基于单片机的智能电压表设计

基于单片机的智能电压表设计内容摘要：

/D 转换 STC89C52 单片机 液晶显示 通讯模块 根据设计要求，该智能数字式系统电压表采用 STC89S52 型单片机作为主要控制器，系统由过压保护电路，输入分压及量 程切换电路， A/D 转换电路，单片机最小系统，显示电路和其它外围电路等几个功能模块组成。 本系统原理图如图22 所示。 图 22 系统原理图 科技学院毕业设计（学士） 8 科技学院毕业设计（学士） 9 第 3 章 系统的硬件结构设计 微处理器电路的设计 微控制器的主要功能是管理系统的所有外围设备 ， 主要完成 模拟信号的的采集和处理，实现电压自动控制。 STC89C52 微处理器 STC89C52 是一种 能够自 带 4K 字节闪存可编程可 擦除 只读存储器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Only Memory）的低电压、性能 高CMOS 8 位微处理器， 通用称单片机。 STC89C52 是一种 自身拥有 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000 次。 该器件采用 美国电子公司生产的 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造， 能够 与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相 匹配实现功能。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在 一 个芯片中， ATMEL 的 STC89C52 是一种高效微控制器， STC89C52 是它的一种精简版本。 STC89C52 单片机为很 多嵌入式系统 提供了一种灵活性且 价格廉价 的方案。 其引脚图如图 所示。 科技学院毕业设计（学士） 10 图 STC89C52 管脚图 STC89C52 的引脚说明 P0 口： P0 口为一个 8 位漏 极 开路双向 I/O 口，每 个管 脚可吸收 8 个 TTL门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 “ 1” 时，被定义为高阻输入。 P0 口 能够 作为外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的 低 八位。 在 Flash 编程时，P0 口作为原码输入口，当 Flash 进行 校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4 个 TTL 门电流。 P1 口管脚写入 “ 1” 后，被内部上拉为高电平，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为 低 八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个 带 内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被上拉电阻拉高，且作为输入。 P2 口的管脚被外部 下 拉 为 低 电平时 ，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉 电阻 ，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在Flash 编程和校验时接收高八位地址信号和 有效信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部 结构 上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部 结构 下拉为低电平， P3 口将输出电流 ， 这是由于上拉的缘故。 RST：复位输入 端。 当振荡器 启动 复位 时 ，要 够使 RST 脚保持两个机器周期的时间。 ALE：当 进入 外部存储器时，地址锁存 直接于 锁存地址的 低 位字节。 在FLASH 编程期间， 该 引脚 作用是 输入编程脉冲。 在 一般情况下 ， ALE 端 口 以 一致 的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它 作用用于 作对 、报警、键盘控制等较高要求，本设计选用 AT89C52 单片机作为中心控制器外部输出的脉冲或用于 实现 定时目的。 然而 ，值得 注意的是：每当 其 用作外部 科技学院毕业设计（学士） 11数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如 不 让 ALE 的输出 ， 可 将 SFR8EH 地址置 低电平。 此时， 引脚 ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令 时 ALE 才起作用。 PSEN：外部程序 数据 存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指 令 期间，每个机器周 期 /PSEN 两次有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效 数据的 /PSEN 信号将不出现。 /EA： /EA 功能为内外程序存储器选择控制端。 当 /EA 保持低电平时， 单片机访问 外部程序存储器。 当 /EA 端保持高电平时， 单片机访问内部程序存储器。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 端。 XTAL2：来自反向振荡器的输出 端。 电源电路设计 任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略，其实有将近一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。 STC89C52单片机的 5V直流供电电路如图 ： 图 电源 电路 复位电路设计 任何微处理器均需通过可靠复位，然后才能有序地执行应用程序。 复位电路的设计要求其一要保证整个系统可靠复位，二要有一定的抗干扰能力。 在实际的监测系统中，考虑到电源稳定时间、晶振稳定时间、参数漂移和复位可靠性等因素，其设计必须留有较大的裕量。 复位电路应具有上电复位和手动复位功能。 复科技学院毕业设计（学士） 12 位脉冲的宽度至少要大于 2 个机器周期。 系统的复位电路如图 所示 [： 图 复位电路 振荡电路设计 本电路设计给单片机加了 的晶振，其晶振两端分别通过两个电容接地， XTAL XTAL2 分别接到 STC89C52 的 19 脚和 18 脚，构成单片机的振荡电路，其电路图如图 所示： 图 的振荡电路 微处理器与 MAX232 连接电路设计 STC89C52 单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。 MAX232 的第 10 脚和单片机的 11 脚连接，第 9 和单片机的 10 脚连接。 （三孔接线座的 1 脚接地 ， 2 脚接 RXD， 3 脚接 TXD）就可以直接用串口线，将开发板与计算机串口相连，使用 STC_ISP 下载软件，将写好的程序直接下载到 STC89C52 里面。 单片机与 MAX232 的电路连接原理图如图 所 示 [9]： 科技学院毕业设计（学士） 13 图 MAX232 与单片机接 口的连接电路 转换电路设计 数字电压表最终显示结果是数字信号，但输入时却是模拟量，故而需要转电路使模拟量转换成数字量。 本设计采用 A/D 转换器实现此过程。 本节将着重介绍转化器基本知识和 AD574 芯片的功能。 转换器类型 A/D 转换器（ ADC）的作用是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。 随着超大规模集成电路技术的飞跃发展，现在有很多类型的 A/D 转换器芯片，不同的芯片内部结构不一样，转换原理也不仅相同，各种转换芯片根据转换原理可分为：计数型 A/D 转换器，逐次逼近型 A/D 转换器，双重积分型 A/D 转换器，和并行式 A/D 转换器等，按转换方法可分为直接 A/D 转换器和间接 A/D转换器；按其分辨率分为 416 位转换器。 1．计数型 A/D 转换器： 计数型 A/D 转换器由 D/A 转换器，计数器和比较器组成，工作时：计数器由零开始计数，每计 1 次数后，计数器送往 D/A 转换器转换，并将生成的模拟科技学院毕业设计（学士） 14 信号与输入的模拟信号在比较器内进行比较，若小于后者，则计数值加 1， D/A转换和比较过程，直到 D/A 转换生成的模拟信号与输入模拟信号相同时，则停止计数，这时计数器中的当前值就为输入模拟量对应的数字量。 这种 A/D 转换器结构简单， 原理清楚，但转换精度与速度之间存在矛盾。 当提高速度时，精度就回有所下降，当提高精度时，速度就回有所下降。 现实中很少使用。 2．逐次逼近型 A/D 转换器： 逐次逼近型 A/D 转换器是由一个比较器， D/A 转换器，寄存器及控制电路组成。 与计数型相同，也要进行比较以得到转换的数字量，但逐次逼近型 A/D转换器使用寄存器从高位到低位依次开始逐次比较。 转换过程如下：开始时寄存器各位都为零，转换时先将高位置 1，送 D/A 转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果前者小于后者，则 1 保留，否则，不保留。 重复上述过程直到最低位，最后 寄存器内容就为输入模拟量对应的数字量。 一个 n 位逐次逼近型转换器只需要比较 n 次，转换时间取决于位数和时钟周期。 逐次逼近型 A/D 转换器转转速度快，在实际中广泛应用。 3．双重积分型 A/D 转换器： 双重积分型 A/D 转换器将输入电压先变成与其平均值成正比的时间间隔，然后再把此时间间隔转换成数字量，它属于间接型。 它的转换过程分采样和比较两个过程。 采样就是积分器对输入模拟电压进行固定时间积分，输入量越大，采样值越大。 比较就是用基准电压对积分器进行反向积分，直到值为零，由于基准电压固定，所以采样越大，反向积分时间越长， 积分时间与输入电压成正比，最后把积分时间转换成数字量，则该数字量就为输入模拟量对应的数字量。 由于转换过程进行了两次积分，所以称为双重积分型。 ，双重积分型 A/D 转换器的转换精度高，稳定性能好，抗干扰能力强，但转换速度慢。 转换器的主要性能 1．分辨率： 分变率是指 A/D 转换器能分辨的最小输入量。 通常用转换的数字量的位数来表示，如 8 位， 10 位， 12 位， 16 位等。 位数越高，分辨率越高。 2．转换时间： 转换时间是指 A/D 完成一次转换需要的时间，指从启动转换器开始到转换 科技学院毕业设计（学士） 15 结束并得到稳定数字量为止的时间。 一 般而言，转换时间越短，转换速度越快。 3．量程： 量程是指所能转换的输入电压范畴。 4．转换精度： 分为绝对转换精度和相对转换精度。 绝对精度是指实际输入的模拟量与理论上模拟量之差。 相对精度是指当满刻度值校准后，任意数字量对应的实际模拟量（中间值）与理论值之差（中间值）。 A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。 本设计采用双积 A/D 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。 在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如 电压测量有广泛的应用。 AD574 的介绍及应用 AD574A 是美国模拟数字公司（ Analog）推出的单片高速 12 位逐次比较型A/D 转换器，内置双极性电路构成的混合集。