1、.可測頻率的數(shù)字交流毫伏表設計摘 要本設計是基于AD637電路的交流數(shù)字毫伏表電路設計。該毫伏表是基于真有效值轉(zhuǎn)換(True RMS-to-DC Converter)技術(shù)，以真有效值轉(zhuǎn)換集成芯片AD637為核心，以微控制器（MCU）為量程轉(zhuǎn)換控制，以高精確度10位分辨率串行A/D轉(zhuǎn)換器為模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過LCD顯示，并輔以必要的外圍電路設計而成。數(shù)字交流毫伏表系統(tǒng)主要由MCU控制模塊、程控放大器模塊、真有效值轉(zhuǎn)換模塊、頻率測量模塊、電壓數(shù)字顯示模塊等組成，并且能夠根據(jù)實際交流電壓輸入完成相應的量程轉(zhuǎn)換功能，同時使用LCD顯示測試電壓值。該電路采用TLC1594高精度串行A/D轉(zhuǎn)換電路，測量范圍在V

2、pp為0-10伏的交流信號，用LCD液晶顯示。正文著重給出了軟硬件系統(tǒng)的各部分電路，介紹了電路的基本原理，89C51最小系統(tǒng)的特點，TLC1594的功能和應用，LCD1602的功能和應用。該電路設計新穎、功能強大、可擴展性強。關(guān)鍵詞 真有效值 數(shù)字顯示 頻率測量 TLC1594 A/D轉(zhuǎn)換器*;I39引言數(shù)字電壓表(數(shù)字面板表)是當前電子、電工、儀器、儀表和測量領域大量使用的一種基本測量工具，有關(guān)數(shù)字電壓表的書籍和應用已經(jīng)非常普及了。在電氣測量過程中，電壓是一個很重要的技術(shù)參數(shù)。如何準確地測量模擬信號的電壓有效值，一直是電測儀器研究的內(nèi)容之一。目前，低精度交流數(shù)字毫伏表大多采用平均值原理，只能

3、測量不失真正弦信號的有效值，故受到波形失真度的限制而影響測量精確度和使用范圍。真有效值數(shù)字儀表可以測量在任何復雜波形而不必考慮波形種類和失真度的特點以及測量精確度高、頻帶范圍寬、響應速度快的特點而得到廣泛應用1。在真有效值數(shù)字電壓表設計中，提高系統(tǒng)的測量精確度、穩(wěn)定性、改善線性、提高頻率響應特性是本設計中的關(guān)鍵。數(shù)字電壓表的設計和開發(fā),已經(jīng)有多種類型和款式。和以往的儀器、儀表有所不同的是該設計具有智能調(diào)擋功能，它是基于單片機為基礎的智能化儀表，是單片機應用領域中的又一個新的亮點。單片機的誕生和獨立的技術(shù)發(fā)展道路，充分表明單片機是一個應用于對象體系的智能化工具。這也在儀表應用領域中得到充分肯定。

4、目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。本設計的智能數(shù)字交流毫伏表則采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換方案，從原理上克服了模擬電壓表的缺陷。而且在具體設計和實現(xiàn)過程中有效地保證了儀器的精度和靈敏度。所以這種類型的數(shù)字電壓表無論在功能和實際上,都具有傳統(tǒng)數(shù)字電壓表無法比擬的特點,這使得它的開發(fā)和應用具有良好的市場前景。1 總體方案設計交流毫伏表系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、結(jié)果顯示部分等三個主要組成部分。其中真有效值交流/直流轉(zhuǎn)換器是核心元件。本設計采用高精度AD637芯片，量程為Vopp：010V，

5、精確度為0.05%RDG+0.25mV.系統(tǒng)設計的總體思路:首先將模擬信號通過放大電路將電壓值轉(zhuǎn)換到RMS-DC變換器的工作電壓范圍內(nèi)，然后讓變換結(jié)果通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后直接送入單片機，經(jīng)軟件算法的相應處理后送液晶顯示。若輸入的被測信號電壓不在合適的量程之內(nèi)，單片機經(jīng)過判斷后控制模擬開關(guān)對放大電路作相應的調(diào)整，以實現(xiàn)儀器智能轉(zhuǎn)換量程的功能，并起到了保護后續(xù)電路的作用。系統(tǒng)原理框圖如圖1-1所示：真有效值轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換程控放大器單 片 機信號輸入對增益進行控制LCD顯示波形整形電路頻率測量圖1-1 系統(tǒng)原理框圖從系統(tǒng)原理框圖1-1中可以看出，交流毫伏表系統(tǒng)主要有六個功能模塊：程控放大器模塊、單片機最

6、小系統(tǒng)模塊、真有效值轉(zhuǎn)換模塊、波形整形模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊及液晶顯示模塊組成。其中程控放大器模塊、真有效值模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊及波形整形模塊可以歸納為數(shù)據(jù)采集部分；單片機模塊和液晶顯示模塊可以分別認為是數(shù)據(jù)處理部分、結(jié)果顯示部分。工作流程簡述：交流電壓信號經(jīng)過程控放大器對交流信號進行增益調(diào)整后進入信號真有效值轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)過模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程2；經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)單片機處理程序先判斷信號是否衰減適度，要是衰減適度就送液晶顯示出來，如果衰減度太大或太小的話則進行衰減調(diào)整，經(jīng)衰減合適后的信號經(jīng)液晶顯示出來最終結(jié)果。2 技術(shù)方案論證與比較在技術(shù)方案中，系統(tǒng)功能模塊主要涉及到系統(tǒng)的組成和

7、元件的選擇。系統(tǒng)模塊主要包括：程控放大器模塊、真有效值直流(RMS-DC)變換模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、頻率測量、單片機最小系統(tǒng)模塊、液晶顯示模塊等六個主要組成部分。通過對以上六大模塊的功能分析和比較，提出一下技術(shù)設計方案以供選擇。2.1 真有效值直流變換模塊設計方案真有效值直流變換模塊是本設計的重點，它的設計與器件的選擇關(guān)系到交流數(shù)字毫伏表的精確度和靈敏度，通過對交流毫伏表設計文獻、資料的學習和借鑒，提出以下設計方案以供選擇。方案一：熱點變換法。此方法包括熱電偶效應平衡轉(zhuǎn)換和熱敏三極管變換。熱電偶配對很困難，并且有相應緩慢、過載能力差等缺點。方案二：采樣計算法。此方法是對周期信號進行快速采樣，獲

8、得很多個離散值，存儲在內(nèi)存中再利用計算機的運算功能，按有效值數(shù)學定義：=8進行運算。此方案雖然轉(zhuǎn)換精度高，但是技術(shù)要求高，造價也高，不適合用于多位數(shù)字表的設計。方案三：模擬直接運算變換法。根據(jù)有效數(shù)學定義用集成組件乘法器、開方器等依次對被測信號進行平方、平均和開方等計算，直接得出輸入信號的有效值。在這種電路設計中，當輸入信號幅度變小時，平方器輸出電壓的平均值下降很快，輸出幅度很小，往往與失調(diào)和漂移電壓混淆，因此該電路動態(tài)范圍很窄，精度不高。方案四：單片集成有效值轉(zhuǎn)換組件法。對數(shù)放大器轉(zhuǎn)換是利用晶體管PN結(jié)平方律傳遞關(guān)系而成的。單片集成電路AC/DC真有效值轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成了實現(xiàn)算法求取有效值

9、的各種電路，能將任意波形的交流電壓信號直接轉(zhuǎn)換成與其有效值成比例的直流電壓，而不必考慮波形參數(shù)和失真度的大小。并且AD63721對輸入200mv帶寬可達1MHz，2v以上輸入時帶寬可達8MHz，輸入200mv以下時可以前置放大電路，且使用緩沖模式輸入阻抗可達100M歐，因此AD637完全可以勝任題目要求。比較以上四種方案，采用方案四進行AC/DC真有效值轉(zhuǎn)換，電路簡單，而且在理論上能保證較高的精確度，性價比較高，具有實際的參考價值。2.2 程控放大器模塊設計方案本設計的電壓表顯示范圍為Vopp：0V10V，因后級有效值轉(zhuǎn)換模塊的輸入電壓范圍為1.763.6V，因而需要進行量程的轉(zhuǎn)換。根據(jù)被測信

10、號的大小可把電壓表的量程與放大倍數(shù)設置如下表：量程（Vopp）5mv-10mv10mv-20mv20mv-40mv40mv-80mv80mv-160mv160mv-320mv320mv-640mv放大倍數(shù)100050025012562.53216量程（Vopp）640mv-1.28v1.28v-2.56v2.56v-5.12v5.12v-10.24v放大倍數(shù)8421根據(jù)上表，把范圍在Vopp：0V10V內(nèi)的輸入信號通過兩級反相放大電路放大到Vopp：5V10V這個范圍類。由于單級的放大倍數(shù)最大為50倍，最大頻率為100KHz，即要求運放的增益帶寬積最少為5MHZ。NE5534的增益帶寬積為10

11、MHZ，能夠滿足性能要求，因此程控放大模塊采用NE5534為核心元件，配合CD4051進行放大倍數(shù)的切換。2.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設計方案模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是數(shù)字交流毫伏表設計的一個重要環(huán)節(jié)，它的設計直接關(guān)系到后續(xù)電路的被測量電壓信號的處理和顯示的精度。通過程控模塊輸出來的電壓信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把模擬被測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字被測信號，以便后級單片機處理模塊正常工作，因單片機只能接受數(shù)字信號。并且模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的位數(shù)直接決定被測電壓的精度。以通過學習和借鑒以往交流毫伏表的設計文獻，提出以下設計方案。方案一：8位A/D轉(zhuǎn)換器AD0809 3將交流電壓的真有效值通過AD0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后通過由單片機

12、AT89S51控制，將數(shù)字量用LED數(shù)碼管顯示出來。由于AD0809是八位的A/D轉(zhuǎn)換器，在精度方面無法達到題目的要求，所以放棄這一方案。方案二：3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器MC14433MC14433集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器。但是MC14433的滿量程為200V,無法滿足本題的設計要求。方案三: 10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549TLC1549是10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分

13、基準電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達到1LSB Max（4.8mV）等特點，其量程為0-5V，基本滿足本課程設計的要求。同時其操作也比較簡單，方便實用。綜合比較，選用TLC1549更容易實現(xiàn)題目的基本要求，也可獲得良好性能。故本系統(tǒng)選用方案三。2.4 LCD顯示模塊設計方案液晶顯示器（LCD）5是一種功耗很低的顯示器，它具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，伴隨電子技術(shù)的飛速發(fā)展，液晶顯示器的價格越來越便宜，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件了。它的使用非常的廣泛，不但在家用電器中經(jīng)常應用，而且在現(xiàn)代電子設計中的應用也越來越多。本

14、設計使用的是1602液晶顯示器。1602可以顯示2行16個字符，可以顯示阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文等，完全滿足本設計顯示要求。3 系統(tǒng)硬件電路設計與實現(xiàn)系統(tǒng)硬件電路設計主要包括：程控放大器模塊、波形整形模塊、真有效值直流(RMS-DC)變換模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制模塊、液晶顯示模塊等六個主要組成部分。下面就這五部分的硬件電路設計作如下分析和概括。3.1 程控放大器電路設計程控放大器模塊由三部分構(gòu)成：射極跟隨器、模擬開關(guān)和集成運算放大器。各部分的具體功能如下：第一：射極跟隨器 射極跟隨器就是信號從發(fā)射極輸出的放大器。其特點為輸入阻抗高，輸出阻抗低，動態(tài)電壓放大倍數(shù)小

15、于1并接近1，負載能力強，且輸出電壓與輸入電壓同相但是輸出電阻低，具有電流放大作用和功率放大作用。常作阻抗變換和級間隔離用。本設計當中的射極跟隨器用的是NE5534集成運算放大器，連接方式是基極與發(fā)射極共地，基極輸入信號，發(fā)射極輸出。第二：模擬開關(guān) 模擬開關(guān)CD4051相當于一個單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來決定?！癐NH”是禁止端，當“INH”=1時，各通道均不接通。此外，CD4051還設有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān)可傳輸峰峰值達15V的交流

16、信號。第三：集成運算放大器 根據(jù)設計要求，被測電壓信號由于后級電路的輸入要求要做適當?shù)姆糯蠡蚩s小。前級電路的輸入電壓經(jīng)過射極跟隨器和模擬開關(guān)之間的分檔電阻后被適當?shù)乃p或放大，為考慮到系統(tǒng)設計的精度要求，后級放大電路要對被測信號做適當?shù)姆糯螅员阏嬗行е缔D(zhuǎn)換電路能正常工作和滿足系統(tǒng)精確度的要求。本設計用的是NE5534集成運算放大器，它經(jīng)過外圍電路構(gòu)成放大倍數(shù)為150倍（如上表所示）的信號放大器。程控放大器模塊設計過程中所用器件簡介:第一：NE5534NE5534是高精度低失調(diào)電壓的精密運放集成電路,用于微弱信號的放大,如果使用雙電源，能達到最佳的放大效果。NE5534特點介紹：小信號的帶寬：

17、10MHZ輸出驅(qū)動能力：600 ， 10VRMS at 在 VS=18V輸入噪聲：4nV/HZ2直流電壓增益：100000交流電壓增益：6000在頻率為10KHZ功率帶寬：200KHZ轉(zhuǎn)換速率：每秒13V大電源電壓范圍：從3V到20V圖3-1NE5534 DIP封裝 NE5534 DIP封裝如圖3-1所示。第二：CD4051模擬開關(guān)CD4051相當于一個單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來決定。“INH”是禁止端，當“INH”=1時，各通道均不接通。此外，CD4051還設有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供

18、的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān)可 圖3-2 CD4051芯片傳輸峰峰值達15V的交流信號。第三：程控模塊原理圖如下圖3-3所示。圖3-3 程控放大器模塊模塊工作原理簡述：交流信號進入電路以后，通過兩級反相放大電路進行放大。第一級放大電路可放大的倍數(shù)為：50，25，3，2，1。第二級放大電路可放大的倍數(shù)為：30，20，5，4，2，1。通過控制CD4051，選擇不同的反饋電阻，就可以實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)的切換。通過前后兩級放大電路的放大倍數(shù)的不同組合，使得輸入信號都能放大到Vpp為5V-10V的范圍內(nèi)。3.2 真有效值轉(zhuǎn)換電路設計普通數(shù)字電壓表只能測量直流電壓。如果要測量交流電壓

19、，必須增加交流/直流（AC/DC）轉(zhuǎn)換電路。由于本系統(tǒng)采用測交流有效值的方案，所以需要對交流信號進行真有效值轉(zhuǎn)換。真有效值方法檢測電壓、電流的核心是TRMS/DC轉(zhuǎn)換器，這類轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)已實現(xiàn)單片集成化。就精度、帶寬、功耗、輸入信號電平、波峰因數(shù)和穩(wěn)定時間因素綜合考慮，本設計選用了AD公司的RMS-DC變換器件AD637。它具有響應速度快，響應時間和信號幅度無關(guān)等特點。根據(jù)其特性曲線，AD637在輸入電壓在0.2V2V范圍內(nèi)有最佳頻率響應，故衰減放大電路的輸出信號電壓應控制在該范圍內(nèi)。AD637是一塊高精度單片TRMS/DCC轉(zhuǎn)換器，可以計算各種復雜波形的真有效值。AD637集成芯片采用了峰值系

20、數(shù)補償，在測量峰值系數(shù)高達10的信號時附加誤差僅為1，頻帶寬度在2V以上輸入時可達8MHz。AD637的制造工藝先進，采用激光修正，一般情況下不需要加外部調(diào)整元件。惟一的外圍元件是平均電容 ,用來設定平均時間常數(shù)，并決定低頻準確度、輸出波紋的大小及穩(wěn)定時間。AD637的內(nèi)部有獨立的緩沖放大器，既可作輸入緩沖器用，亦可構(gòu)成有源濾波器來減小紋波，提高測量準確度。此外，芯片內(nèi)部輸入端有過壓保護電路，即使輸入電壓超過電源電壓，一般也不會損壞芯片。AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-4所示19，主要由緩沖器、有源整流器、偏置電路、平方/除法器和濾波電路組成。如圖3-4所示，輸入電壓通過有源整流器轉(zhuǎn)換成單極性

21、電流I1，加至平方/除法器的一個輸入端。平方/除法器的輸出電流為 ，有關(guān)系式為： （3-1）利用驅(qū)動并與構(gòu)成一個低通濾波器，經(jīng)外部提供一個電流，再通過返回平方/除法器，完成下述隱含式有效值計算： （3-2） （3-3）圖3-4 AD637內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖理論驗證：根據(jù)美國模擬公司提供的資料，我們可以得到在理想情況下AD637的頻率響應。當時，頻率上限為300kHz；時，頻率上限為600kHz；時，頻率上限高達8MHz。完全能夠符合本題設計需求。圖3-5 AD637頻率響應圖AD637的運算方程為： （3-4）其中，T為的周期。輸入電壓通過AD637中的絕對值電路變成單極性電流，加至平方/除法器的一

22、個輸入端，再經(jīng)低通濾波/放大器，最終在AD637的9號腳輸出直流電壓。圖3-6 AD637外圍電路綜上所述，由AD637構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路具有準確度高，穩(wěn)定性好，測量速速快等特點，可以測量各種波形的有效值，且頻帶寬，是一種較理想的設計。3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設計A/D轉(zhuǎn)換電路模塊的核心是TLC1549。TLC1549的引腳功能及主要特性：10 位分辨率的 A/D 轉(zhuǎn)換器 引腳兼容 TLC549 和 TLV1549內(nèi)部取樣保持功能 COMS 工藝總共不可調(diào)最大誤差為1LSB片內(nèi)系統(tǒng)時鐘TLC1549C、TLC1549I 和 TLC1549M 是一個 10 位開關(guān)電容器，逐次逼近型的 AD 轉(zhuǎn)換器。這

23、個芯片有 2 個數(shù)字輸入端，1 個三態(tài)輸出口(CS)，1 個 I/O CLOCK 端口和 1 個數(shù)字輸出端（DATA OUT）,可以實現(xiàn)一個三總線接口到總控制器的串行口的數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能, 而且開關(guān)電容設計使在滿刻度時總誤差最大僅為1 LSB ( 4.8 mV) , 因此可廣泛應用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。引腳功能：ANALOG IN：模擬信號輸入。電源阻抗應該小于 1K 歐。外部電源到該引腳的電流應大于10mA。CS：片選。CS 從高電平到低電平跳變可以復位內(nèi)部計數(shù)器并在一個最大的啟動時間加上兩個內(nèi)部時鐘的下降沿時間內(nèi)控制和使能 DA

24、TA OUT、I/O CLOCK。在一個啟動時間加上兩個內(nèi)部時鐘的下降沿時間內(nèi) CS 從低電平到高電平可以禁止 I/O CLOCK。DATA OUT ：當 CS 為高時 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果為高阻抗，當 CS 為低時 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果有效。在有效 CS下，該引腳輸出值為上次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位（MSB）的數(shù)字量。在下一個時鐘下降沿輸出次高位數(shù)字量，以此順序輸出直到第 9 個下降沿輸出最低有效位（LSB），在第 10 個時鐘下降沿，該引腳被拉低以確保串行數(shù)據(jù)口傳輸超過 10個時鐘周期。GND：該引腳和內(nèi)部電路的地相連，除非有特殊要求，所有的地都和該引腳相連。I/O CLOCK：輸入/輸出時鐘口。該引腳作

25、為串行時鐘的輸入口有以下三個功能：（1） 在第三個時鐘下降沿時，模擬輸入電壓開始給陣列電容充電一直到第10 個時鐘下降沿。 （2） 之前轉(zhuǎn)換結(jié)果的 9 個剩余位隨著該引腳在 DATA OUT 引腳上逐位輸出。（3） 在第 10 個時鐘下降沿，該引腳可以控制轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸?shù)絻?nèi)部控制器。REF+：正參考電壓的值（通常接 VCC）接到 REF+引腳上。REF-：負參考電壓的值（通常接地）接到 REF-引腳上。最大輸入電壓的范圍是 REF+電壓和 REF-電壓的差值。VCC：正電源電壓。詳細描述：當 CS 為高電平時，I/O CLOCK 為初始禁止狀態(tài)、DATA OUT 為高阻抗狀態(tài)。當串口將 CS拉低

26、后，隨著 CLOCK 和 DATA OUT 的使能開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。然后串口開始提供一個順序時鐘，同時接受 DATA OUT 上次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過串口設置 CLOCK 口 10-16 個時鐘周期，在第一次的 10 個時鐘周期內(nèi)完成模擬信號的取樣。TLC1549 有 6 個基本的串口時間模式。這些模式取決于時鐘的速度和對 CS 的操作。這些模式包括 模式 1：（快速模式）10 個時鐘周期的轉(zhuǎn)換時間并且 CS 為高模式 2：（快速模式）10 個時鐘周期的轉(zhuǎn)換時間并且 CS 為低模式 3：（快速模式）1116 個時鐘周期的轉(zhuǎn)換時間并且 CS 為高模式 4：（快速模式）16 個時鐘周期的轉(zhuǎn)換并且 CS 為

27、低模式 5：（慢速模式）1116 個時鐘周期的轉(zhuǎn)換并且 CS 為高模式 6：（慢速模式）16 個時鐘周期的轉(zhuǎn)換并且 CS 為低 圖3-10 A/D轉(zhuǎn)換電路3.4 單片機最小系統(tǒng)電路設計單片機即微控制器10,它集中央處理器、存儲器、輸人輸出電路等為一體, 可以完成復雜的運算、邏輯控制、通信等功能。那么,一個最簡單的單片機系統(tǒng)都由哪些電路組成呢？從圖可以看出,典型的單片機系統(tǒng)包括晶振、復位、電源、系統(tǒng)的輸人控制、輸出顯示,以及其他外圍模塊等。單片機的工作流程,就是在系統(tǒng)時鐘的作用下,一條一條地執(zhí)行存儲器中的程序。單片機的時鐘電路由外接的一只晶振和兩只起振電容,以及單片機內(nèi)部的時鐘電路組成,晶振的頻

28、率越高,單片機處理數(shù)據(jù)的速度越快,系統(tǒng)功耗也會相應增加, 穩(wěn)定性也會下降。單片機系統(tǒng)常用的晶振頻率6MHZ、11.0592MHZ、12MHZ等，本設計的系統(tǒng)用的是12MHZ的晶振。電容使用的是30PF或22PF的都可以。系統(tǒng)剛上電時,單片機內(nèi)部的程序還沒有開始執(zhí)行,需要一段準備時間,也就是復位時間。一個穩(wěn)定的單片機系統(tǒng)必須設計復位電路。當程序跑飛或死機時類似于電腦的死機,也需要進行系統(tǒng)復位。復位電路有很多種,典型的電路如圖所示。在產(chǎn)品開發(fā)中,有時專門用一個芯片來設計復位電路,單片機基本工作電路其他外圍器件單片機輸出顯示電源時鐘電路圖單片機典型系統(tǒng)組成穩(wěn)定性真的很重要。對于復位電阻和電容的選擇,

29、圖中的復位電阻和電容是經(jīng)驗值,實際制作時,可以用同一個數(shù)量級的代替。單片機的EA腳控制程序從內(nèi)部存儲器還是從外部存儲器讀取程序。由于現(xiàn)在單片機內(nèi)部的FLASH容量都很大,因此基本都是從內(nèi)部的存儲器讀取程序,即不需要外接ROM來存儲程序,因此,EA 腳必須接高電平這點一定要注意,很多初學者常常將腳懸空, 導致程序執(zhí)行不正常。下圖所示為最小系統(tǒng)方框圖：單片機復 位 電 路輸入/輸出設備振 蕩 電 路電源電路圖3-11 單片機最小系統(tǒng)根據(jù)初步設計方案分析，設計這樣一個簡單的應用系統(tǒng)，可以選擇帶有EPROM的單片機，應用程序直接存儲在片內(nèi)，不用在外部擴展程序存儲器，電路可以簡化。Intel公司的805

30、1、80C51和8751芯片均可以選用。鑒于STC系列芯片在燒錄時比較簡單，使程序?qū)懭敫臃奖?，我們選用STC系列的89C51單片機。該型號單片機用很少的外圍元器件就可以完成串口的下載，不但簡單易行，而且價格低廉、購買方便。可多次寫入，便于調(diào)試。STC89C51芯片采用DIP-40封裝形式，管腳配置如圖4-2所示：40只引腳按其功能來分，可以分為如下3類：（1）電源及時鐘引腳：Vcc、GND；XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳：PSEN、ALE、EA、RESET。（3）I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口的外部引腳。 引腳功能介紹：（1）電源引腳：Vcc(40引腳)：接

31、+5V電源。GND(20引腳)：接地。（2）時鐘引腳：XTAL1(19引腳)：外接晶體的1個引腳。該引腳的內(nèi)部是一個反相放大器的輸入端。這個反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時，此引腳應接地。XTAL2（18引腳）：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。若采用外部時鐘振蕩器時，把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 （3）控制引腳： 圖3-12 STC89C51芯片RST/VPD(9引腳)：RST復位信號輸入端，高電平有效。VPD：備用電源的輸入端。ALE(30引腳)：地址所存允許信號，當單片機上電正常工作后，ALE引腳不斷輸出正脈沖信號。PSEN(29

32、引腳)：程序存儲器允許輸出控制端。EA（31引腳）：內(nèi)外程序存儲器選擇控制端。當EA引腳為高電平時，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器，但在PC值超過0FFFFH時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。（4）I/O口引腳：P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可驅(qū)動8個LS型TTL負載。P1口：8位準雙向I/O口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。單片機工作的時間基準是由時鐘電路提供的。在單片機的XTAL1和XTAL2兩個管腳，接

33、一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機的時鐘電路，如圖4-3所示：圖3-13 單片機時鐘電路在單片機復位電路中，電容C1和C2對振蕩頻率有微調(diào)的作用，通常的取值范圍為（30+10）pF或（30-10）pF。石英晶體選擇6MHz或12MHz都可以，其結(jié)果只是機器周期的不同，影響計數(shù)器的計數(shù)初值。本設計中電容采用30pF，石英晶體采用11.0592MHz。單片機的RST管腳為主機提供一個外部復位信號輸入端口。復位信號是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時間為2個機器周期以上。單片機的復位方式有上電復位和手動復位兩種。圖4-4所示是51系列單片機常用的上電復位和手動復位組合電路。圖3-14 單片機復位電路復位以

34、后，單片機內(nèi)各部件恢復到初始狀態(tài)，參見表3-113：表3-1 復位后片內(nèi)各寄存器狀態(tài)寄存器 內(nèi)容 寄存器 內(nèi)容 PC 00H TMOD 00H A 00H TCON 00H B 00H TH0 00H PSW 00H TL0 00H SP 07H TH1 00H DPTR 0000H TL1 00H P0P3 0FFH SCON 00H IP(XXX00000)B SBUF 不變 IE (0XX00000)B PCON(0XXXXXXX)B3.5 液晶顯示電路設計液晶顯示器（LCD）14是一種功耗很低的顯示器。它的使用非常的廣泛，比如電子表、計數(shù)器、數(shù)碼相機、計算機的顯示器或液晶電視等。液晶顯

35、示以其優(yōu)越的性能，越來越受到設計人員的青睞，液晶顯示的應用領域越來越多。液晶顯示模塊在現(xiàn)代電子設計中的應用也越來越多。本設計中使用的1602就是一片液晶顯示器。LCD是一種被動顯示器。它本身不發(fā)光，其通過調(diào)節(jié)光的亮度來達到顯示效果。LCD主要是利用液晶的扭曲-向列效應制成。這是一種電效應。液晶顯示模塊中，最主要的就是LCD液晶屏，根據(jù)液晶顯示屏顯示內(nèi)容的不同，液晶顯示模塊可分為數(shù)顯液晶模塊、點陣字符液晶模塊、點陣圖形液晶模塊三種。使用液晶作為顯示設備具有很多的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：（1）顯示質(zhì)量高。由于液晶顯示模塊每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，因此液晶顯示模塊

36、畫面質(zhì)量高而不會閃爍，把眼睛疲勞降到最低。（2）沒有電磁輻射。液晶顯示模塊的先天特點決定其沒有電磁輻射，這個優(yōu)點使得液晶電視和計算機的顯示器都廣泛推廣。（3）應用范圍廣。液晶顯示模塊特別是點陣圖形液晶模塊，可以顯示數(shù)字、字符、漢字和圖形等。（4）數(shù)字式接口。液晶顯示模塊是數(shù)字式的，和單片機的接口十分的簡單，操縱也十分的方便。（5）體積小、重量輕。液晶顯示模塊通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)，達到顯示目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器件要輕得多。（6）功耗小。液晶顯示模塊的功耗主要是消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動芯片上。因此，對于相同顯示面積，液晶顯示模塊的耗電量比其它顯示器件要小的多。160

37、2采用標準的16腳接口，其中：表3-2 管腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2雙向數(shù)據(jù)口2VDD電源正極10D3雙向數(shù)據(jù)口3VL對比度調(diào)節(jié)11D4雙向數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5雙向數(shù)據(jù)口5R/W讀/寫選擇13D6雙向數(shù)據(jù)口6E模塊使能端14D7雙向數(shù)據(jù)口7D0雙向數(shù)據(jù)口15BLK背光源地8D1雙向數(shù)據(jù)口16BLA背光源正極1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H）

38、，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表3-3所示，表3-3 控制命令表序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM

39、或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容1602的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平） 指令1：清顯示 指令碼01H,光標復位到地址00H位置。指令2：光標復位 光標返回到地址00H。指令3：光標和顯示模式設置 I/D 光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。 指令4：顯示開關(guān)控制 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令5：光標或顯示移位S/C高電平時移動顯示

40、的文字，低電平時移動光標 指令6：功能設置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F:低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符 （有些模塊是 DL：高電平時為8位總線，低電平時為4位總線）。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設置。 指令8：DDRAM地址設置。 指令9：讀忙信號和光標地址BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令10：寫數(shù)據(jù)。 指令11：讀數(shù)據(jù)。圖3-15 單片機與液晶顯示模塊連接圖3.5 波形整形電路設計波形整形電路的核心是電壓比較器。當運放的正相輸入端的輸入電壓大

41、于反相輸入端時，運放輸出正電壓；反之，則輸出負電壓。根據(jù)這一特性，在運放的反相輸入端輸入一個固定的電壓值，然后把經(jīng)程控放大電路放大后的輸入信號輸入到正相輸入端，便可把各種輸入信號轉(zhuǎn)換為方波信號（脈沖信號）。然后，把整形后的波形信號送進單片機進行頻率測量。具體電路圖如下圖3-16所示：圖3-16 波形整形電路圖4 軟件程序設計軟件設計主要完成三部分工作：數(shù)據(jù)處理、控制模擬開關(guān)實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換，以及計算和顯示電壓有效值。該設計的電壓表具有三個量程范圍，具有量程自動切換功能；數(shù)據(jù)處理主要是把A/D轉(zhuǎn)換后的浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為字符型數(shù)組；液晶顯示部分主要是把處理后的電壓有效值數(shù)據(jù)送到液晶顯示器上。主流程圖見附

42、頁部分。4.1 量程自動轉(zhuǎn)換程序設計本設計共設11個量程切換，如下表4-1。通過模擬開關(guān)元器件CD4051來進行量程切換功能，實際電路中通過對模擬開關(guān)CD4051的控制線ABC來實現(xiàn)量程的切換。由于輸入信號未知，為避免電路被燒壞，設定的初始量程應為最低量程，即（BA：1）。表4-1 量程轉(zhuǎn)換控制量程（Vopp）5mv-10mv10mv-20mv20mv-40mv40mv-80mv80mv-160mv160mv-320mv320mv-640mv放大倍數(shù)100050025012562.53216量程（Vopp）640mv-1.28v1.28v-2.56v2.56v-5.12v5.12v-10.24

43、v放大倍數(shù)8421取數(shù)據(jù)返回檔數(shù)取數(shù)據(jù)切換高一級檔位切換低一級檔位大于范圍上限NY小于范圍下限NY圖4-1 量程轉(zhuǎn)換流程圖通過單片機的P2口8根控制線來實現(xiàn)如表4-1所示的量程自動切換功能。4.2 數(shù)據(jù)處理程序設計液晶顯示的數(shù)據(jù)是字符型數(shù)組，所以單片機要把輸入的A/D轉(zhuǎn)換后要顯示的浮點型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符型數(shù)組在液晶顯示器上顯示出來。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是浮點型實數(shù)，通過編寫一個浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為字符型數(shù)據(jù)（ASCII碼）的子函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖4-2所示。AD轉(zhuǎn)換數(shù)值數(shù)值100000？取高5位，并且轉(zhuǎn)化為xxx.xx的形式，單位為mV把數(shù)值放大100000取高3為，并且轉(zhuǎn)化為

44、x.xx的形式，單位為VYN送液晶顯示圖4-2 數(shù)據(jù)處理流程圖4.3 液晶顯示模塊程序設計液晶顯示模塊程序主要由初始化函數(shù)、送命令控制字函數(shù)、送顯示數(shù)據(jù)函數(shù)和送多個待顯示字符函數(shù)組成。下圖4-3為液晶顯示流程圖。初始化液晶顯示送控制命令字設置顯示數(shù)據(jù)信息送待顯示的字符數(shù)據(jù)返 回圖4-3 液晶顯示流程圖1602C可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7，和RS、R/W、EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光。1602液晶顯示器有兩個寄存器，一個是命令寄存器，另一個是數(shù)據(jù)寄存器；所有的1602液晶顯示器一個重要的特點是:軟件編程時要先寫命令字，再寫數(shù)據(jù)。4.4 頻率

45、測量程序設計 頻率測量部分，通過把單片機的兩個定時計數(shù)器來實現(xiàn)。把T0設置為外部計數(shù)器，記錄外部脈沖數(shù)。把T1設置為內(nèi)部定時器，產(chǎn)生1S定時時基信號。通過兩個定時計數(shù)器的協(xié)作，記錄1S內(nèi)單片機所接收到的脈沖數(shù)，就能得出輸入信號的頻率。頻率測量程序的流程圖如圖4-4所示：初始化T0、T1裝入初值啟動T0、T1關(guān)閉T0、T1返回頻率數(shù)計時時間=1S？圖4-4 頻率測量流程圖5 系統(tǒng)調(diào)試下面介紹本設計的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試方面的調(diào)試方法。5.1 硬件調(diào)試本設計的硬件焊接主要是單片機最小系統(tǒng)的焊接與調(diào)試、液晶顯示的焊接與調(diào)試、程控模塊的焊接與調(diào)試、A/D模塊的焊接與調(diào)試、電源電路的焊接與調(diào)試等。下面就液

46、晶顯示模塊的檢修作如下介紹。（1）“字跡” 使用幾小時或幾天，電極變黑或變色，出現(xiàn)黑或棕色字跡，液晶盒產(chǎn)生氣泡，一致不能顯示。這時由于驅(qū)動電壓直流成分過大，從而引起化學反應造成的。（2）隱約顯示故障 裝配后出現(xiàn)不該顯示的筆段也隱約顯示，以致不能讀出，其原因可能是：引線間部清潔、玻璃表面導電（天氣太濕）、公用電極或段電極懸空、交流等。（3）全部顯示 譯碼器正常，但全部像素顯示。一般是背電極未接好，懸空或是背電極接入直流。（4）缺筆畫顯示 電極引線玷污或是導電橡膠玷污等。5.2 軟件調(diào)試本設計的軟件部分主要包括液晶顯示部分、量程轉(zhuǎn)換部分、數(shù)據(jù)處理部分等。程序的編寫是用C語言編寫的，軟件部分使用的是

47、KEIL C51，并最終通過編譯。液晶顯示部分良好。附 錄總體電路原理圖參考程序清單/*- 課程設計2：數(shù)字交流毫伏表-*/#include /包含頭文件，一般情況不需要改動，頭文件包含特殊功能寄存器的定義#includesbit RS = P10; /定義端口 sbit RW = P11;sbit EN = P12;sbit adclk=P13; /時鐘線sbit adcs=P15; /CSsbit addata=P14; /數(shù)據(jù)線#define RS_CLR RS=0 #define RS_SET RS=1#define RW_CLR RW=0 #define RW_SET RW=1 #d

48、efine EN_CLR EN=0#define EN_SET EN=1#define DataPort P0unsigned char table=0x54,0x44,0x43,0x33,0x22,0x04,0x03,0x21,0x20,0x11,0x10;/程控放大部分控制數(shù)組double code tab=1.13,2.12,4.2,8.2,15.39,31.5,60.5,117.7,252.0,457.1,984.0; /與程控放大控制數(shù)組相對應的放大倍數(shù)unsigned char cc,c,counter_aa,timer_aa,cc;unsigned long temp;/*- uS延時函數(shù)，含有輸入?yún)?shù) unsigned char t，無返回值 unsigned char 是定義無符號字符變量，其值的范圍是 0255 這里使用晶振12M，精確延時請使用匯編,大致延時 長度如下 T=tx2+5 uS -*/void DelayUs2x(