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 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 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 ✓ AT89C52
✓ LM324放大器 ✓ AD0809 ✓ LCD1602 ✓ 杜邦线若干 ✓ 电阻器若干
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AT89C52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：
● 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
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
输入模块
单片机控制模块
完整的硬件连接图：
3．2 关于AT89C52
AT89C52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位中央处理器和Flash 存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用AT89C52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，AT89C52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。AT89C52有PDIP 、PQFP/TQFP及PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
AT89C52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：
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：
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8条：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”
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：
清除液晶显示器，即将DDRAM 的内容全部填入" 空白" 的ASCII 码20H;
光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方;
将地址计数器(AC)的值设为0。
2. 光标归位指令
功能：
把光标撤回到显示器的左上方;
把地址计数器(AC)的值设置为0;
保持DDRAM 的内容不变
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
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
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：
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;
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： 将字符码写入DDRAM ，以使液晶显示屏显示出相对应的字符;
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
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。
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640KHz 。 REF（+）、REF （-）：基准电压。
Vcc：电源，单一+5V。
GND：地。
ADC0809芯片有28条引脚，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：
1）显示器部分
2）模数转换部分
3) 电压输入部分
4) 单片机控制部分
5）完整的仿真图
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AT89C52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。
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。
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。
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
（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
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AT89C2051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
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)
//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
write_data(mytable0[num]); //d=mytable0[num]，调用写入数据函数 }
write_com(0x80+0x50); for(num=0;num
write_data(mytable1[num]);
delay(10); }
for(num=0;num
write_com(0x1c); }
delay(300); delay(10);
delay(1000); write_com(0x01); write_com(0x80); {
write_data(line0[num]); }
write_com(0x80+0x40); for(num=0;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
//电压值被放大了10倍
//100，测0-20v 的电压
delay(10); }
//第二行
delay(10);
//清屏 //第一行
for(num=0;num
}
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
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 ，
//判断个位是否大于5
} else {
temp=temp/10; }
goto disp; disp:
for(i=0;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
value(k,dispbuf[4-k]); //调用电压值计算函数
//输出四位数
if(l==3)
}
附录二元器件
✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓
组成51单片机最小系统的元器件 万能板 AT89C52
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！