基于單片機+XPT2046的電壓表設(shè)計

ID:680901 · 發(fā)表于 2020-1-4 12:16

摘要：

本設(shè)計中利用STC89C52單片機制作了一個簡單的數(shù)字電壓表，主要通過A/D轉(zhuǎn)換器XPT2046把輸入的模擬信號即電位器的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送到1602液晶進行數(shù)據(jù)顯示，并預設(shè)了一個警報值，當超過警報值時，報警電路發(fā)出警報。

硬件電路主要包括單片機最小系統(tǒng)、顯示模塊、按鍵模塊、報警模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊六個部分。軟件采用了模塊化的設(shè)計方法，主要分為主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、按鍵檢測子程序、液晶顯示子程序、E2PROM存儲程序和中斷程序。

目錄：

1. 概述.............................................................1

1.1課題研究背景與意義...........................................1

1.2課題設(shè)計內(nèi)容.................................................1

2. 設(shè)計方案........................................................1

3. 硬件電路設(shè)計....................................................2

3.1 器件選擇....................................................2

A.STC89C52..................................................2

B. XPT2046...................................................3

C.AT24C02...................................................4

D.LCD1602...................................................5

3.2 單片機最小系統(tǒng)..............................................6

3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊.................................................7

3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊................................................7

3.5 數(shù)據(jù)存儲....................................................8

3.6 按鍵模塊....................................................8

3.7 報警模塊....................................................9

3.8 電路原理圖..................................................9

4.軟件設(shè)計.........................................................10

4.1 主程序.....................................................10

4.2 AD轉(zhuǎn)換程序.................................................11

4.3 數(shù)據(jù)存儲程序...............................................11

4.4 1602液晶顯示程序...........................................12

4.5 按鍵驅(qū)動程序...............................................12

4.6 中斷程序...................................................13

4.7 部分程序代碼...............................................13

5.仿真與調(diào)試.......................................................14

5.1軟件仿真....................................................14

5.2硬件調(diào)試....................................................16

結(jié)束語.............................................................17

附錄1.............................................................18

附錄2.............................................................19

1. 概述

1.1課題研究的背景與意義

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，老式通過人眼估讀的電壓值不能滿足工業(yè)甚至是科技的要求，那這就需要我們?nèi)プ非鬁蚀_度高，分辨率高，測量速度快的數(shù)字電壓表，然后通過LED或者是LCD顯示出來。

在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的3個被測量，其中電壓量的測量最為常見，經(jīng)常需要測量出精度高的多點電壓值，因此多點數(shù)字電壓表變得越來越重要。數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流或交流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字儀器具有讀數(shù)準確、精度高、誤差小、靈敏度高、分辨率高、測量速度快等特點而備受青睞。

1.2課題設(shè)計的內(nèi)容

以單片機為控制器，對0—5V的模擬電壓進行循環(huán)采集，采集的數(shù)據(jù)送LED或LCD顯示，并存入內(nèi)存24WC04。超過界限時指示燈閃爍并報警。

編寫下列控制程序：

1）.對0—5V模擬信號輸入實行循環(huán)采集，連續(xù)采集16次，取平均值并顯示。

2）.設(shè)定采集的上限值，若采集的平均值超過該界限值，則對應(yīng)的指示燈閃爍10次后一直亮，指示燈閃爍時喇叭發(fā)聲，以示警告。

3）可按鍵查看以往的電壓采集值并顯示。

2. 設(shè)計方案

本設(shè)計選用A/D芯片XPT2046接收電位器上的電壓信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸送到單片機STC89C52，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理之后通過LCD1602進行數(shù)據(jù)顯示，同時，將數(shù)據(jù)寫入AT24C02進行數(shù)據(jù)存儲，通過按鍵控制可進行數(shù)據(jù)回顯。按鍵還可以設(shè)置報警值，當測得數(shù)據(jù)大于報警值時，蜂鳴器會發(fā)出警報�？傮w框圖如圖2.1所示。

3. 硬件電路設(shè)計

3.1 器件選擇

A.STC89C52

本設(shè)計選用單片機STC89C52，是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，基于Intel 標準的8052，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051 系列單片機，12 時鐘/機器周期和6 時鐘/機器周期可任意選擇，最新的D 版本內(nèi)集成MAX810 專用復位電路。

主要特性：

1). 增強型8051單片機，6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.[1]

2). 工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V 單片機）

3).工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051 的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz

4). 用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)

5). 片上集成512 字節(jié)RAM

6). 通用I/O 口（32 個），復位后為：P1/P2/P3是準雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。

7). ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片

8）. 具有EEPROM 功能

9）. 共3 個16 位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2

10）.外部中斷4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒

11）. 通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART

12）. 工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）

B. XPT2046

XPT2046是一種典型的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SARADC），包含了采樣/保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口數(shù)據(jù)輸出等功能。同時芯片集成有一個2.5V的內(nèi)部參考電壓源、溫度檢測電路，工作時使用外部時鐘。XPT2046可以單電源供電，電源電壓范圍為2.7V～5.5V。參考電壓值直接決定ADC的輸入范圍，參考電壓可以使用內(nèi)部參考電壓，也可以從外部直接輸入1V～VCC范圍內(nèi)的參考電壓（要求外部參考電壓源輸出阻抗低）。X、Y、Z、VBAT、Temp和AUX模擬信號經(jīng)過片內(nèi)的控制寄存器選擇后進入ADC，ADC可以配置為單端或差分模式。引腳分布如圖3.1所示。

XPT2046通過SPI接口與主控制器進行通信，其與主控制器的接口包括以下信號：PENIRQ_N：筆觸中斷信號，當設(shè)置了筆觸中斷信號有效時，每當觸摸屏被按下，該引腳被拉為低電平。當主控檢測到該信號后，可以通過發(fā)控制信號來禁止筆觸中斷，從而避免在轉(zhuǎn)換過程中誤觸發(fā)控制器中斷。該引腳內(nèi)部連接了一個50K的上拉電阻。

CS_N：芯片選中信號，當CS_N被拉低時，用來控制轉(zhuǎn)換時序并使能串行輸入/輸出寄存器以移出或移入數(shù)據(jù)。當該引腳為高電平時，芯片（ADC）進入掉電模式。

DCLK：外部時鐘輸入，該時鐘用來驅(qū)動SARADC的轉(zhuǎn)換進程并驅(qū)動數(shù)字IO上的串行數(shù)據(jù)傳輸。

DIN：芯片的數(shù)據(jù)串行輸入腳，當CS為低電平時，數(shù)據(jù)在串行時鐘DCLK的上升沿被鎖存到片上的寄存器。

DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出，在串行時鐘DCLK的下降沿數(shù)據(jù)從此引腳上移出，當CS_N引腳為高電平時，該引腳為高阻態(tài)。

BUSY：忙輸出信號，當芯片接收完命令并開始轉(zhuǎn)換時，該引腳產(chǎn)生一個DCLK周期的高電平。當該引腳由高點平變?yōu)榈碗娖降臅r刻，轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在DOUT引腳上，主控可以讀取DOUT的值。當CS_N引腳為高電平時，BUSY引腳為高阻態(tài)。

C. AT24C02

AT24C02支持I2C，總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議I2C，總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，由于A0、A1和A2可以組成000~111八種情況，即通過器件地址輸入端A0、A1和A2可以實現(xiàn)將最多8個AT24C02器件連接到總線上，通過進行不同的配置進行選擇器件。引腳分布如圖3.2所示

器件操作：

時鐘及數(shù)據(jù)傳輸：SDA 引腳通常被外圍器件拉高。SDA 引腳的數(shù)據(jù)應(yīng)在 SCL 為低時變化；當數(shù)據(jù)在 SCL 為高時變化，將視為下文所述一個起始或停止命令。

起始命令：當 SCL 為高，SDA 由高到低的變化被視為起始命令，必須以起始命令作為任何一次讀/寫操作命令的開始。

停止命令：當 SCL 為高，SDA 由低到高的變化被視為停止命令，在一個讀操作后，停止命令會使 EEPROM 進入等待態(tài)低功耗模式。

應(yīng)答：所有的地址和數(shù)據(jù)字節(jié)都是以 8 位為一組串行輸入和輸出的。每收到一組 8 位的數(shù)據(jù)后，EEPROM 都會在第 9 個時鐘周期時返回應(yīng)答信號。每當主控器件接收到一組 8 位的數(shù)據(jù)后，應(yīng)當在第 9 個時鐘周期向EEPROM 返回一個應(yīng)答信號。收到該應(yīng)答信號后，EEPROM 會繼續(xù)輸出下一組 8 位的數(shù)據(jù)。若此時沒有得到主控器件的應(yīng)答信號，EEPROM 會停止讀出數(shù)據(jù)，直到主控器件返回一個停止命令來結(jié)束讀周期。

等待模式：24C01/02/04/08/16 特有一個低功耗的等待模式�？梢酝ㄟ^以下方法進入該模式：(a)上電 (2)收到停止位并且結(jié)束所有的內(nèi)部操作后。

器件復位：在協(xié)議中斷、下電或系統(tǒng)復位后，器件可通過以下步驟復位：（1）連續(xù)輸入 9 個時鐘；（2）在每個時鐘周期中確保當 SCL 為高時 SDA 也為高；（3）建立一個起始條件。

D. LCD1602

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。

1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3.1所示：

3.2 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng).對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復位電路.電路圖如圖3.3所示。
復位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì),可以知道,當系統(tǒng)一上電,RST腳將會出現(xiàn)高電平,并且,這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定.典型的51單片機當RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位,所以,適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位.

晶振電路:典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級時歇,方便定時操作)

3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

利用XPT2046來采集電位器的得電壓信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換之后輸送給單片機。電路圖如圖3.4所示。

3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊
1602液晶接收單片機P0口輸出的數(shù)據(jù)直接進行顯示，在1602的V0引腳接上一個電位器來調(diào)整液晶顯示的對比度。由于單片機的P0口進行數(shù)據(jù)傳輸需接上拉電阻。電路圖如圖3.5所示。
3.5 數(shù)據(jù)存儲

將芯片 A2、A1、A0 都是接的 GND，也就是說都是 0，因此24C02的 7 位地址實際上是二進制的 0b1010000，也就是 0x50。我們用 I 2 C 的協(xié)議來尋址 0x50，利用IIC通信來讀寫數(shù)據(jù)。電路圖如圖3.6所示。

3.6 按鍵模塊
利用獨立按鍵來進行控制，S0進行數(shù)據(jù)回顯，S1、S2是對警告值進行加

減，每次加減0.5V。電路圖如圖3.7所示。
3.7 報警模塊

當測得的電壓值大于設(shè)定的報警值時，會從P2^3引腳輸出一個1HZ脈沖是小燈閃爍10次，然后輸出一個低電平，小燈常亮。蜂鳴器采用了有源蜂鳴器，需給端口一定頻率的脈沖，蜂鳴器才會發(fā)出聲音。電路圖如圖3.8所示。

3.8 電路原理圖

見附錄1。

4. 軟件設(shè)計

4.1 主程序

主程序主要調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換程序、按鍵驅(qū)動程序、1602液晶顯示程序、數(shù)據(jù)存儲程序和警報程序。首先對系統(tǒng)進行初始化，當被測電壓輸入后，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序，轉(zhuǎn)換出來的數(shù)值經(jīng)數(shù)據(jù)存儲程序?qū)懭階T24C02，并通過1602液晶顯示程序進行數(shù)據(jù)顯示，同時，與報警值進行比較，當大于報警值時，啟用報警程序。主程序流程圖如圖4.1所示。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換程序

A/D轉(zhuǎn)換程序主要是對電位器產(chǎn)生的模擬信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，首先啟動AD芯片，輸入指令后，等待數(shù)據(jù)處理完后，輸出結(jié)果，本次轉(zhuǎn)換完成。子程序流程圖如圖4.2所示。

4.3數(shù)據(jù)存儲程序

數(shù)據(jù)存儲程序主要是對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進行數(shù)據(jù)存儲，當按鍵控制的時候可以數(shù)據(jù)回顯。AT24C02用IIC進行數(shù)據(jù)通信，首先選擇芯片地址，然后進行數(shù)據(jù)讀取，待完成后輸出結(jié)果。程序流程圖如圖11所示。

4.4 1602液晶顯示程序

本設(shè)計使用1602液晶進行數(shù)據(jù)顯示，接收從單片機傳輸?shù)淖址蛿?shù)據(jù)直接進行顯示。首先初始化液晶，輸入數(shù)據(jù)顯示的地址，即在液晶屏上顯示的行與列。再輸入字符型的數(shù)據(jù)，液晶即可進行數(shù)據(jù)顯示。程序流程圖如圖4.4所示。
4.5按鍵驅(qū)動程序

本設(shè)計使用3個獨立按鍵，一個按鍵用來控制讀取E2PROM中存儲的數(shù)據(jù)，然后通過液晶1602進行數(shù)據(jù)顯示。另外兩個按鍵來進行報警值的調(diào)整，S1對報警值加5，S2對數(shù)據(jù)減5，報警值在1602上立即刷新。按鍵每次按下會有抖動，所以進行按鍵消抖，這樣按鍵使用更加精準。程序流程圖如圖4.5所示。

4.6中斷程序
本程序使用定時器中斷0，中斷優(yōu)先級為1，定時2ms，中斷中主要產(chǎn)生一個1s和200ms的時間標志位、進行按鍵的掃描和產(chǎn)生蜂鳴器需要的脈沖。

4.7 部分程序代碼
見附錄2.

5.仿真與調(diào)試
1）.軟件仿真

仿真運行的時候，液晶顯示如圖5.1所示。

當S0按下并調(diào)整電位器的值得時候，液晶顯示如圖5.2所示。

2）.硬件調(diào)試

當接通電源的時候，液晶顯示如圖5.3所示。

當S0按下，并調(diào)整電位器，液晶如圖5.4所示。

當按下S2的時候，報警值減掉0.5V，并調(diào)整電位器，使其電壓大于報警值，電路發(fā)出警報，蜂鳴器器報警，小燈閃爍。如圖5.5所示。

6.結(jié)束語
通過這次課程設(shè)計有很多收獲，把所學到的知識得到了應(yīng)用，對所學的知識有了更深的了解，有了新的體會。對于制圖軟件AltiumDesigner、編程軟件keil5掌握的更加熟悉，也發(fā)現(xiàn)了不少的問題，經(jīng)過一系列的努力得以解決，充實了自己。
主程序：

void main()

{

EA = 1;

AUXR &= 0x7F;

TMOD &= 0xF0;

TL0 = 0xCD;

TH0 = 0xF8;

TF0 = 0;

TR0 = 1;

ET0 = 1;

LcdInit();

while(1)

{

KeyDriver();

if (flag_200ms)

{

flag_200ms = 1;

if (flag_s1)

{

Get_AD_buf();

AD_Display();

}

if (flag_s1 == 0)

{

sdat =E2Read(0x00);

buf[0] =sdat/10+'0';

buf[1] = '.';

buf[2] =sdat%10+'0';

buf[3] = '\0';

LcdWriteCom(0x80+0x40);

LcdWriteData(buf[0]);

LcdWriteData(buf[1]);

LcdWriteData(buf[2]);

}

}

if (pdat >warn)

{

BUZZ = buz;

if (n<10)

Led_1s();

else

LED = 0;

}else

{

n = 0;

LED = 1;

BUZZ = 0;

}

}

}

A/D轉(zhuǎn)換程序：

voidSPI_Write(uchar dat)

{

uchar i;

CLK = 0;

for(i=0; i<8;i++)

{

DIN = dat >>7;

dat <<= 1;

CLK = 0;

CLK = 1;

}

}

uintSPI_Read(void)

{

uint i, dat=0;

CLK = 0;

for(i=0; i<12;i++)

{

dat <<= 1;

CLK = 1;

CLK = 0;

dat |= DOUT;

}

return dat;

}

uintRead_AD_Data(uchar cmd)

{

uchar i;

uint AD_Value;

CLK = 0;

CS  = 0;

SPI_Write(cmd);

for(i=6; i>0;i--);

CLK = 1;

_nop_();_nop_();

CLK = 0;

_nop_();_nop_();

AD_Value=SPI_Read();

CS = 1;

return AD_Value;

}

1602液晶顯示程序：

voidLcdWriteCom(uchar com)

{

LCD1602_E = 0;

LCD1602_RS = 0;

LCD1602_RW = 0;

LCD1602_DATAPINS =com;

Lcd1602_Delay1ms(1);

LCD1602_E = 1;

Lcd1602_Delay1ms(5);

LCD1602_E = 0;

}

voidLcdWriteData(uchar dat)

{

LCD1602_E = 0;

LCD1602_RS = 1;

LCD1602_RW = 0;

LCD1602_DATAPINS =dat;

Lcd1602_Delay1ms(1);

LCD1602_E = 1;

Lcd1602_Delay1ms(5);

LCD1602_E = 0;

}

void LcdInit()

{

LcdWriteCom(0x38);

LcdWriteCom(0x0c);

LcdWriteCom(0x06);

LcdWriteCom(0x01);

LcdWriteCom(0x80);

}

E2PROM存儲程序：

voidIIC_Start(void)

{

SDA = 1;

SCL = 1;

somenop;

SDA = 0;

somenop;

SCL = 0;

}

voidIIC_Stop(void)

{

SDA = 0;

SCL = 1;

somenop;

SDA = 1;

}

voidIIC_Ack(unsigned char ackbit)

{

if(ackbit)

SDA = 0;

else

SDA = 1;

somenop;

SCL = 1;

somenop;

SCL = 0;

SDA = 1;

somenop;

}

bitIIC_WaitAck(void)

{

SDA = 1;

somenop;

SCL = 1;

somenop;

if(SDA)

{

SCL = 0;

IIC_Stop();

return 0;

}

else

{

SCL = 0;

return 1;

}

}

voidIIC_SendByte(unsigned char byt)

{

unsigned char i;

for(i=0;i<8;i++)

{

if(byt&0x80)

{

SDA = 1;

}

else

{

SDA = 0;

}

somenop;

SCL = 1;

byt <<= 1;

somenop;

SCL = 0;

}

}

unsigned charIIC_RecByte(void)

{

unsigned char da;

unsigned char i;

for(i=0;i<8;i++)

{

SCL = 1;

somenop;

da <<= 1;

if(SDA)

da |= 0x01;

SCL = 0;

somenop;

}

return da;

}

unsigned charE2Read(unsigned char addr)

{

unsigned char str;

IIC_Start();

IIC_SendByte(0xa0);

IIC_WaitAck();

IIC_SendByte(addr);

IIC_WaitAck();

IIC_Start();

IIC_SendByte(0xa1);

IIC_WaitAck();

str =IIC_RecByte();

IIC_WaitAck();

IIC_Stop();

return str;

}

voidE2Write(unsigned char str,unsigned char addr)

{

IIC_Start();

IIC_SendByte(0xa0);

IIC_WaitAck();

IIC_SendByte(addr);

IIC_WaitAck();

IIC_SendByte(str);

IIC_WaitAck();

IIC_Stop();

ID:1023274 · 發(fā)表于 2022-5-18 15:44

可惜樓主沒有提供Proteus電路圖和KEIL源文件

ID:1040470 · 發(fā)表于 2022-8-29 16:11

博主可以提供一下ad原理圖碼？

ID:1086200 · 發(fā)表于 2023-6-27 16:39

你好博主，可以把電壓表設(shè)計的完整代碼發(fā)給我一下嗎

ID:432633 · 發(fā)表于 2023-10-20 16:01

提供Proteus電路圖和KEIL源文件

帳號		自動登錄	找回密碼
密碼			立即注冊