【正文】 表，可以完成儲(chǔ)存、計(jì)算、比較、控制等多項(xiàng)功能。但是數(shù)字電壓表并不能完全取代指針式的電壓表，在反映電壓的連續(xù)變化 和變化趨勢(shì)方面不如指針表的直觀。 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)是 生產(chǎn) 許 多數(shù)字化儀表 產(chǎn)品 的核心與基礎(chǔ)。但是傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)通常以大規(guī)模 ASIC(專(zhuān)用集成電路 )為核心器件，并輔以少量中規(guī)模集成電路及顯示器件構(gòu)成，可是這種設(shè)計(jì) 方法靈活性差，系統(tǒng)功能固定，難以更新擴(kuò)展，不能滿足日益發(fā)展的電子工業(yè)要求。 由此看來(lái)，設(shè)計(jì)這 種以單片機(jī)為基礎(chǔ) ， 具有自動(dòng)選檔功能、 靈活性好 、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全 可靠的數(shù)字 式 電壓表 將 是很有意義的。 2. 保持測(cè)量精度小數(shù)點(diǎn)后三位 。 4. 用 TLC1549 實(shí)現(xiàn)數(shù)字 量的轉(zhuǎn)換 。 第 設(shè)計(jì) 方案 的 論證 單片機(jī) 控制系統(tǒng) 的 論證 現(xiàn)代 數(shù)字電壓表 的設(shè)計(jì) 多 采用單片 機(jī) 來(lái)作為 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的中央處理器。 目前 的 單片機(jī)種類(lèi)繁多，有 8位機(jī)的 Intel MCS51 系列， PIC 系列等， 而 16位單片機(jī)有 Intel MCS96 系列等。 由 STC 公司推出的 C5 C52 兩個(gè)系列單片機(jī)功能強(qiáng)大 ，在多種電子儀表設(shè)計(jì)中廣泛得到應(yīng)用 。它內(nèi)部集成了8k 的 flash 程序存儲(chǔ)器，這種 flash 存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次之多， 使程序調(diào)試非常方便。從 軟硬件 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的 各 方面考慮，選用 STC89C52 單片機(jī)作為 電壓表 系統(tǒng)的中央處理器，完全能夠滿足 整個(gè) 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 需要。按轉(zhuǎn)換位數(shù)分有 8 位， 10 位， 12 位， 16位 。 積分型 AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間 (脈沖寬度信號(hào) )或頻率 (脈沖頻率 )，然后由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。 逐次比較型 AD是 由一個(gè)比較器和 DA轉(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成，從 MSB開(kāi)始，順序地對(duì)每一位將輸入電壓與內(nèi)置 DA 轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng) n 次比較而輸出數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辨率（ 12 位）時(shí)價(jià)格便宜，但高精度（ 12 位）時(shí)價(jià)格很高。由于轉(zhuǎn) 換速率極高， n 位的轉(zhuǎn)換需要 2n1 個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻 AD 轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn) AD 轉(zhuǎn)換的叫做分級(jí)（ Multistep/Subrangling）型 AD，而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱(chēng)為流水線（ Pipelined）型 AD，現(xiàn)代的分級(jí)型 AD 中還加入了對(duì)多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。 從設(shè)計(jì) 指標(biāo)來(lái)看 ， 通過(guò)比較壓頻變換型、電容陣列逐次比較型、Σ Δ型等集中典型 AD 轉(zhuǎn)換器，來(lái)論證我們從 轉(zhuǎn)換精度 的角度出發(fā) 應(yīng) 采用 電容逐次比較型 的轉(zhuǎn)換器。1 LSB( mV) ，因此可廣泛應(yīng)用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路 中 。在國(guó)際上已經(jīng)規(guī)范化， 但 無(wú)論顯示屏規(guī)格如何變化，其電特性和接口形式都是統(tǒng)一的。和數(shù)碼管相比，字符型液晶顯示模塊的使用更加靈活，顯示程序比較通用，可移植性強(qiáng)，讀數(shù)視覺(jué)效果好，顯示字符類(lèi)型也多種多樣，例如，在電壓超過(guò)量程時(shí)，字符型液晶顯示模塊可以輕松的顯示“ Over” ,而數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻比較麻煩。 LCD1602晶顯示屏是以若干個(gè) 5 7/8 或 5 10/11 點(diǎn)陣塊組成的顯示字符群，每個(gè)點(diǎn)陣塊為一個(gè)字符位，字符間距和行距都為一個(gè)點(diǎn)的寬度。 具有字符發(fā)生器 ROM，可顯示 192 種字符， 160 個(gè) 5 7 點(diǎn)陣字符和 32 個(gè) 5 10 點(diǎn)陣字符。具有 80個(gè) 字節(jié)的 RAM。模塊結(jié)構(gòu)緊湊輕巧裝配容易。 綜上所述，選用 LCD1602 顯 示模塊可以 完全 滿足數(shù)字電壓表的數(shù)顯 需求 。單片機(jī)通過(guò)軟件控制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行信號(hào)的 篩選及運(yùn)算，完成選檔過(guò)程， 數(shù)據(jù)從 P2 口輸出，送入顯示電路顯示。 第 小結(jié) 在 電壓表系統(tǒng)中 ,硬件 電路設(shè)計(jì)和軟件 程序的 設(shè)計(jì)中都采用了分模塊設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法 能 清晰的 顯示出 電路的功能 與結(jié)構(gòu) ，為設(shè)計(jì) 的過(guò)程和以后的調(diào)試 維修 提供 了 很大的方便。 而軟件的設(shè)計(jì) 相關(guān) 將在第三章介紹。二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)、A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì) 相應(yīng) 的接口電路。按系統(tǒng)功能需求，需要配 置工作電源 、 LCD顯示等。為 整個(gè)系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。在本系統(tǒng)中選用有 32 個(gè) I/O 口線的STC89C52，當(dāng)前設(shè)計(jì)中分別選用了其中的 24 個(gè) I/O 口線，留有 8 個(gè) I/O 口為以后系統(tǒng)擴(kuò)展留有空間。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì) 相互影響，為了使整個(gè)系統(tǒng)整合統(tǒng)一，需要考慮到 ：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。因此，選用軟件方案時(shí)要考慮這些因素。如在本系統(tǒng)中，選擇CMOS 芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。 5．可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中尤其注意的地方 ，它包括芯片、器件選擇、印刷電路板布線等。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī) 是整個(gè) 數(shù)字電壓 表 系統(tǒng)的核心。 STC89C52 的 命令與MCS51 系列產(chǎn)品完全兼容 且 具有以下的一些特點(diǎn) ： 1． 8K的 FLASH 存儲(chǔ)器。 2． 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 。 4． 全靜態(tài)操作： 0Hz33MHz。 6． 3個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 8． 低功耗空閑 和掉電兩種節(jié)電模式。 。 。 使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器 技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容 。 在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash， 使 得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、 有 效的解決方案 。 AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬 件復(fù)位為至。作為輸出口 ， 每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)TTL 邏輯電平。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在 flash 編程時(shí)， P0 口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。 P1 口： P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè) TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口接收低 8 位地址字節(jié)。對(duì) P2 端口寫(xiě) “1” 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時(shí)， P2口送出高八位地址。在使用 8位地址（如 MOVX RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL邏輯電平 。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在 flash編 程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口也接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一 個(gè) ALE 脈沖。如有必要 ， 可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的D0 位置位，可禁止 ALE 操作。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單 片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無(wú)效。 EA/VPP： 外部訪問(wèn)允許 ， 欲使 CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序 存儲(chǔ)器的指令。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 晶振電路 的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng) 正常工作 中 晶振發(fā)揮著不可 替代 的作用 ， 作為單片機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需要的時(shí)鐘頻率， 這為 單片機(jī) 系統(tǒng)提供了基本的時(shí)鐘信號(hào)， 而 單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度越快，單片機(jī)一切指令的執(zhí)行都是 以 單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻 率 為基礎(chǔ) 。時(shí)鐘信號(hào)的周期稱(chēng)為狀態(tài)時(shí)間 S，它是振蕩周期的 2 倍 ， P1 信號(hào)在每個(gè)狀態(tài)的前半周期有效 ，在每個(gè)狀態(tài)的后半周期 P2信號(hào)有效。 Y1 C1 30pf C2 30pf XTAL1 XTAL2 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 復(fù)位電路 的設(shè)計(jì) 復(fù)位電路 在單片機(jī)系統(tǒng)中 用于產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)， 主要是 通過(guò) RST 引腳送入單片機(jī)，進(jìn)行 復(fù)位操作。單片機(jī)的復(fù)位 分為 加電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式。它是系統(tǒng)原始 的 復(fù)位方式，發(fā)生在開(kāi)機(jī)加電時(shí)，是系統(tǒng)自動(dòng)完成的。在單片機(jī)系統(tǒng)中，手動(dòng)復(fù)位是必須具有的功能，在調(diào)試或運(yùn)行時(shí)，若遇到死機(jī)、死循環(huán)或程序“跑飛”等情況，手動(dòng)復(fù)位是 處理 這種尷尬局面的常用方法。它采用 CMOS 工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入 ，抗干擾性強(qiáng)，該 芯片 具有 兩個(gè)數(shù)字輸入端和一個(gè) 3態(tài)輸出端，它們提供與微處理器串行端口的 3線接口。 1LSB Max（ ）。 1LSB MAX； 片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘； CMOS 工藝。 20mA； 峰值總輸入電流： 177。 (3)TLC1549 引腳其功能： 圖 TLC1549 引腳圖 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 TLC1549 引腳圖如圖 ， 其中 CS位芯片選擇段低電平有效 ； ANANLOG IN 為模 擬信號(hào)輸入端， DATA OUT 為轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端，在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，前次轉(zhuǎn)換結(jié)果以串行方式依次由該引腳送出； I/O CLOCK 為輸入 /輸出時(shí)鐘； REF+為基準(zhǔn)電壓的高端值（通常為 Vcc）加至該引腳，最大輸入電壓范圍由加至 REF+和 REF的電壓差決定； REF為基準(zhǔn)電壓的低端值（通常為地）加至該引腳； Vcc 為正電源電壓。當(dāng)串行借口讓 CS 有效（低）時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)換過(guò)程， I/O CLOCK 使能，并 使DATA OUT 端脫離高阻抗?fàn)顟B(tài)。 I/O CLOCK 從主機(jī)串行接口上接收到一個(gè) 10 至 16 個(gè)時(shí)鐘的序列。 圖 TLC1549 工作時(shí)序圖 在 CS的下降沿，前次轉(zhuǎn)換的 MSB 出現(xiàn)在 DATA OUT 端。為了開(kāi)始轉(zhuǎn)換，最少需要 10 個(gè)時(shí)鐘脈沖。在正常進(jìn)行的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，規(guī)定時(shí)間內(nèi) CS 端高電平至低電平的跳變可終止該周期，器件返回初始狀態(tài)（輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為前次轉(zhuǎn)換結(jié)果）。時(shí)序圖如圖 。 CMOS 門(mén)限檢測(cè)器通過(guò)檢測(cè)一系列電容的充電電壓 決定 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 的每一位，如圖 。 由 圖 中可知， 轉(zhuǎn)換過(guò)程的第二階段打開(kāi)所有 SC和 ST， CMOS 門(mén)限檢測(cè)器通過(guò)識(shí)別每一只電容的電壓確定每一位。在這個(gè)過(guò)程中， 10 只電容逐一檢測(cè)，直到確定轉(zhuǎn) 換的十位數(shù)字量。梯型網(wǎng)絡(luò)中其他電容的等效節(jié) 點(diǎn)接到 REF。經(jīng)反相后為 “ 1”，即為最高位 MSB 為 1：如果總節(jié)點(diǎn)的電壓小于 門(mén)限檢測(cè)器的電壓（大約 Vcc的一半），“ 1”被送至輸 出寄存器 此時(shí) 512weight 的電容連接到 REF+， 經(jīng)反相后為“ 0”，存為最高位 MSB 為 0 對(duì)于 256weight 的電 容和 128weight 的電容也要通過(guò)連續(xù)逐次逼近型的重復(fù)操作，直到確定從高位 （ MSB）到低位（ LSB）所有數(shù) 字量，即為初始的模擬電壓數(shù)字量。 圖 連續(xù)逐次逼近系統(tǒng)采 樣模式圖 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 (5） TLC1549 與單片機(jī)連接原理圖： 圖 TLC1549 與單片機(jī)連接原理圖 穩(wěn)壓電源 電路 穩(wěn)壓電源電路的實(shí)現(xiàn)，為電壓表中各個(gè)需要 +5V 工作電源的元器件提供了穩(wěn)定電源，保證了整個(gè)設(shè)計(jì)電路的正常工作，是設(shè)計(jì)中重要的組成部分。 R61K+C E 31 0 U FC4104R51KR E F +1IN2R E F 3GND4CS5DOUT6C L O C K7V C C8U4T L C 1 5 4 9D4IN 4 1 4 8D3IN 4 1 4 8+ 5 V+ 5 VP 2 2P 2 1P 2 0 Z D 15 .1 VR P 25KP 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 3 2 /I N T 012P 3 3 /I N T 113P 3 4 /T 014P 3 5 /T 115X218X119R E S E T9P 3 0 /R X D10P 3 1 /T X D11GND20P S E N29A L E /P R O G30E A / V P P31P 3 6 /W R16P 3 7 /R D