某數(shù)字電壓表的硬件電路設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19934某數(shù)字電壓表的硬件電路設(shè)計案例 1105041.1單片機系統(tǒng) 1322811.1.1單片機最小系統(tǒng) 1115611.2A/D轉(zhuǎn)換模塊 2121331.2.1AD轉(zhuǎn)換器選型 2276071.2.2AD0809介紹 3227161.2.3A/D轉(zhuǎn)換電路的接口設(shè)計 4103191.3液晶顯示模塊 5163891.1.1顯示器選型 5189511.1.2LCD1602顯示電路 7192661.4按鍵開關(guān)系統(tǒng) 8291171.5測壓模塊 8102311.5.1LM393 9204061.5.2CD4053 10253101.6藍牙模塊 1233721.6.1通信原理 1266921.6.2藍牙單片機接口設(shè)計 121.1單片機系統(tǒng)1.1.1單片機最小系統(tǒng)STC89C52是一種低耗高性能COMOS8的微控制器，其中它的ROM內(nèi)存為8K，RAM內(nèi)存為512字節(jié)。它和MCS-51擁有著相同的內(nèi)核，但它相較于傳統(tǒng)的51單片機做出了一些改進從而增加了新功能，例如STC89C52不需要專門的下載器，可以通過USB轉(zhuǎn)串口下載。兩者通俗的比較就是數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器不同，其他都相同。時鐘電路的基本工作原理是在單片機外接一個振蕩器，晶振提供高頻脈沖再經(jīng)過分頻處理，便是單片機內(nèi)部時鐘信號，它用作芯片上各個組件協(xié)同工作的控制信號。單片微機在開始啟動運行時都需要復(fù)位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，然后從這個狀態(tài)啟動工作。在STC89C52有一個復(fù)位端引腳RST[3]，它使用施密特觸發(fā)器進行輸入。當(dāng)振蕩器啟動后，只要引腳為高電平超過2個機器周期，器件就可以保證復(fù)位。如果復(fù)位完成后，復(fù)位端引腳仍然保持高電平狀態(tài)，則單片機將一直保持復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)復(fù)位端引腳恢復(fù)低電平狀態(tài)后，單片機則進入其他工作狀態(tài)[4]。如圖3-1所示，就是單片機最小系統(tǒng)。圖3-1最小系統(tǒng)1.2A/D轉(zhuǎn)換模塊1.2.1AD轉(zhuǎn)換器選型現(xiàn)如今，人們追求便捷化的儀表儀器，數(shù)字電壓表已經(jīng)成為諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)、離散的數(shù)字量便是電壓表數(shù)字化過程的形式[5]，再經(jīng)過數(shù)字化之后便可以顯示儀器顯示出來。傳統(tǒng)意義上的儀器是要以肉眼的形式去觀察指針和刻度盤從而讀出數(shù)值，而數(shù)字化的電壓表與它區(qū)別甚大，這種方法可以有效地避免了由視覺帶來的誤差。模數(shù)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)是當(dāng)今數(shù)字電壓表儀器的最核心部件之一了，而數(shù)字電壓表的精度很大程度上還是取決于A/D轉(zhuǎn)換器的精度。根據(jù)各種模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型（SAR），Σ-Δ型AD，雙積分型（VT）[6]，并行比較模數(shù)器等。再根據(jù)信號的傳輸方式可以分為并行和串行兩種。本設(shè)計中提供了兩種不同的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以便選擇分析。方案一AD0832AD0832是一種8位分辨率、具有雙通道的AD轉(zhuǎn)換芯片。如圖3-2所示，它體積很小占用面積小，與此同時它兼容性很高，總結(jié)來說它是一款性價比很高的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。圖3-2AD0832實物圖方案二AD0809AD0809是一種8位分辨率、具有八通道的AD轉(zhuǎn)換芯片。如圖3-3所示，它的體積也很小，同時帶有著微處理器兼容的的控制邏輯CMOS組件。總得來說也是一款受消費者青睞的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。圖3-3AD0809實物圖AD0832的轉(zhuǎn)換速度極快，只有短短地32μS。而AD0809的100μS的轉(zhuǎn)換時間相對來說慢了一點，而它們的分辨率相同。而AD0809是并行通訊的，每一時刻可以傳輸多個比特的信號，而AD0832為串行通訊，每刻只能傳輸一個比特的信號。此外在本設(shè)計中，有著調(diào)節(jié)量程的功能，需要用到更多的引腳，AD0832不能滿足此條件，而AD0809的引腳數(shù)量足夠?？偟脕碚f就是AD0809通道多且是并行通訊，相對于AD0832的雙通道且是串行通訊，它的效率更高。所以在本次數(shù)字電壓表設(shè)計中，我選用了轉(zhuǎn)換時間快，精度高的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0809，它有著8路通道選擇，而且它可以直接與單片機相連接，將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并將數(shù)字傳輸給單片機，從而通過單片機顯示出來。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間受到其位數(shù)和時鐘周期影響，它的位數(shù)為8為則只需要比較8次，在實際運用中它的轉(zhuǎn)換速度更快時間更短，所以它更被人青睞。1.2.2AD0809介紹AD0809是位數(shù)為8位的、工作原理為SAR的一款模數(shù)轉(zhuǎn)換器件[7]。它有8條通道，內(nèi)部有3路開關(guān)，通過了解地址鎖存譯碼器的真值表編譯后的信號，使八路模擬輸入信號中只有一路被選擇用作于模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。其主要特性有：（1）分辨率為8位，即模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的編碼個數(shù)為28。（2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。（3）轉(zhuǎn)換時間為100μs。（4）單個＋5V電源供電。（5）低功耗，約15mW。AD0809擁有28條引腳，采用雙列直插式封裝。它的IN0-IN7為8通道模擬輸入端，D0-D7為8位數(shù)字量輸出端。根據(jù)真值表，改變ADDA、ADDB、ADDC三個的高低電平可以選擇具體某條模擬輸入通道。ADC0809的工作過程:首先要地址鎖存端輸入高電平，這時輸入3位地址，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿啟動脈沖信號將寄存器復(fù)位，當(dāng)下降沿才真正啟動A/D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換中EOC需要變?yōu)榈碗娖剑?dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，A/D轉(zhuǎn)換完成了，這時A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)便存入鎖存器。當(dāng)OE變?yōu)楦唠娖綍r，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出[8]。1.2.3A/D轉(zhuǎn)換電路的接口設(shè)計AD0809與單片機的連接設(shè)計電路圖如圖3-4：AD0809的2-1~2-8這8條數(shù)字輸出端連接著單片機的P0端，它的3端輸入通道A、B、C與單片機的P2.3、2.4、2.5相連接，EOC端與P1.5相連接，ALE端與P1.6端相連接。圖3-4AD0809與單片機連接圖1.3液晶顯示模塊1.1.1顯示器選型方案一數(shù)碼管如圖3-5為數(shù)碼管實物圖，它可以形成不同的數(shù)字。LED數(shù)碼管是市場上非常常見且廉價的屏幕。它的優(yōu)點是編程簡單，缺點是只能顯示A到F的英文字符和數(shù)字字符，能顯示的內(nèi)容較少。圖3-5數(shù)碼管實物圖方案二液晶LCD1602如圖3-6所示為液晶顯示屏1602的實物圖，它是一種經(jīng)常被使用的液晶屏，液晶屏幕上可以顯示中文、英文、數(shù)字等特殊符號，在硬件布線方面，布線方法也非常明確。編寫軟件代碼也很容易，該LCD還可以選擇是否需要背光?？傊?，LCD1602是一款性價比很高的產(chǎn)品。圖3-6LCD1602實物圖在本次設(shè)計中需要實時直觀的顯示出電壓的數(shù)值,并且需要中英文字符的顯示，數(shù)碼管明顯不行，所以我選擇了后者的方案二。液晶顯示器LCD全稱LiquidCrystalDisplay。在現(xiàn)如今液晶顯示器擁有者許多的優(yōu)點，如體積小、重量輕、功耗低等，在具有這些優(yōu)勢之后使它逐漸成為電子表、電腦顯示器等各種電子產(chǎn)品配套的理想顯示器。按LCD顯示內(nèi)容分類可將其分為段式、字符、點陣型。其中，字符液晶以其成本便宜、色彩豐富、外形美觀、操作便捷等優(yōu)點，逐漸成為LED數(shù)碼管的理想代替物品。LCD液晶屏已經(jīng)成為一種被應(yīng)用廣泛的字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏、控制驅(qū)動主電路HD44780和擴展驅(qū)動電路HD44100等元器件結(jié)構(gòu)裝配在PCB板上而組成[9]。LCD1602能夠同時顯示2行，16列，一共可以顯示32個字符。它具有低功耗、小體積、超薄、輕巧等特點，常用于袖珍設(shè)備和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)。LCD在運行每個指令前都需要確保它的忙標志BF為低電平，當(dāng)BF為1時該命令將無效。如果要在顯示屏上的對應(yīng)位置顯示出字符，必須先輸入對應(yīng)的顯示字符地址。通俗理解便是提前告知字符顯示地址。如圖3-7是1602的內(nèi)部具體位置的不同顯示地址。圖3-71602內(nèi)部顯示圖第一步：在使用LCD之前我們首先需要將它初始化，然后要設(shè)置它的顯示模式。當(dāng)LCD模塊可以顯示字符時，我們無需手動操作，而光標則會自動的向右移動。每當(dāng)我們在輸入命令之前，都需要確定LCD模塊是否在忙。單片機和LCD1602兩者想要相互溝通，應(yīng)該要通過0和1的組成的語言才能實現(xiàn)，若想在LCD1602上顯示內(nèi)容時，RS=1對應(yīng)上表3-8所輸入的代碼即可在顯示屏上顯示相對應(yīng)的內(nèi)容，若單片機傳輸01000001為0x41所顯示的對應(yīng)字符就為A.當(dāng)RS=0是LCD1602識別代碼為位置代碼.就正如圖3-6，Bit7固定為1，剩下7位輸入所對應(yīng)圖3-7LCD1602上所對應(yīng)的位置，如果是單片機給LCD1602給單片機發(fā)送10000001那么它對應(yīng)的是LCD1602第一行第二個位置。1.1.2LCD1602顯示電路如圖3-8，我們可以控制使能信號E引腳的上升、下降沿以此讓LCD進行不同的傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)。單片機的P0.0-P0.7引腳連接LCD1602的D0-D7的7個數(shù)據(jù)引腳，以此作為顯示部分顯示檢測處的電壓數(shù)值。液晶顯示偏壓VL引腳對應(yīng)圖3-8中的V0引腳，在本電路中是調(diào)整LCD1602的顯示對比度，當(dāng)對比度過高的時候會出現(xiàn)“鬼影”的效果，在圖中有一個10K的上拉電阻就是用來調(diào)節(jié)對比度以此消除該情況的。數(shù)據(jù)/命令選擇端RS引腳高低電平分別進行數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸或者命令字節(jié)傳輸。讀/寫選擇端R/W：引腳的高低電平（1或0）分別對LCD1602讀寫數(shù)據(jù)。圖3-8顯示電路設(shè)計圖1.4按鍵開關(guān)系統(tǒng)本設(shè)計共有3個按鍵設(shè)計，分別是一個復(fù)位開關(guān)和兩個調(diào)節(jié)量程的開關(guān)。如圖3-9是調(diào)節(jié)測量量程的兩個通道開關(guān)。按下按鈕即可調(diào)節(jié)至0-5V或者0-12V以及一個自動量程這三個不同的量程。圖3-9量程調(diào)節(jié)圖1.5測壓模塊如圖3-10是測壓模塊圖。是由兩路LM393雙電壓比較器和模擬開關(guān)CD4053組成。圖3-10測壓模塊圖1.5.1LM393LM393是一種雙電壓比較器集成電路。它的實物如圖3-11所示。它在該設(shè)計電路的作用就是電壓比較，因為我在設(shè)定的的量程值為0-5V和0-12V，所以LM393參考電壓為5V。圖3-11LM393實物圖如圖3-12實驗一所示，以比較器的反向輸入電壓5V作為參考電壓時，比較器的正向電壓輸入為3V時，這時正極小于5V參考電壓，那么比較器輸出為低電平，則與比較器相連接的單片機的P1.0收到反饋為低電平。如圖3-13實驗二，當(dāng)比較器的正向電壓為9V時，這時大于5V的參考電壓便輸出高電平，那與單片機相連接的P1.0口收到反饋為高電平。圖3-12實驗一圖3-13實驗二1.5.2CD4053CD4053是一塊帶有公共使能輸入控制的3路二選一模擬開關(guān)電路，他相當(dāng)于三組單刀雙擲開關(guān)。它的A、B、C三個引腳開關(guān)都有axay、bxby、cxcy兩個獨立的輸入輸出通道以及對應(yīng)的公共輸入輸出端和選擇輸入端。CD4053的每一路都有兩個雙向模擬開關(guān)，開關(guān)的一邊連接到獨立輸入/輸出端，另一邊連接到公共輸入/輸出端[10]。當(dāng)INH端引腳為高電平時，所以通道會被截止，即處于高阻狀態(tài)。只有當(dāng)它處于低電平時才能有開關(guān)通道被選擇，即處于低阻狀態(tài)。CD4053芯片引腳圖如圖3-14所示。功能如下表3-1：圖3-14CD4053芯片引腳圖表3-1CD4053引腳功能引腳號符號功能12351213bybxcxcyayax輸入/輸出端91011cba控制端14OUT/INaxoray公共輸出/輸入端axoray15OUT/INbxorby公共輸出/輸入端bxorby4OUT/INcxorcy公共輸出/輸入端cxorcy6INH禁止端7VEE模擬信號接地端8VSS數(shù)字信號接地端16VDD電源模擬CD4053在與單片機的連接如下圖3-15。模擬輸入量A1與模擬輸入量A2分別連接到公共輸入端X、Y。芯片的A、B引腳由單片機的P1.2、P1.3管腳所控制。從該芯片的真值表我們可以得到，當(dāng)P1.2=A等于低電平0時，則選擇X0通道，當(dāng)P1.2＝A等于高電平時，則選擇X1通道。同樣的B也受控于單片機的P1.3引腳，由P1.3的高低電平控制選擇了Y1、Y0通道。在將X0、X1和Y0、Y1分別于AD0809的IN0-IN4相連接。圖3-15CD4053電路連接圖1.6藍牙模塊1.6.1通信原理藍牙設(shè)備是經(jīng)過無線電波的方式將手機連接到計算機。藍牙產(chǎn)品是由一個小型藍牙模塊和支持連接的藍牙無線電軟件組成。如果兩個藍牙設(shè)備想要相互通信交流，則需要配對。藍牙設(shè)備之間的通信通過稱為微微網(wǎng)的短距離自組織網(wǎng)絡(luò)進行。這樣的網(wǎng)絡(luò)可以容納2到8個連接的設(shè)備。如果藍牙的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境創(chuàng)建成功，其中一臺設(shè)備將會作為主設(shè)備，所有其他設(shè)備將作為從設(shè)備。當(dāng)藍牙設(shè)備加入或離開無線短距離感測時，微微網(wǎng)是動態(tài)自動建立的。藍牙通信技術(shù)是一種短距離通信方式，主從設(shè)備使用相同的通信協(xié)議[11]，而不同的應(yīng)用擁有著不同的通信協(xié)議，協(xié)議規(guī)范遵循開放系統(tǒng)互連參考模型。HC-05是一款主從一體的藍牙串口模塊，我們可以忽