数字电压表单片机.docx

资源描述

数字电压表单片机.docx

《数字电压表单片机.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电压表单片机.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

数字电压表单片机.docx

数字电压表单片机

摘要：

本文介绍一种基于89S52单片机的一种电压测量电路,该电路采用ICL7135高精度、双积分A/D转换电路，测量范围直流0-±2000伏，使用LCD液晶模块显示，可以与PC机进行串行通信。

正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了双积分电路的原理，89S52的特点，ICL7135的功能和应用，LCD1601的功能和应用。

该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。

关键词：

电压测量，ICL7135，双积分A/D转换器，1601液晶模块

Abstract:

Theintroductionofacost-based89S52MCUavoltagemeasurementcircuits,thecircuitsusedICL7135high-precision,dual-scoringA/Dconversioncircuits,measuringscopeDC0-2000volts,theuseofLCDthatcanbecarriedoutwithaPCserialcommunications.Thepaperfocusesonprovidingasoftwareandhardwaresystemcomponentscircuit,introduceddoubleintegralcircuittheory,89S52featuresICL7135functionsandapplications,LCD1601functionsandapplications.

thecircuitdesigninnovative,powerful,canbeexpansionarystrong.

KeyWords:

DigitalVoltmeterICL7135LCD160189S52

1前言

数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。

目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。

与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。

本章重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。

2系统原理及基本框图

如图2.1所示，模拟电压经过档位切换到不同的分压电路衰减后，经隔离干扰送到A/D转换器进行A/D转换，然后送到单片机中进行数据处理。

处理后的数据送到LCD中显示，同时通过串行通讯与上位机通信。

图2.1系统基本方框图

3硬件设计

3.1输入电路

图3.1.1量程切换开关图3.1.2衰减输入电路

输入电路的作用是把不同量程的被测的电压规范到A/D转换器所要求的电压值。

智能化数字电压表所采用的单片双积分型ADC芯片ICL7135，它要求输入电压0-±2V。

本仪表设计是0-1000V电压，灵敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰减器，如图3.1.2所示9M、900K、90K、和10K电阻构成1/10、1/100、1/1000的衰减器。

衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率，从而切换档位。

为了能让CPU自动识别档位，还要有图3.1.1的硬件连接。

3.2A/D转换电路

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。

3.2.1双积A/D转换器的工作原理

图3.2.1.1双积A/D转换器

图3.2.1.2双积A/D转换器的波形图

如图所示：

对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。

在常用的A/D转换芯片（如ADC-0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分

A/D转换器，具有精度高（精度相当

于14位二进制数）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。

本文介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机电压表和小型智能仪表的设计方案。

3.2.17135的应用

7135是采用CMOS工艺制作的单片4位半A/D转换器，其所转换的数字值以多工扫描的方式输出，只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容等元件，就可组成一个满量程为2V的数字电压表。

㈠7135主要特点如下：

①双积型A/D转换器，转换速度慢。

②在每次A/D转换前，内部电　

3.2.1.1ICL7135引脚图

路都自动进行调零操作，可保证零点在常温下的长期稳定。

在20000字（2V

满量程）范围内，保证转换精度1字相当于14bitA/D转换器。

③具有自动极性转换功能。

能在但极性参考电压下对双极性模拟输入电压进行A/D转换，模拟电压的范围为0～±1.9999V。

。

④模拟出入可以是差动信号，输入电阻极高，输入电流典型值1PA。

⑤所有输出端和TTL电路相容。

⑥有过量程（OR）和欠量程（UR）标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。

⑦输出为动态扫描BCD码。

⑧对外提供六个输入,输出控制信号（R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR）,因此除用于数字电压表外,还能与异步接收/发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。

⑨采用28外引线双列直插式封装，外引线功能端排列如图所示。

㈡7135数字部分

数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。

7135一次A/D转换周期分为四个阶段：

1、自动调零（AZ）；2、被测电压积分（INT）；3、基准电压反积分（DE）；4、积分回零（ZI）。

具体内部转换过程这里不做祥细介绍，主要介绍引脚的使用。

①R/H（25脚）当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，7135处于连续转换状态，每40002个时钟周期完成一次A/D转换。

若R/H由“1”变“0”，则7135在完成本次A/D转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入电压变化的影响。

因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。

若把R/H端用作启动功能时，只要在该端输入一个正脉冲（宽度≥300ns），转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。

注意：

第一次转换周期中的AZ阶段时间为9001-10001个时钟脉冲，这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。

②/ST（26脚）每次A/D转换周期结束后，ST端都输出5个负脉冲，其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间，ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期。

图3.2.1.2ICL7135的波形图

第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期产生。

因为每个选信号（D5--D1）的正脉冲宽度为200个时钟周期（只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期），所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。

需要注意的是，若上一周期为保持状态（R/H=“0”）则ST无脉冲信号输出。

ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处理器进行传送。

③BUSY（21脚）在双积分阶段（INT+DE），BUSY为高电平，其余时为低电平。

因此利用BUSY功能，可以实现A/D转换结果的远距离双线传送，其还原方法是将BUSY和CLK“与”后来计数器，再减去10001就可得到原来的转换结果。

④OR（27脚）当输入电压超出量程范围（20000），OR将会变高。

该信号在BUSY信号结束时变高。

在DE阶段开始时变低。

⑤UR（28脚）当输入电压等于或低于满量程的9%（读数为1800），则一当BUST信号结束，UR将会变高。

该信号在INT阶段开始时变低。

⑥POL（23脚）该信号用来指示输入电压的极性。

当输入电压为正，则POL等于“1”，反之则等于“0”。

该信号DE阶段开始时变化，并维持一个A/D转换调期。

⑦位驱动信号D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20脚）每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号，脉冲宽度为200个时钟周期，其中D5对应万位选通，以下依次为千、百、十、个位。

在正常输入情况下，D5--D1输出连续脉冲。

当输入电压过量程时，D5--D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。

利用这个特性，可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象。

⑧B8、B4、B2、B1（16、15、14、13脚）该四端为转换结果BCD码输出，采用动态扫描输出方式，即当位选信号D5=“1”时，该四端的信号为万位数的内容，D4=“1”时为千位数内容，其余依次类推。

在个、十、百、千四位数的内容输出时，BCD码范围为0000--1001，对于万位数只有0和1两种状态，所以其输出的BCD码为“0000”和“0001”。

当输入电压过量程时，各位数输出全部为零，这一点在使用时应注意。

最后还要说明一点，由于数字部分以DGNG端作为接地端，所以所有输出端输出电平以DGNG作为相对参考点。

基准电压，基准电压的输入必须对于模拟公共端COM是正电压。

㈢与单片机系统的串行连接

在ICL7135与单片机系统进行连接时，使用并行采集方式，要连接BCD码数据输出线，可以将ICL7135的/STB信号接至AT89C52的P3.2（INT0）。

ICL7135需要外部的时钟信号，本设计采用CD4060来对4M信号进行32分频得到125KHz的时钟信号。

CD4060计数为１４级２进制计数器，在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。

图3.2.1.3ICL7135与系统的连接图图3.2.1.4CD4060时钟发生电路

3.3单片机部分

单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，如图3.2.1.1所示。

该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机，与AT89C51完全兼容。

AT89S52还有以下主要特点：

①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器（NV-SRAM）技术；

②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程（ISP）FLASH存储器；

③有2种低功耗节电工作方式：

空闲模式和掉电模式

④片内含有一个看门狗定时器（WDT），WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器（WDTRST），只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。

3.4液晶显示部分

图3.2.1.189S52引脚图

显示接口用来显示系统的状态，命令或采集的电压数据。

本系统显示部分用的是LCD液晶模块，采用一个16×1的字符型液晶显示模块，

点阵图形式液晶由M行×N列个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1个字节的8个位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元和显示RAM区1024个字节相对应，每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。

一个字符由6×8或8×8点阵组成，即要找到和屏上某几个位置对应的显示RAM区的8个字节，并且要使每个字节的不同的位为‘1’，其它的为‘0’，为‘1’的点亮，为‘0’的点暗，这样一来就组成某个字符。

但对于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

3.4.11601使用说明

图3.4.1.11601引脚图

表3.4.1.1LCD1601液晶模块的引脚

引脚

符号

功能说明

GND

接地

Vcc

＋5V

驱动LCD，一般将此脚接地

寄存器选择0：

指令寄存器（WRITE）Busyflag,位址计数器（READ）1：

数据寄存器（WRITE,READ）

R/W

READ/WRITE选择1：

READ0：

WTITE

读写使能（下降沿使能）

DB0

低4位三态、双向数据总线

续表3.4.1.1LCD1601液晶模块的引脚

DB1

DB2

DB3

DB4

高4位三态、双向数据总线

另外DB7也是一个Busyflag

DB5

DB6

DB7

寄存器选择，如表所示：

表3.4.1.3寄存器选择控制线操作

R/W

操作说明

写入指令寄存器（清除屏幕…等）

读Busyflag（DB7）,以及读取位址计数器（DB0~DB6）值

写入数据寄存器（显示各字型等）

从数据寄存器读取数据

Busyflag（DB7）:

在此位未被清除为“0”时，LCD将无法再处理其他指令要求。

（1）显示地址：

内部地址计数器的计数地址：

SB7=0（DB0～DB6）第一行00、01、02……等，第二行40、41、42……等，可配合检测DB7=1（RS=0,R/W=1）读取目前显示字的地址，判断是否需要换行。

表3.4.1.4LCD160116×1显示字的地址

（2）外部地址：

DB7=1,亦即80H＋内部计数地址，可以用此方式将字显示在某一位置。

LCD各地址列举如下表：

表3.4.1.5LCD160116×1显示字的外部地址

16×116字1行1601

表3.4.1.6LCD1601的指令组

指令

说明

设置码

R/W

清除显示幕

光标回到原点

进入模式设定

I/D

显示幕ON/OFF

移位

S/C

R/L

功能设定

字发生器地址设定

AGC

设置显示地址

ADD

忙碌标志位BF

显示数据

写入数据

读取数据

I/DI/D=1表示加1，I/D=0表示减1

SS=1表示显示幕ONS=0表示OFF

DD=1表示显示屏幕OND=0表示显示屏幕OFF

CC=1表示光标ONC=0表示光标OFF

BB=1表示闪烁ONB=0表示显示闪烁OFF

S/CS/C=1表示显示屏幕移位S/C=0光标移位

R/LR/L=1表示右移R/L=0表示左移

DLDL=1表示8位DL=0表示4位

FF=1表示5×10点矩阵F=0表示5×7点矩阵

NN=1表示2行显示行N=0表示1行显示行

BFBF=1:

内部正在动作BF=0:

可接收指令或数据码

3.4.2液晶显示部分与89S52的接口

如图所示：

用89S52的P2口作为数据线，用P0.1、P0.2、P0.3分别作为LCD的E、R/W、RS。

其中E是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：

显示模块初始化：

首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5×7点阵，然后

设

3.4.2.1液晶与89S52的接口

置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。

向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。

3.5通讯模块

图3.5.1MAX232引脚功能图

89S52内部已集成通信接口URT，只需扩展一片MAX232芯片将输出信号转换成RS-232协议规定的电平标准, MAX232是一种双组驱动器/接收器，每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。

每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。

即EIA接口，就是把5V转换为-8V到-15V电位0V转换为8V到15V再经RXD输出，接收时由RXD输入，把-8V到-15V电位转换为5V，8V到15V转换为0V。

MAX232的工作电压只需5V，内部有振荡电路产生正负9V电位。

4系统的软件设计

4.1主程序设计

ICL7135A/D与单片机连接电路的软件设计系统的程序流程图如图所示。

主程序一开始运行则设置堆栈起始地址为70H，设置中断寄存器，用来对ICL7135的中断进行计数，每5次后清零，完成一次数据采集工作，然后设置ICL7135

的STB端的中断的优先级。

紧接着LCDM1601B进行一次清屏，使其各个指令、数据寄存器的值进行清空，屏幕不显示任何字符。

以前面对1601B的介绍，只要将01H送到数据总线，使RS=0，R/W=0，E有个下降沿的脉冲就可以完成清屏工作。

用以下指令实现MOVP2,#01H;送到数据DB7---DB0，调用子程序ENABLE，由于下降沿时，内部数据要送到RAM区，所以要有一个延时子程序，使这个下降沿持续2.5毫秒。

内部RAM有指令代码后就开始对RAM进行清零，所以屏幕原有的字符将被清除。

接着对1601进行功能的设定。

MOVP2,#01111000B，按表3.4.5来看是设定

图4.1.1主程序流程图

显示器按2行显示，每行8位，5×7点阵。

调用一次子程序ENABLE程序，写入CPU的指令寄存器中。

每次向LCDM中写入一个指令，就调用一次ENABLE，然后再对显示器进行闪烁、光标等功能进行设定。

显示器的RAM地址按加１方法进行读写。

再设定第一行字符，也就是‘Voltage’的显示地址80H。

字符‘Voltage’的TABLE表地址送到DPTR中，然后调用远程查表命令，依次把数据送到P2口，这时再调用子程序WRITE3，使LCD1601的RS=1，R/W=0使使能端E产生一个下降沿脉冲，将数据送入到数据寄存器中，接下来执行子程序DISPLAY1，它的主要功能是将TABLE表中的字符输出到LCD中去。

调定好显示字符数即远程查表的次数，就开始查表了。

例如第一个字符“V”的ASCII码是56H，就将这个码送到P2口，再调用使能数据子程序，使RS=1（数据区使能）写入显示数据区，R/W=0表示写，E=来个下降沿延时2.5毫秒，使数据写入RAM内。

完成

图4.1.2数据地址

TABLE表输出以后，向指令RAM中写入第2

行的起始地址为OCH，再调用显示采样数据

的子程序。

采样数据存放的数据地址安排如下图所示,首先将60H中的数显示在正负号的位置上，按照ASCII码表，正号不显示（#20H），负号显示“－”（#2DH）。

4.2A/D中断程序设计

图4.2.1中断子程序流程图

ICL7135每一分钟完成3次据的采集工作，1/3秒完成后向CPU申请中断,CPU这时暂停工作，为中断服务.中断响应后关中断，将PSW、ACC压栈，判断是否首次中断，如果是首次中断，则将正负号标志位置入60H，再把万位置入61H中，如果不是首次中断，则跳到NEXT处，如果是第二次中断，则将千位数置入62H中，如果是第三次中断，再将百位数置入63H中，第四次中断则将十位数置入64H中，第五次中断则将小数点位置入65H中，同时个位置入66H中。

同时清除中断次数寄存器30H中的值，完成中断后将ACC、PSW出栈，开中断。

消隐的思想：

每次电压采集后，CPU将数据送到LCD显示，将可能出现以下几种需要消隐的情况。

例如：

2000V档量程：

─

此时万位的值‘0’不符合人们的视觉习惯，需要把万位的值消隐掉，编程是将#20H送入万位，使其在LCD中不显示任何字符即可。

同样的情况如下：

需要消隐万位、千位

需要消隐万位、千位、百位

2000V档量程：

─

需要消隐万位

需要消隐万位、千位

200V档量程：

─

需要消隐万位

20V档量程：

─

在采集到数据之后，置数之前判断档位，是2V档不消隐，是其他档位时再看要消隐的位之前有几个是零。

例如2000V档量程，-0001.9V，在2次中断时判断档位是2000V档，第1位是零，消隐第2位千位。

4.3通讯模块程序设计

89S52单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器（SBUF），这两个在物理上独立的接收发送器，既可以接收数据也可以发送数据。

但接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，它们的地址为99H。

这个通信口既可以用于网络通信，亦可实现串行异步通信，还可以构成同步移位寄存器使用。

如果在传行口的输入输出引脚上加上电平转换器，就可方便地构成标准的RS-232接口。

89S52的串行口有4种工作方式，1种同步方式，3种异步方式。

本方式选方式1，一帧数据有10位，包括起始位0、8位数据位和1位停止位1。

串行口电路在发送时能自动加入起始位和停止位。

在接收时，停止

展开阅读全文