器的语句执行后，要经过 4 个 CPU时钟的延时，其值才能够保证被设置进 ADC_CONTR控制寄存器。MOV ADC_CONTR,#DATANOPNOPNOPNOPMOV A,ADC_CONRT3、A/D 转换结果寄存器 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 转换结果，其格式如下：表 3.7 用于存放 A/D 转换结果寄存器 ADC_RES、ADC_RESL AUXR1寄存器的 ADRJ位是 A/D 转换结果寄存器的数据格式调整控制位。- 10精选文库表 3.8 当 ADRJ = 0 时，

18、 10 位 A/D 转换结果的高 8 位存放在 ADC_RES中，低 2位存放在 ADC_RESL的低 2 位中。表 3.9 当 ADRJ = 1 时， 10 位 A/D 转换结果的高 2 位存放在 ADC_RES的低 2 位中，低 8 位存放在 ADC_RESL中。4、与 A/D 中断有关的寄存器IE: 中断允许寄存器表 3.10 中断允许寄存器EA: CPU的中断开放标志， EA = 1,CPU 开放中断， EA = 0 ， CPU屏蔽所有的中断请求。EADC: A/D 转换中断允许位。EADC = 1，允许 A/D 中断；EADC = 0，屏蔽 A/D 中断。IPH: 中断优先级控制寄存

19、器高（不可位寻址）表 3.11 中断优先级控制寄存器高IP: 中断优先级控制寄存器低（可以位寻址）- 11精选文库表 3.12 中断优先级控制寄存器低PADCH,PADC:ADC转换优先级控制位。5、ADC初始化程序/*-初始化 ADC-*/void InitADC(void)P1ASF = 0x58; / 设置 P1 口为 AD口 0100 01110101 1000ADC_RES = 0; / 清除结果寄存器ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL;Delay(50); /ADC 上电并延时6、 ADC读子函数/*-发送 ADC结果到 PC-*/void Sh

20、owResult(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);- 12精选文库/*-读取 ADC结果-*/BYTE GetADCResult(BYTE ch)ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ch | ADC_START;_nop_(); / 等待 4 个 NOP_nop_();_nop_();_nop_();

21、_nop_(); / 等待 4 个 NOP_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); / 等待 4 个 NOP_nop_();_nop_();_nop_();while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG);/ 等待 ADC转换完成ADC_CONTR &= ADC_FLAG; /Close ADCreturn ADC_RES; / 返回 ADC结果3.5 系统电路设计、说明3.5.1 系统电路总原理图- 13精选文库图 3.5 系统原理图3.5.2 晶振电路简介时钟信号的振荡器提供正常工作稳定的供应链接管理。 晶振也被称为晶振谐振器，是一种机电设备， 是需要精

22、密磨削的石英晶体镀上电极焊上导线制成。 这种晶体有一个很关键的特性 - 压电效应，给它导电，产生机械振荡，反之，给它机械力，便会产生电 7 。它的形状，材质，切割方向影响到振荡的频率。根据石英晶体等效为一个谐振回路，它的机电效应是机 - 电- 机- 电. 的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场 - 磁场的不断转换。AT89S52 的反相放大器，振荡器 , 时钟信号可以由单片机产生周期性功能是机械指令驱动芯片实现。 这个放大器与石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器 , 外接石英晶体或陶瓷谐振器以及电容 C8和 C10组成并联谐振电路 , 接在放大器的反馈回路中。一个外部电容 C8

23、和 C10 的值虽然没有严格的要求 , 但会影响许多电容振荡器的频率稳定度、 振荡器、起振圈内部振荡的接法的快速及时性和温度稳定性。AT89S52芯片里面有一个反相高增益放大器， 它两头跟石英晶体及两个常用30pF 电容相连接，组成稳定的自激振荡器微调震荡频率。震荡电路如图 5 所示。- 14精选文库图 3.6 晶振电路3.5.3 复位电路系统 CPU 和其辅助部件是在一个精确的状态开始运行 , 单片机成功复位。不论是电源故障或刚接上电源，要使用单片机就要先复位。施密特触发器通过AT89S52单片机 RST引脚接收复位信号。当系统振荡稳定没发生异常情况下， 假如 RST出现一个持续 24 个振

24、荡周期的高电平 , 则系统复位。本设计系统是自动电源复位。本系统中采用上电电路复位， 即在单片机运行期间人工的复位 , 方便又简单。工作按钮接通电源，单片机便可复位，即手动复位完成。系统上电运行后，如果要复位，则动手复位即可，手动复位电路如图 6 所示。图 3.7 复位电路3.5.4 显示电路LCD1602显示 32 个字符内容，分为 2 行显示。当前面向市场上字符液晶显- 15精选文库示模块几近都是一样在 HD44780液晶芯片的控制原理上完成的。图 3.8 LCD1602 显示电路第 4 章 系统软件设计4.1 程序设计框图开始读取被测电压并计算ADC 初始化LCD1602 显示延时 40

25、0ms图 4.1 程序设计框图- 16精选文库#include #include #include 1602.h#include adc.h#include delay.h#include intrins.h#define Ratio 2.0 / 用来确定电阻比值，电阻总阻值除以承载电压的那个电阻/*-主函数-*/void main(void)float Vo=0.0;unsigned int temp_data=0;unsigned char temp16;LCD_Init();LCD_Clear();LCD_Write_String(6,0,test);while (1)temp_data=GetADCResult(0); /使用 ADC得到电压值Vo=(float)temp_data*Ratio*Vcc/255.0/100.0; / 将得 到的电压值进行处理sprintf(temp,U=%.2f V ,Vo);LCD_Write_String(0,1,temp);- 17精选文库DelayMs(200);- 18