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，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离

2、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。第2章 系统总体方案设计选择与说明2.1 设计要求

3、 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。 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、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。 时钟电路 测量电

4、压输入入LCD1602显示STC12C5A60S2 P1 P0 P2 P2 P0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 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/P4.6(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

5、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：035MHz，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

6、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。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/CCP)，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，BR

7、T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、）。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系列单片机ADC的结构如下图所示图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_R

9、ESL）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AD

10、C转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，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 Conversion Result:(ADC_RES7:0,ADC_RESL1:0)=1023*Vin/Vcc当ADRJ=0

11、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=1时，如果取10位结果，则按下面公式计算：10-bitA/D Conversion Result:( 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 Conversion Result:( 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。

12、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1.P1口模拟功能控制寄存器P1ASF STC12C5A60S2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

13、存器当P1口中的相应位作为A/D使用时，要将P1ASF中的相应位置“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； 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

14、转换模拟电源，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，降低系统功耗）。ADC_FLAG: 模数转换结束

15、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

16、进ADC_CONTR控制寄存器。 MOV ADC_CONTR,#DATA NOP NOP NOP NOP MOV 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。表3.8 当ADRJ = 0 时，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

17、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） 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/*-

18、初始化ADC-*/void InitADC(void) P1ASF = 0x58; /设置P1口为AD口 0100 0111 0101 1000 ADC_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 ShowResult(BYTE ch) float value; change_long_data_to_array(disadch,2,ch); value=GetADCResult(ch); value=value/255*4.8;

19、 change_data_to_array(disadcval,5,1,value);/*-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_(); _nop_(); /等待4个NOP _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /等待4个NOP _nop_(); _nop_(); _nop_(); while (!(ADC_CONTR & ADC_FLA

20、G);/等待ADC转换完成 ADC_CONTR &= ADC_FLAG; /Close ADC return 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 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

21、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。图3.6晶振电路3.5.3 复位电路系

22、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示模

23、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ADC初始化延时400ms读取被测电压并计算LCD1602显示1602显示开始 图4.1程序设计框图#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); DelayMs(200);