【基于STC89C52单片机的数字式电压表设计8800字（论文）】

第第页基于STC89C52单片机的数字式电压表设计目录TOC\o"1-2"\h\u3076基于STC89C52单片机的数字式电压表设计 1196621绪论 14801.1课题研究背景及意义 1141501.2国内外发展现状 2103581.3电压表的发展前景 3131031、检测速度快、精度高 32122、更加微型化、智能化 3297963、操作简便，抗干扰能力强 3210982系统方案论证 5255082.1系统总体方案论证 5280992.2控制方案的选取 558762.3单片机的选取 64862.4显示屏的选取 656112.5电压检测模块的选取 7511方案一：ADC0832模数转换器 744293硬件电路设计 8176553.1最小系统的设计 8124583.2按键电路的设计 1059263.3显示电路的设计 10281323.4电压检测电路的设计 11302801、定时传送方式 13301322、查询方式 13128853、中断方式 13321834软件程序设计 15168834.1主程序的设计 15172884.2数据采集子程序程序 17203774.3液晶显示子程序设计 17178994.4过压报警子程序设计 18277995系统运行调试 2041235.1系统仿真运行调试 204225.1.10-5V量程调试 20288515.1.20-12V量程调试 2142675.1.30-24V量程调试 22215结论 241绪论课题研究背景及意义电能的使用，是人类文明的体现。随着第二次工业革命的爆发，人类逐渐进入了电气时代，电能的使用从家用推广到各行各业。电能的大量使用，使得电能检测越来越重要。电压是电能的基本指标，是衡量电能质量的基本要素[1]。在高压电力系统中，对电压的要求比较严格，过高或过低的电压均会对电力系统带来不利的影响，如系统震荡、低电压崩溃等[2]。在家用电器中，过高的电压容易造成电气设备的损坏，过低的电压使得电气设备不能正常运行。因此，电压的准确检测，关系到电能是否能够正常的使用[3]。在电能大量推广使用的时候，用于检测电压的电压表开始广泛使用。传统的电压表多以指针式为主，计数不直观，人工检测误差大，精度较低，容易发生超量程而损坏表计的情况，可靠性较低。随着科技的不断发展，数字式的电压表也应运而生。数字电压表主要利用显示屏显示电压值，比较直观，利于查看，方便使用[4]。然而，市场上的数字电压表往往仅有电压显示的单一性功能，智能化程度低，逐渐不能满足用户的需求。因此，市场上急需要一款智能化的数字式电压表，不仅仅能够准确的检测出电压，并能够实现报警电压设置、过压及低压报警等多样化的功能[5]。随着电子技术的不断升级换代，以单片机为核心的控制系统广泛应用于各种电子产品中。单片机体积较小，价格低廉，能耗低，性能稳定，技术成熟，可靠性高，是一款适用于各种系统的核心控制的芯片[6]。随着单片机技术的不断发展，系统越来越稳定，功能越来越强大，性能越来越可靠，可满足越来越复杂的功能控制要求[7]。因此，将单片机核心控制技术应用于数字式电压表，可实现电压的智能化检测，还能扩展各种多样化的功能[8]。设计与制作一套智能化、功能多样性和性能稳定的数字电压表，有利于电能质量检测系统的完善，拥有很好的发展前景。1.2国内外发展现状国外对电压检测技术的研究较早。自工业革命以来，科学技术进入了高速创新发展时期，照明设备技术水平不断提升，电力环境也日益复杂，因此电压检测的重要性不断提升。国外结合串联电阻连接技术发明了指针式电压表。在科技的迅猛发展势头上，国外的电压检测仪器经过了不断的改善历程，技术越来越成熟。1.2.1国内发展现状国内的电压检测技术起步较晚，从上世纪六十年代开始起步，但发展较快。国内生产的电压，从刚开始的指针表发展为智能化电子数字表，技术越来越成熟。2008年，我国江苏计量测试技术研究所结合ROM储存技术，研制了一款可存储式的电子电压表，除了基本的电压检测功能外，还增加了多点测量和存储功能，能够根据电压最大值和最小值计算出检测时间范围内的平均值[9]。2014年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所利用无线通讯技术，实现了电压的远程测试，且具有能耗低、便携式的优点。2017年，上海理工大学光电信息与计算机工程学院研制了一款手机APP远程控制电压检测的仪器，可通过多点布置传感器，利用手机无线连接，实现远程手机APP实时检测电压数据。中国数字电压表近年来的发展方向主要朝着功能多样化的发现发展，实现的功能越来越多。然而，中国生产的电压表精度往往较低，相对于国外电压检测芯片来说，精度和能耗一直是仍需攻克的重点难点[10]。1.2.2国外发展现状在发达国家中，美国、日本和德国等国家生产的电压表技术比较成熟，在行业内应用比较广泛。2012年，日本柯尼卡美能达公司生产了一款功能多样且精度高的电能表L200A，极度热销。该款电压表能够检测出各类电能量，电阻值的检测可以精确到μΩ级别。2014年，德国GMC公司生产了一款新型的电压表MAVOLUX5032，主要应用于工业领域中。MAVOLUX5032电压表具有非常高的精度，达到了±0.0001V。同时，该款电压表检测范围非常广，能够检测-10kV~+10kV的电压范围[11]。2015年，美国SP公司上市了一款电压表AccuMAXXRP.3000，检测功能也比较强大，能够根据电压自动切换各种量程。国外电压检测技术发展比较成熟，实现了高精度和功能多样化，然而，价格比较昂贵，高达几千上万元。1.3电压表的发展前景如今，数字式电压表一直在各行各业有广泛的需求，电压检测技术在不断创新发展着。对于电压检测技术的未来发展趋势，总结主要有以下：1、检测速度快、精度高随着电子技术的不断升级换代，检测速度慢和精度低的电压表终将淘汰。在未来，新材料发展越来越成熟，新的电压检测传感器材料将被合成或发现，其精度和线性将更好，使得电压表实现检测速度快、精度快的特点[12]。2、更加微型化、智能化便携式一直是电子产品的发展趋势。随着核心控制芯片微型化、传感器芯片小型化和pcb技术的发展，电子产品的体积将越来越少，越来越便携。同时，随着电子器件功能的不断挖掘，电压表的功能越来越多，纯电压检测的功能已经不能满足人们的需求，多点检测、无线遥控、电压性质分析等功能将越来越成熟的应用于电压表中[13]。3、操作简便，抗干扰能力强电子产品的操作将越来越简单易学，数字式电压表也一样。未来的数字式电压表设计，将实现更好的人机交互，操作更简单。同时，为了保证电压检测的稳定性，增加补偿修正等技术，实现在各种复杂电源环境下的检测[14]。

2系统方案论证2.1系统总体方案论证本文以性能稳定、价格低廉的STC89C52单片机为核心控制器，结合高精度的电压检测模块，设计和制作一套可迅速检测电压和实现报警功能的数字式电压表，能够实现0-5V、0-12V、0-24V范围内的电压检测，精度达到0.01V。同时，该智能式电压表可以实现过高电压的报警。系统设计框图如下图2.1所示：时钟电路时钟电路复位电路A/D转换电路测量电压输入显示模块STC89C52单片机按键电路声光报警电路图2.1系统设计框图2.2控制方案的选取方案一：基于模拟电路的控制系统该设计方案属于当前相对传统的一种技术方案。具体以模拟电路为核心，根据检测、调控工作的需要设计电路结构，基于相对简单的电气化元器件电路结构实现相应功能。具有结构简单、简单易用等优势。但是该控制系统也存在检测精度低、控制质量差、稳定性与可靠性不足、实用能力有限等缺陷。加之该电路需要较多元器件实现其功能，因此也表现出整体体积大、能耗高等问题。方案二：基于单片机的控制系统该设计方案以微型控制器为核心，具有成本小、体积小、能耗低、功能强大、结构简单、稳定可靠等优势，是目前应用水平最高的一种控制技术，能够根据用户实际需求对控制功能进行设计开发和调整，充分保证了该技术系统的适用性优势。对比分析上述可选方案的优势和不足并结合设计需要，本研究最终选择基于单片机的控制系统。2.3单片机的选取方案一：STC89C51单片机单片机技术应用发展至今，STC89C51单片机是一种应用时间相对较长、技术相对成熟完善、应用经验相对丰富的单片机技术产品，特别是其电路设计实验领域，这一单片机更是表现出巨大的应用优势。表现出成本小、抗干扰能力强、外围电路结构简单、数据接口数量较少等特点，能够实现相对简单的控制功能。但是无法满足大型、复杂控制系统的需求，勉强使用会存在处理速度慢、响应效率低等问题。方案二：STC89C52单片机52系列单片机是51系列单片机的升级和增强型版本。与相对低级的51系列单片机相比，以STC89C52等为代表的升级产品在I/O接口数量方面表现出一定优势，因此能够实现相对丰富的功能。同时也表现出成本小的优势因此表现出相对较好的应用水平。方案三：STM32单片机STM32嵌入式单片机是技术水平相对更高的一种单片机产品，能够更好的满足用户高性能的需求。此类单片机具有更加丰富的数据接口，因此能够更好的满足复杂、大规模电子电路的设计和应用需求，技术相对成熟且性能也相对稳定。此外，该单片机在集成度方面也表现出一定优势，实现了更加强大的综合性能和更小的体积，应用水平也相对较高。对比分析上述单片机产品的性能特点，结合本智能数字式电压表的功能和性能需求，功能较为复杂，STC89C51的I/O口不足以实现该系统的功能，排除方案一。STC89C52与STM32均能实现该系统的功能，从经济性角度考虑，STC89C52价格低廉，故最终选择STC89C52单片机产品。2.4显示屏的选取方案一：LED数码管此类显示装置基于发光二极管实现显示输出功能。每位显示数字均基于8个发光二极管实现显示效果。因此，LED数码显示管也有着8分段LED数字显示器的别称。此类显示装置性能相对较差，仅适用于简单的数字显示。方案二：LCD1602液晶显示屏此类显示装置能够实现更加清晰、丰富的显示效果，能耗优势也比较显著。在具体应用环节该显示装置支持1行、2行、3行等不同标准的显示功能，能够根据使用需求进行设置和调整。此类显示装置通常配合相应的单片机，实现更加强大的功能和更加丰富的显示效果，能够更好的满足复杂系统的应用需求。基于本课题研究的实际需要，照度计需要显示当前测试值、报警上限值和报警下限值，需要显示内容较多，最终选取LCD1602液晶显示屏作为本次设计的显示方案。2.5电压检测模块的选取方案一：ADC0832模数转换器ADC0832为8\t"/item/ADC0832/_blank"位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，具有双数据输出可作为\t"/item/ADC0832/_blank"数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。方案二：ADC0809模数转换器ADCO809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。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。根据比较，ADC0809为8通道模数转换器，可对8路输入信号进行模数转换；而ADC0832是2通道模数转换器，工作性能上要弱于ADC0809。同时ADC0809是并行ADC，而ADC0832是串行ADC，速度上ADC0809要更快于ADC0832。故选取ADC0809作为本次设计的A/D转换器。

3硬件电路设计3.1最小系统的设计3.1.1主控电路的设计主控电路是单片机控制系统的实现基础，具体由芯片、时钟、复位和功能等子电路组成。在本系统的设计中，根据STC89C52单片机各个引脚的功能来设计各个电路，STC89C52主控芯片管教电路图如下图3.1所示：图3.1STC89C52主控芯片管脚电路图3.1.2复位电路的设计MCS-51的复位输入引脚RST为MCS-51提供了初始化的手段，可以使程序从指定处开始执行，在MCS-51的时钟电路工作后，只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时，即可产生复位的操作，只要RST保持高电平，则MCS-51循环复位，只有单RET由高电平变成低电平以后，MCS-51才从0000H地址开始执行程序，本系统采用按键复位方式的复位电路，复位电路设计图如图3.2所示：图3.2复位电路设计图3.1.3时钟电路的设计MCS-51的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另外一种为外部方式，本论文根据实际需要和简便，采用内部振荡方式，MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器。MCS-51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，所以实际构成的振荡时钟电路，外接晶振以及电容C1和C2构成了并联谐振电路接在放大器的反馈回路中，对接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性。晶振的频率可在1.2MHz~12MHz之间任选，电容C1和C2的典型值在20pF~100pF之间选择，由于本系统用到定时器，为了方便计算，采用了12MHz的晶振，采用电容选择30pF，时钟电路设计图如图3.3所示：图3.3时钟电路设计图STC89C52具有在系统可编程功能，可以很方便的改写单片机存储器内的程序不需要把芯片中从工作环境中剥离，把AT89SISP下载口接入电路，可使电路实现该功能。STC89C52需要接入一个普通12MHz晶振，为其提供稳定的时钟脉冲。3.2按键电路的设计本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始值为高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理。独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了，按键电路设计图如图3.4所示：图3.4按键电路设计图3.3显示电路的设计LCD1602是一种工业字符型液晶显示器，能够同时显示16*2即32个字符。（16列2行）。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。LCD1602液晶显示模块共有16个引脚，各个引脚的功能如下表3.1所示：表3.1LCD1602液晶显示模块引脚功能表引脚名称引脚定义引脚名称引脚定义GND接地EN使能输入VCC接电源，5VDCD0~D7数据线VO对比度调节A背光正极RS指令数据通道K背光负极R/W读写选择本文设计的智能数字电压表，采用LCD1602液晶显示器作为系统的显示屏，该电路的设计图如下图3.5所示：图3.5显示电路设计图3.4电压检测电路的设计ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809共有28个引脚，采用双列直插式封装。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.6所示：图3.6ADC0809引脚图首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809的结构及转换原理：ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电。片内有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的功能来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需100μs左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0-5V的模拟信号进行转换。ADC0809与单片机的连线图如图3.7所示：图3.7ADC0809与单片机的连线图转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。1、定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μS，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。2、查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。3、中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。需要注意的是：ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能换1路，共用一个A/D转换器进行转换，各路之间的切换由软件改变C、A、B引脚上的代码来实现。地址锁存与译码电路完成对A、B、C，3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表3.2为通道选择表：表3.2通道选择表CBA被选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7

4软件程序设计软件程序是系统功能实现的前提条件和重要保证。因此，在完成硬件结构设计工作之后，需要根据其功能需求完成相应驱动程序的设计开发工作。在当前微处理器技术领域，全面界面将作为硬件结构与软件程序的科学整合结果。根据研究需要，本文具体实现电压检测、按键设置信号，利用软件驱动程序，输出电压显示、声光报警的功能。基于模块化的设计理念和C语言技术基础，本文具体完成相关软件程序的设计开发工作。具体内容在下文集中论述。4.1主程序的设计主程序基本技术流程详见下图。主程序的主要功能是与硬件电路相结合，实现电压检测的各个功能，包括进入电压值的显示、报警值的调增与调减、数据的存储和子函数的调用等。在主程序设计中，首先，接收电压检测模块采集的电压数据，进行数模转换。之后判断当前档位范围，执行相应的显示。再判断显示结果是否等于量程上限。若数据结果等于档位上限值，则发光二极管点亮，发出蜂鸣报警声。若数据结果不等于档位上限值，则继续执行相应的数据显示。此时会判断是否发生量程的切换。若判断发生量程切换，则切换至相应的档位再进行显示；若判断不发生量程切换，则会跳转到读取A/D转换进行逻辑循环，主程序流程图如下图4.1所示：开始开始初始化初始化读取AD转换判断当前判断当前量程范围执行相应的显示执行相应的显示N判断显示结果是否等于量程上限N判断显示结果是否等于量程上限YY启动声光报警启动声光报警执行相应的显示执行相应的显示N判断按键N判断按键是否按下YY切换相应切换相应量程的LCD1602显示结束结束图4.1主程序流程图4.2数据采集子程序程序A/D转换子程序流程图如下图4.2所示。ADC0809初始化后，把0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量，然后将对应数值存储到内存单元，其技术流程详见下图4.2：开始开始启动ADC0809通道，并延时100μS转换完？读出A/D转换结果结果存入内存单元返回YN图4.2数据采集子程序流程图4.3液晶显示子程序设计LCD1602液晶显示装置表现出接线简单、通信协议规范标准、显示效果清晰丰富等特点。具体基于顺序显示规则对相关数据进行显示输出。显示程序具体实现了液晶显示装置的控制功能，其技术流程如图4.3所示：开始开始LCD1602LCD1602初始化设置为写命令设置显示坐标N显示相应字符N显示相应字符上一个字符是否显示完毕上一个字符是否显示完毕YY显示下一个字符显示下一个字符结束结束图4.3液晶显示子程序设计流程图4.4过压报警子程序设计系统接收到采集的电压值数据，将采集的电压值与设置的上限值相比较。若电压值等于一开始设置的上限值时，发出声光报警声,过压报警子程序设计流程图如下图4.4所示:开始开始获取当前电压值获取当前电压值电压值是否电压值是否等于上限值NNYY发出声光报警发出声光报警执行相应的显示执行相应的显示结束结束图4.4过压报警子程序流程图

5系统运行调试5.1系统仿真运行调试调试过程中首先要检测的就是硬件电路的设计原理是否正确、能否达到预期效果以及实现方法是否简便等等。本次调试的目的是检验电压表在三个量程下是否都可以正常运行。5.1.10-5V量程调试将.hex文件导入单片机程序后，开始仿真运行。此时默认量程为0-5V。利用滑动变阻器代替检测电压值。通过测试，调节滑动变阻器使检测电压值处于量程范围内时，LCD1602显示器电压正常变动，同时声光报警无响应，LED灯不亮，蜂鸣器不报警，如图5.1所示：图5.1电压表测试图当测试电压值取至量程上限时，声光报警电路被触发，LED灯亮，蜂鸣器报警，如图5.2所示：图5.2测试电压取上限值时测试图当把测试电压值降低时，声光报警电路停止触发。LED灯灭，蜂鸣器停止报警，如图5.3所示：图5.3将上限值回调时电压表测试图经测试可以得出结论：在0-5V量程内电压表能正常运行，系统无不良反馈。5.1.20-12V量程调试通过按键电路，按下按钮K2，将量程切换至0-12V电压范围内。调节滑动变阻器，当检测电压处于量程内时，电压表LC