智能仪器论文

深圳大学考试答题纸

(以论文、报告等形式考核专用)

二○ 一四 ～二○ 一五 学年度第 二 学期

课程编号

1701700001

课程名称 智能仪器与测控系统

姓名

专业年级

主讲教师

评分

学 号 教师评语： 测控技术与仪器 大三

题目：

可自动换挡的直流数字电压表设计

1

1 系统需求分析

1．1 考虑的内容

 51单片机使用何种方式将模拟电压转换成数字电压；  51单片机如何控制进行相应的档位切换；  51单片机如何显示对应的采集值；  需要设计合适的单片机软件。

1．2 涉及的知识

 数字电压表的实现原理；

 运算放大器LM324的应用原理；  A/D芯片AD0809的应用原理；  LCD1602液晶显示器的应用原理。

1.3 软件需求

 编程软件 ：Keil vUsion  仿真软件：protues

1.4 硬件需求

 组成51单片机最小系统的元器件  万能板  ATC52

 LM324放大器  AD0809  LCD1602  杜邦线若干  电阻器若干

2

2 系统总体设计

2.1主要实现内容

运用所学单片机、模拟和数字电路、以及测控系统原理与设计等方面的知识，设计出一台以ATC52为核心的直流数字电压表，完成电压信号的采集、处理、显示（数码管或者LCD）及键盘接口电路等部分的软、硬件设计，要求采用ADC0809 或PCF8591实现A/D转换，1、测量范围：0-20V直流电压，设置三个量程：0-200mV，200 mV-2V，2V-20V，实现自动换档。  b．测量精度：20 mV。  c．测量误差允许范围：<=1%。

 d．显示：用四位七段数码管显示电压读数或用LCD1602显示

2.2电压表的总体工作流程

初始化单片机系统 判断当前的 待测电压值

切换到0-0.2V量程 切换到0.2-2V量程 切换到2-20V量程 测量电压

3

3 系统的硬件设计

3．1 模块分析

通过对数字电压表的功能分析，我们可以将其分为输入模块、模数转化模块、 单 片机控

制模块以及显示模块四部分。输入模块是由两个放大器LM324形成的3个输出接到模数转换模块的ADC0809的IN1、IN2、IN4上，这时候输入的是模拟信号，经过ADC转换器进行采样保持等操作，在ADC0809的8个输出口out0~out7输出了相应的数字信号，并从51单片机的P1口传入单片机的内部供单片机进行下一步处理。另外，ADC转换器上的一些控制端口也接到了单片机上，使单片机实现对模数转换的控制操作。从单片机P1口进来的数据，会从单片机的P0口传送到显示模块LCD1602的数据输入口上，通过上拉电阻的驱动，液晶屏显示器上就能显示出相应的电压测量值了。 实物图：

显示模块

模数转换模块

4

输入模块

单片机控制模块

完整的硬件连接图：

5

3．2 关于ATC52

ATC52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位处理器和Flash存储单元，ATC52单片机在电子行业中有着广泛的应用ATC52有40个 引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，ATC52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。ATC52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

ATC52为8 位通用微处理器，采用工业标的C51内核，在内部功能以及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能

引脚图：

3.3关于LCD1602

字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚定义如下表所示：

6

HD44780内置了DDRAM、CGROM和CGRAM。

DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表：

7

DDRAM地址与显示位置的对应关系

（事实上我们往DDRAM里的00H地址处送一个数据，譬如0x31(数字1的代码)并不能显示1出来。这是一个令初学者很容易出错的地方，原因就是如果 你要想在DDRAM的00H地址处显示数据，则必须将00H加上80H，即80H，若要在DDRAM的01H处显示数据，则必须将01H加上80H即 81H。依次类推。大家看一下控制指令的的：DDRAM地址的设定，即可以明白是怎么样的一回事了） 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下表所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常 用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点 阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”

8

上表中的字符代码与我们PC中的字符代码是基本一致的。因此我们在向DDRAM写C51字符代码程序时甚至可以直接用P1＝'A'这样的方法。PC在编译时就把“A”先转为41H代码了。 字符代码0x00～0x0F为用户自定义的字符图形RAM(对于5X8点阵的字符，可以存放8组，5X10点阵的字符，存放4组)，就是CGRAM了。后面我会详细说的。

0x20～0x7F为标准的ASCII码，0xA0～0xFF为日文字符和希腊文字符，其余字符码(0x10～0x1F0x80～0x9F)没有定义。

那么如何对DDRAM的内容和地址进行具体操作呢，下面先说说HD44780的指令集及其设置说明，请浏览该指令集，并找出对DDRAM的内容和地址进行操作的指令。共11条指令：

1.清屏指令

功能：

<1> 清除液晶显示器，即将DDRAM的内容全部填入\"空白\"的ASCII码20H;

<2> 光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方;

<3> 将地址计数器(AC)的值设为0。

2.光标归位指令

功能：

<1> 把光标撤回到显示器的左上方;

<2> 把地址计数器(AC)的值设置为0;

<3> 保持DDRAM的内容不变

9

3.进入模式设置指令

功能：设定每次定入1位数据后光标的移位方向，并且设定每次写入的一个字符是否移动。 参数设定的情况如下所示：

位名 设置

I/D 0=写入新数据后光标左移 1=写入新数据后光标右移

S 0=写入新数据后显示屏不移动 1=写入新数据后显示屏整体右移1个字

4.显示开关控制指令

功能：控制显示器开/关、光标显示/关闭以及光标是否闪烁。参数设定的情况如下：

位名 设置

D 0=显示功能关 1=显示功能开

C 0=无光标 1=有光标 B 0=光标闪烁 1=光标不闪烁

5.设定显示屏或光标移动方向指令

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功能：使光标移位或使整个显示屏幕移位。参数设定的情况如下：

S/C R/L 设定情况

0 0 光标左移1格，且AC值减1

0 1 光标右移1格，且AC值加1

1 0 显示器上字符全部左移一格，但光标不动

1 1 显示器上字符全部右移一格，但光标不动

6.功能设定指令

功能：设定数据总线位数、显示的行数及字型。参数设定的情况如下：

位名 设置

DL 0=数据总线为4位 1=数据总线为8位

N 0=显示1行 1=显示2行

F 0=5×7点阵/每字符 1=5×10点阵/每字符

7.设定CGRAM地址指令

功能：设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。

8.设定DDRAM地址指令

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功能：设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。

(注意这里我们送地址的时候应该是0x80+Address，这也是前面说到写地址命令的时候要加上0x80的原因)

9.读取忙信号或AC地址指令

功能：

<1> 读取忙碌信号BF的内容，BF=1表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令;

当BF=0时，液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令;

<2> 读取地址计数器(AC)的内容。

10.数据写入DDRAM或CGRAM指令一览

功能：<1> 将字符码写入DDRAM，以使液晶显示屏显示出相对应的字符;

<2> 将使用者自己设计的图形存入CGRAM。

11.从CGRAM或DDRAM读出数据的指令一览

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功能：读取DDRAM或CGRAM中的内容。

基本操作时序：

读状态 输入：RS=L，RW=H，E=H

输出：DB0～DB7=状态字

写指令 输入：RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=指令码

输出：无 读

数

据

输

入

：

RS=H

，

RW=H

，

E=H 输出：DB0～DB7=数据

写数据 输入：RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=数据

输出：无

3.4关于LM324

LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

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LM324的组成和引脚说明如下

3.5关于ADC0809

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。目前仅在单片机初学应用设计中较为常见。

引脚功能说明：

IN0～IN7：8路模拟量输入端。

2-1～2-8：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。

START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC： A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于0KHz。 REF（+）、REF（-）：基准电压。

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Vcc：电源，单一+5V。 GND：地。

ADC0809芯片有2引脚，采用双列直插式封装，如图所示。

4 系统的软件设计

4．1 Protues仿真图设计 仿真图涉及的元器件如下： 器件名称 ATC52 RES CAP CAP-ELEC CRYSTAL LM016L LM324 ADC0808 RESPACK-8

15

库 Microprocessor ICs Resistors Capacitors Capacitors Miscellaneous Optoelectronics Operational Data Converters Resistors 子库 8051 Family Generic Generic Generic - Alphanumeric LCDs Primitive Sources Amplifiers Quad Resistor Packs 说明 51单片机 通用电阻 电容 极性电容 晶振器 LCD1602 运算放大器 A/D转换器 8位电阻排 1）显示器部分

2）模数转换部分

3)电压输入部分

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4)单片机控制部分

5）完整的仿真图

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4．2 Keil vUsion 程序编写与HEX文件生成

步骤1：新建一个工程，选择Atmel里的ATC52设备作为数据基础。点击ok后会生成51单片机的头文件

步骤2：把写好的程序生成.c的文件并添加到Source Group one 里面去，然后就可以进行编译。

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步骤3：在编译无错误的情况下就可以通过设置输出口，让程序生成.hex的文件。

20

步骤4：设置完之后点击Rebuild taget 就可以生成.hex文件了，可以根据你选择的路径查看是否生成了该文件。

21

5 调试过程及结果分析

5．1 软件调试过程

将由Keil生成的.hex文件读取到51单片机里面，仿真图就能运行了。

（1）初始化程序

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（2）0~0.2V电压仿真测量

（3）0.2~2V电压仿真测

（4）2~20V电压仿真

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5．2 硬件调试过程

由于电路焊得不好，实验并未能通过硬件调试！

5.3结果分析

从仿真的结果来看，实验已经达到设计的要求了的，一方面电路实现了0-20V电压的测量，另一方面也实现了量程的自动转换，并且在测小电压的时候能达到很高的精度。通过修改程序或测量值改变输入口还可以设置更多的量程。

6参考文献

1.51单片机应用开发25例：基于Protues仿真/张新。陈跃琴编著.-北京：电子工业出版社，2013.10 2.王书士.朱宇川 基于ATC2051的直流数字电压表设计[期刊论文]-信息通信2013(2) 3.高皑琼 单片机控制的简易直流数字电压表[期刊论文]-消费电子2012(11)

4.智能仪表原理与设计/凌志浩，王华忠，叶西宁编著.-北京：人民邮电出版社，2013.7

5.单片机实用系统设计与仿真经典实例/周润景，刘晓霞编著.-北京：电子工业出版社，2014.1 6.基于Protues的单片机课程的基础实验与课程设计/张毅刚主编.-北京：人民邮电出版社，2012.4 7.PROTUES入门实用教程/周润景，蔡雨恬编著.-2版.-北京：机械工业出版社，2011.10

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7附录及元器件清单

附录一程序

#include #define LEDDATA P0

#define v20_on{s3=0;s2=0;s1=1;} #define v2_on{s3=0;s2=1;s1=0;} #define v02_on{s3=1;s2=0;s1=0;} unsigned

char

code

dispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x6d,0x66,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00}; unsigned char dispbuf[8]={0,0,0,0,0,0,0,0}; unsigned char getdata; unsigned long temp; unsigned char i,k,l, m;

unsigned char code mytable0[]=\"WELCOME TO USE\"; unsigned char code mytable1[]=\"AUTO VOLTMETER!\"; unsigned char code line0[]=\" Voltmeter \"; unsigned char code line1[]=\"Value: V\";

sbit lcdrs=P2^0; sbit lcden=P2^1; sbit s3=P3^7; sbit s2=P3^6; sbit s1=P3^5; sbit OE=P3^0; sbit EOC=P3^1; sbit ST=P3^2; sbit CLK=P2^2;

void Init_Timer0(void) {

TMOD=0x10;

TH1=(65536-200)/256; TL1=(65536-200)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; CLK=1; }

void delay (unsigned int z) {

unsigned int x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); }

void write_com(unsigned char c)

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//lcd写命令函数

//延时函数

//定时器0

{

lcdrs=0; lcden=0; LEDDATA=c; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; }

void write_data(unsigned char d) {

lcdrs=1; LEDDATA=d; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; }

void initialize() {

unsigned char num; lcden=0; write_com(0x38); write_com(0x0c);

write_com(0x06); write_com(0x01);

//显示地址递增，写入一个数据后右移 //清屏

//8位数据，双列。5*7字型

//开启显示屏， 关闭光标，光标不闪烁

//初始化

//下降沿执行指令

//读取信息

//输入数据 //lcd写数据函数

//下降沿执行指令

//读取信息

//输入指令

write_com(0x80+0x10); for(num=0;num<17;num++) {

write_data(mytable0[num]); //d=mytable0[num]，调用写入数据函数 }

write_com(0x80+0x50); for(num=0;num<15;num++) {

write_data(mytable1[num]);

delay(10); }

for(num=0;num<16;num++) {

write_com(0x1c); }

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delay(300); delay(10);

delay(1000); write_com(0x01); write_com(0x80); {

write_data(line0[num]); }

write_com(0x80+0x40); for(num=0;num<15;num++) {

write_data(line1[num]); }

void value(unsigned char add,unsigned char dat) //电压值计算函数 {

write_com(0x80+0x47+add); if(l==3&&add==2||l!=3&&add==1) {

write_data(0x2e); } else {

write_data(0x30+dat); } } main() {

initialize(); Init_Timer0(); while(1) _20v: {

v20_on;

ST=0; ST=1; ST=0;

while(EOC==0); //EOC P3.1 OE=1; getdata=P1; OE=0; if(getdata<20)

//电压值被放大了10倍 27

//100，测0-20v 的电压

delay(10); }

//第二行

delay(10);

//清屏 //第一行

for(num=0;num<14;num++)

{

goto _2v; }

l=3;

temp=getdata;

temp=(temp*1000/51)/2;

goto disp;

_2v:

v2_on;

ST=0; ST=1; ST=0;

while(EOC==0); OE=1; getdata=P1; OE=0;

if(getdata>204) {

goto _20v; }

if(getdata<21) {

goto _02v; } l=2;

temp=getdata;

temp=(temp*1000/51)/2; goto disp;

//001，测0-0.2 v电压

// P3^2， 脉冲触发 STRART键 //电压值被放大了100倍

_02v:

v02_on;

ST=0; ST=1; ST=0; while(EOC==0) OE=1; getdata=P1; OE=0;

if(getdata>220) //电压值被扩大了一千倍 { goto _2v; } l=1;

temp=getdata;

temp=(temp*1000/51)/2; //扩大约10倍 m=temp%10; if(m>5)

//电压值对10取余 ，

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//判断个位是否大于5

{

temp=temp/10+1 ; } else {

temp=temp/10; }

goto disp; disp:

for(i=0;i<=3;i++) { }

void Timer0_isr(void) interrupt 1 using 1 {

TH0=(65536-200)/256; TL0=(65536-200)/256; CLK=~CLK; }

} if(l==2) {

goto _2v; }

else if(l==1) {

goto _02v; }

dispbuf[i]=temp%10; temp=temp/10; } {

for(i=4;i>=3;i--) dispbuf[i]=dispbuf[i-1]; } else {

dispbuf[4]=dispbuf[3]; }

for(k=0;k<5;k++) {

value(k,dispbuf[4-k]); //调用电压值计算函数

//输出四位数

if(l==3)

}

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附录二元器件

       

组成51单片机最小系统的元器件 万能板 ATC52

LM324放大器 AD0809 LCD1602 杜邦线若干 电阻器若干

8总结及体会

做实验挺辛苦的,也许最后没有完全达到实验的要求，但在实验的过程中确实是学到不少东西，有些结果出不来，只能说明你还没有真正明白它的结构和原理，我的硬件调试不出来就是这个道理，板子上的元器件没有去深刻了解，各个接口也还没搞明白，所以如果真的想要能使硬件可以调试出来，可能还要花点时间去了解，而不是盲目地去蛮焊。在软件调试方面，我是花了挺多时间的，程序是参考网上和书的，但是要看懂每一条程序语句就不是那么简单了，我的程序，我大部分都能看懂了，也在程序边上做了注释。实验到这里就结束了，感谢老师这一学期来对我的教育与指导！

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