单片机毕业论文基于LCD显示技术的数字电压表设计.doc

基于lcd显示技术的数字电压表设计基于lcd显示技术的数字电压表设计摘 要：本报告介绍了基于at89s52单片机为核心的、以ad0809数模转换芯片采样、以1602液晶屏显示的具有电压测量功能的具有一定精度的数字电压表。在实现基础功能要求之上扩展了串口通讯、时钟功能、高压报警、短路测试、电阻测量、交流电压峰峰值和周期测试等功能，使系统达到了良好的设计效果和要求。关键词：at89s52单片机 模数转换 液晶显示 扩展功能based on the lcd display technology of digital voltmeter designabstract: the report describes the at89s52 based on the microcontroller as the core, ad0809 digital-to-analog converter chip sampling, to 1602 lcd display with voltage measurement function with a certain precision of digital voltage meter. in achieving functional requirements based upon the expansion of serial communications, high-pressure alarm, short circuit, electrical resistivity measurement, ac voltage and the peak of cycle testing and other functions, allowing the system to achieve good results and the design requirements.keywords: at89s52 scm analog-to-digital conversion functions lcd expansion 目 录绪 论 3 1数字电压表简介 41.1数字电压表的介绍 41.2数字电压表的基本结构及工作原理41.3数字电压表的发展趋势 52单片机的概述 62.1单片机简介 62.2单片机的特点 72.3单片机的应用 73 方案论证 83.1 cpu的选择 832 液晶显示器的选择 113.2.1液晶显示原理113.2.2液晶显示器各种图形的显示原理 114系统硬件设计184.1硬件电路系统框图184.2软件设计流程图184.3电源电路设计 204.4 cpu系统设计 204.5 cpu与显示器接口电路设计214.6数字电压表硬件电路 23总结体会 24致谢 25参考文献 26附录 27附录1: 部分系统源程序附录2：运行图片及部分数据0绪论单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，特别适用于控制领域。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。应为其体积小，功能强，可靠性高，灵活方便等优点，故可以用于各个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到重要的推动作用。目前，场上销售的单片机有4位、8位、16位、32位，并且单片机朝着高性能多品种方向发展，尤其是8位单片机已经成为当前单片机的主流，主要体现在cpu功能增强、内部资源增多、引脚的多功能化、低电压和低功耗化。本设计是基于at89s52单片机为核心的、以ad0809数模转换芯片采样、以1602液晶屏显示的具有电压测量功能的具有一定精度的数字电压表。1数字电压表简介1.1数字电压表的介绍数字电压表（digital voltmeter）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。1.2数字电压表的基本结构及工作原理 数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础,电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示,这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法, 避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是a/d转换器, 转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度,数字式电压表是由高阻抗电压表头与分压电路组成的。1.各部分的功能位a/d转换器：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源：提供精密电压，供a/d转换器作参考电压。译码器：将二-十进制（bcd）码转换成七段信号。驱动器：驱动显示器的a、b、c、d、e、f、g七个发光段，驱动发光数码管（led）进行显示。显示器：将译码输出的七段信号进行数字显示，读出a/d转换结果。2电路工作数字电压表通过位选信号进行动态扫描显示，由于mc1433电路的a/d转换结果是采用bcd码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的led发光数码管动态扫描显示。输出多路调制选通脉冲信号，选通脉冲为高电平，则表示对应的数位被选通，此时该位数据在端输出。每个选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。和的时序关系是在脉冲结束后，紧接着是输出正脉冲。以下依次为、和。其中对应最高位（），则对应最低位（）。在对应、和选通期间，输出bcd全位数据，即以8421码方式输出对应的数字09。在选通期间，输出千位的半位数0或1及过量程、欠量程和极性标志信号。1.3数字电压表的发展趋势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。 数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础,电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示,这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法, 避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是a/d转换器, 转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度,本文a/d转换器采用adc0809对输人模拟信号进行转换, 控制核心at89c51再对转换的结果进行运算和处理,最后驱动输出装置显示数字电压信号。 数字式电压表是由高阻抗电压表头与分压电路组成的。数字式电压表头的等效输入电阻通常在200m欧以上，满量程时所流经的电流通常在1皮安左右。以上述表头制成的数字式电压表，满量程时所流经的电流与量程有关，通常在1皮安至100微安之间。数字电压表(数字面板表)是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。 数字电压表的设计和开发,已经有多种类型和款式。传统的数字电压表各有特点,它们适合在现场做手工测量,要完成远程测量并要对测量数据做进一步处理,传统数字电压表是无法完成的。然而基于pc通信的数字电压表,既可以完成测量数据的传递,又可借助pc,做测量数据的处理。所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际上,都具有传统数字电压表无法比拟的特点,这使得它的开发和应用具有良好的前景。2单片机的概述计算机已被广泛应用于社会生活的各个领域。在自动控制领域，计算机是监测。控制的核心。生产过程以及大型设备的监测、控制一般使用带标准键盘、显示和外部存储设备的计算机系统，但小型仪器仪表、家用电器等设备的自动控制对体积、价值和功能有所要求，均不可能使用常规的计算机 系统，于是出现了单片微型计算机，简称单片机。2.1单片机简介单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理器，随机存取存储器、输入/输出电路，可能还包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路、脉冲调制电路、模数转换器等电路集成到一片芯片上，构成一个既小而又完善的计算机系统。有以上分析可以看出，单片机除了具备微处理器的功能外，还可以单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这也是单片机最大的特点。2.2单片机的特点单片机的一块半导体芯片集成了一太微型计算机的基本部件，在硬件结构、指令功能方面均有独特之处，主要特点如下：（1）单片机内集成了存储器。（2）单片机存储结构将rom和ram严格分工。（3）为了满足工业控制的需要，单片机有很强的位处理功能，在其他逻辑控制功能方面也都优于一般的8位微处理器。（4）8位处理器的引脚功能一般都是固定的。（5）单片机类型多，并且便于扩展功能。（6）单片机 把微型计算机的各个部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号的传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。由于单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点，因此在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、家用电器等领域得到了日益广泛的应用。2.3 单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途3 方案论证3.1 cpu的选择本设计采用的是atmel公司的at89s52如图1所示:以下是对89s52各管脚的功能说明： d8-d6：数据输入线。reset：复位端口。t0，t1：计数器端口外部计数脉冲输入线。xtal1，xtal2：时钟电路。vcc：供电电压。gnd：接地。图1 89s52功能说明图p0口：p0口是一个8位三态双向i/o端口，在访问外部存储器时，它是分时作低8位地址线和8位双向数据总线用。在不访问外部存储器时，作通用i/o端口用，用于传送cpu的输入输出数据。p0端口能以吸收电流的方式驱动8个lsttl负载，一般作为扩展时地址数据总线使用。p1口：p1端口是一个带内部上拉电阻的8位准双向i/o端口（作为输入时，端口锁存器置1）。对p1端口写1时，p1端口被内部的上拉电阻拉为高电平，这时可作为输入口。当p1端口作为输入端口时，因为有内部上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。p1端口能驱动（吸收或输出电流）4个ttl（transistor-transistor logic,晶体管晶体管逻辑）负载，它的每一个引脚都可定义为输入或输出线，其中p1.0、p1.1兼有特殊的功能。p2口：p2端口是一个带内部上拉电阻的8位准双向i/o端口，当外部无扩展或扩展存储器容量小于256b时，p2端口可作一般i/o端口使用，扩充容量在64kb范围时，p2端口为高8位地址输出端口。当作为一般i/o端口使用时，可直接连接外部i/o设备，能驱动4个lsttl负载。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，它利用内部上拉优势，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控制信号。p3口：p3端口是一个带内部上拉电阻的8位准双向i/o端口。向p3端口写入1时，p3端口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入时，被外部拉低的p3端口会因为内部上拉而输出电流。第一功能作为通用i/o端口，第二功能作控制口。p3能驱动4个lsttl（low-power schottky ttl）负载。注：p3口也可作为at89s52的一些特殊功能口，如下所示：p3口管脚备选功能：p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断0） p3.3 /int1（外部中断1） p3.4 t0（记时器0外部输入） p3.5 t1（记时器1外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。32 液晶显示器的选择3.2.1液晶显示原理 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性， 通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、pda移动通信工具等众多领域。3.2.2液晶显示器各种图形的显示原理本设计采用了1602字符型lcd。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式lcd，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图2：图2 1602字符型液晶显示器实物图1602lcd的基本参数及引脚功能1602lcd分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为hd44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图3所示：图3 1602尺寸图1602lcd主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5v工作电流:2.0ma(5.0v)模块最佳工作电压:5.0v字符尺寸:2.954.35(wh)mm引脚功能说明1602lcd采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表1所示:表1：引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1vss电源地9d2数据2vdd电源正极10d3数据3vl液晶显示偏压11d4数据4rs数据/命令选择12d5数据5r/w读/写选择13d6数据6e使能信号14d7数据7d0数据15bla背光源正极8d1数据16blk背光源负极第1脚：vss为地电源。第2脚：vdd接5v正电源。第3脚：vl为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：r/w为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和r/w共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平r/w为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平r/w为低电平时可以写入数据。第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：d0d7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。1602lcd的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2所示：表2：控制命令表序号指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001i/ds4显示开/关控制0000001dcb5光标或字符移位000001s/cr/l*6置功能00001dlnf*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01bf计数器地址10写数到cgram或ddram）10要写的数据内容11从cgram或ddram读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01h,光标复位到地址00h位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00h。指令3：光标和显示模式设置 i/d：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 s:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 d：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 c：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 b：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 s/c：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 dl：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 n：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 f: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器ram地址设置。指令8：ddram地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 bf：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。与hd44780相兼容的芯片时序表如下：表3：基本操作时序表读状态输入rs=l，r/w=h，e=h输出d0d7=状态字写指令输入rs=l，r/w=l，d0d7=指令码，e=高脉冲输出无读数据输入rs=h，r/w=h，e=h输出d0d7=数据写数据输入rs=h，r/w=l，d0d7=数据，e=高脉冲输出无读写操作时序如图4和5所示：图4读操作时序图5 写操作时序1602lcd的ram地址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图6是1602的内部显示地址。图6 1602lcd内部显示地址 例如第二行第一个字符的地址是40h，那么是否直接写入40h就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位d7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000b（40h）+10000000b(80h)=11000000b(c0h)。 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 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，如图7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”图7 cgrom 和cgram中字符代码与图形对应关系 1602lcd的一般初始化（复位）过程延时15ms写指令38h（不检测忙信号）延时5ms写指令38h（不检测忙信号）延时5ms写指令38h（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38h：显示模式设置写指令08h：显示关闭写指令01h：显示清屏写指令06h：显示光标移动设置写指令0ch：显示开及光标设置4系统硬件设计4.1硬件电路系统框图 根据设计需求与设计思路，硬件电路设计框如图8所示，硬件电路结构由主控模块、a/d转换模块、lcd显示模块、电源电路、复位电路、晶振电路、驱动电路几个模块组成。 电源电路复位电路复位电路主控模块at89s52adc0809驱动电路lcd显示电压信号 图8 数字电压表系统框图4.2软件设计流程图由于adc0809在进行a/d转换时需要有clk信号，而此时的adc0809的clk是接在at89s52单片机的p3.3端口上，也就是要求从p3.3输出clk信号供adc0809使用。因此产生clk信号的方法就得用软件来产生了；由于adc0809的参考电压vref=vcc，所以转换之后的数据要经过数据处理。在lcd上显示出电压值，实际显示的电压值关系为v。=d/256vref。软件主程序流程图如图9所示，a/d转换测量子程序流程图如图10所示。开始初始化调用a/d转换测量子程序调用显示子程序 图9 系统主程序流程图结束adc0809地址加1 开始启动测试（testart）a/d转换结束（p3.7=1）?取数据（p2.5=1）图10 a/d转换测量子程序流程图4.3电源电路设计电源电路设计采用机内变压器供电。如图9所示， 图9 电源电路变压器输入220v交流电压，输出9v交流电压。经过桥式整流输出大约9v脉动电压，经过4700uf的滤波电容可得到平稳的直流电压.再经过三端稳压芯片7805稳压输出稳定的+5v电压。4.4 cpu系统设计本设计的cpu采用美国的atmel公司的at89s52单片机，工作电压为+5v，1288位的内部ram，2个16位定时/计数器，6个中断源，以及低功耗和掉电保护方式等一系列功能。如图11所示为单片机电源、复位、晶体振荡电路图。 图11 cpu系统 1复位电路单片机上电复位时，当振荡器正在运行时，只要持续给出rst引脚两个周期的高电平，便可以完成复位。2晶体振荡电路xtal1脚和xtal2脚分别构成片内振荡器的反向放大器的输入和输出端，外接晶体和补偿电容c1c2构成谐振电路。4.5 cpu与显示器接口电路设计1.液晶显示器1602如图12所示图12液晶显示器16022.接口电路单片机与液晶显示器接口电路如图13所示。图13 单片机与液晶显示器接口电路4.6数字电压表硬件电路 图14 数字电压表整体电路图 总结体会这次毕业设计的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了很多单片机、lcd显示屏的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今单片机、lcd显示屏的最新发展技术有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。致 谢这次毕业设计的制作和论文的撰写，我的导师戴新宇老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的同学和朋友。毕业设计是一次再系统学习的过程，毕业设计的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名徐师大学子，在今后的工作中把徐师大的优良传统发扬光大。参考文献【1】 胡汉才单片机原理及其接口技术.北京：清华大学出版社，2004【2】 李朝青单片机原理及接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，200