TLC549的数字电压表设计.docx
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TLC549的数字电压表设计
摘要
在日常生活和各种电学实验中电压、电流和电阻三个量经常需要被测量,其中以电压的测量最多,这就要用到电压表。
与传统的指针电压表相比,数字电压表具有很多优点。
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与刻度盘进行读数的方法,避免了读数的视差和视觉疲劳,而且显示的范围宽,分辨率高。
由于CMOS技术的发展.集成电路的功耗变得很小.即发热量很小,这样就可以在同一块芯片上集成更多的元件,形成大规模或超大规模集成电路,因此数字电压表的集成度高、功耗小、抗干扰能力强。
直流数字电压表本身可以扩展成交流电压表、交直电流表、峰值表、功率表等,还可以附加智能化。
本设计采用TLC549芯片将模拟量转化为数字量,通过单片机AT89C52与LCD1602显示出来。
关键词:
数字电压表TLC549AT89C52LCD1602
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Abstract
Indailylifeandvariouselectricalexperiments,voltage,current,resistance,thethreevolumesoftenneedstobemeasured,mostofwhichmeasurevoltage,whichusethevoltagemeter.Andcomparedtothetraditionalpointervoltmeter,digitalvoltagemeterhasmanyadvantages.Digitalvoltagemeter,isthecontinuousanalog(suchasDCvoltage)intodiscretediscontinuousanddisplaythemindigitalform.Thisisdifferentfromthetraditionaltothepointeranddialforreadingsandpreventingthereadingofthedisparityandvisualfatigue,anddisplaywiderangeofhighresolution.ICpowerconsumptionbecomesverysmall.Thatheatisverysmall,sothatyoucanchipinwithanadditionalcomponent,theformationoflarge-scaleorlargescaleintegratedcircuits,thedigitalvoltagemeterhighintegration,lowpowerconsumption,anti-jammingcapability.DCdigitalvoltagemeteritselfcanbeextendedintotheACvoltmeter,AC-DCcurrentmeter,peakmeter,powermeter,etc.,youcanalsoaddintelligent.ThisdesignusesTLC549chipanalogtodigitalconversionbySCMAT89C52andLCD1602display
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Keywords:
DigitalVoltmeterTLC549AT89C52LCD1602
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前言·································································································5
第一章绪论····················································································6
第一节单片机的定义···································································6
第二节单片机的发展历程····························································6
第三节单片机的应用领域····························································7
第四节单片机学习应用的六大重要部分······································8
·
第二章总体设计··········································································12
第一节设计实现功能··································································12
第二节总体框图·········································································12
第三章单元电路设计···································································13
第一节模数转换电路·······························································13
第二节单片机AT89C52································································17
第三节液晶LCD1602显示··························································24
第四章程序流程图·········································································26
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第五章总体电路图·········································································27
结束语·····························································································28
参考文献·························································································29
附录································································································30
致谢································································································35
…
前言
数字电压表用于测量电压的数字仪表。
在科学研究或工业测中,当需要对电压进行快速而准确的测量时,均使用种电表。
数字电压表的类型很多,其输入电路、计数电路显示电路基本相似,只是电压-数字转换方法不同。
数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。
以数字电压表为核心,可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如:
温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等),几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。
本设计采用数模转换芯片、单片机、液晶显示等元件使电路更简单。
与传统的指针表相比,数字电压表直接将数字显示出来,显的更简单,更直观。
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第一章绪论
第一节单片机的定义
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。
第二节~
第三节单片机的发展历程
单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
1、SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。
2、MCU即微控制器(MicroControllerUnit)阶段,主要的技术发展方向是:
不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
3、单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
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第三节单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
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。
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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。
6、在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。
如:
音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。
[
在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。
7、单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器,GPS导航系统,abs防抱死系统,制动系统等等。
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。
第四节单片机学习应用的六大重要部分
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单片机学习应用的六大重要部分。
1、总线
我们知道,一个电路总是由元器件通过电线连接而成的,在模拟电路中,连线并不成为一个问题,因为各器件间一般是串行关系,各器件之间的连线并不很多,但计算机电路却不一样,它是以微处理器为核心,各器件都要与微处理器相连,各器件之间的工作必须相互协调,所以需要的连线就很多了,如果仍如同模拟电路一样,在各微处理器和各器件间单独连线,则线的数量将多得惊人,所以在微处理机中引入了总线的概念,各个器件共同享用连线,所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上,即相当于各个器件并联起来,但仅这样还不行,如果有两个器件同时送出数据,一个为0,一个为1,那么,接收方接收到的究竟是什么呢这种情况是不允许的,所以要通过控制线进行控制,使器件分时工作,任何时候只能有一个器件发送数据(可以有多个器件同时接收)。
器件的数据线也就被称为数据总线,器件所有的控制线被称为控制总线。
在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元,这些存储单元要被分配地址,才能使用,分配地址当然也是以电信号的形式给出的,由于存储单元比较多,所以,用于地址分配的线也较多,这些线被称为地址总线。
2、数据、地址、指令
之所以将这三者放在一起,是因为这三者的本质都是一样的——数字,或者说都是一串0和1组成的序列。
换言之,地址、指令也都是数据。
指令:
由单片机芯片的设计者规定的一种数字,它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系,不可以由单片机的开发者更改。
地址:
是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据,内部单元的地址值已由芯片设计者规定好,不可更改,外部的单元可以由单片机开发者自行决定,但有一些地址单元是一定要有的(详见程序的执行过程)。
数据:
这是由微处理机处理的对象,在各种不同的应用电路中各不相同,一般而言,被处理的数据可能有这么几种情况。
(1)地址(如MOVDPTR,1000H),即地址1000H送入DPTR。
(2)方式字或控制字(如MOVTMOD,#3),3即是控制字。
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(3)常数(如MOVTH0,#10H)10H即定时常数。
(4)实际输出值(如P1口接彩灯,要灯全亮,则执行指令:
MOVP1,#0FFH,要灯全暗,则执行指令:
MOVP1,#00H)这里0FFH和00H都是实际输出值。
又如用于LED的字形码,也是实际输出的值。
理解了地址、指令的本质,就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞,会把数据当成指令来执行了。
3、P0口、P2口和P3的第二功能用法
初学时往往对P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解,认为第二功能和原功能之间要有一个切换的过程,或者说要有一条指令,事实上,各端口的第二功能完全是自动的,不需要用指令来转换。
如、分别是WR、RD信号,当微片理机外接RAM或有外部I/O口时,它们被用作第二功能,不能作为通用I/O口使用,只要一微处理机一执行到MOVX指令,就会有相应的信号从或送出,不需要事先用指令说明。
事实上不能作为通用I/O口使用也并不是不能而是使用者不会将其作为通用I/O口使用。
你完全可以在指令中按排一条SETB的指令,并且当单片机执行到这条指令时,也会使变为高电平,但使用者不会这么去做,因为这通常会导致系统的崩溃。
4、程序的执行过程
单片机在通电复位后8051内的程序计数器(PC)中的值为0000,所以程序总是从0000单元开始执行,也就是说:
在系统的ROM中一定要存在0000这个单元,并且在0000单元中存放的一定是一条指令。
5、堆栈
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堆栈是一个区域,是用来存放数据的,这个区域本身没有任何特殊之处,就是内部RAM的一部份,特殊的是它存放和取用数据的方式,即所谓的先进后出,后进先出,并且堆栈有特殊的数据传输指令,即PUSH和POP,有一个特殊的专为其服务的单元,即堆栈指针SP,每当执一次PUSH指令时,SP就(在原来值的基础上)自动加1,每当执行一次POP指令,SP就(在原来值的基础上)自动减1。
由于SP中的值可以用指令加以改变,所以只要在程序开始阶段更改了SP的值,就可以把堆栈设置在规定的内存单元中,如在程序开始时,用一条MOVSP,#5FH指令,就时把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。
一般程序的开头总有这么一条设置堆栈指针的指令,因为开机时,SP的初始值为07H,这样就使堆栈从08H单元开始往后,而08H到1FH这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区,经常要被使用,这会造成数据的混乱。
不同作者编写程序时,初始化堆栈指令也不完全相同,这是作者的习惯问题。
当设置好堆栈区后,并不意味着该区域成为一种专用内存,它还是可以象普通内存区域一样使用,只是一般情况下编程者不会把它当成普通内存用了。
6、单片机的开发过程
这里所说的开发过程并不是一般书中所说的从任务分析开始,我们假设已设计并制作好硬件,下面就是编写软件的工作。
在编写软件之前,首先要确定一些常数、地址,事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来了。
如当某器件的连线设计好后,其地址也就被确定了,当器件的功能被确定下来后,其控制字也就被确定了。
然后用文本编辑器(如EDIT、CCED等)编写软件,编写好后,用编译器对源程序文件编译,查错,直到没有语法错误,除了极简单的程序外,一般应用仿真机对软件进行调试,直到程序运行正确为止。
运行正确后,就可以写片(将程序固化在EPROM中)。
在源程序被编译后,生成了扩展名为HEX的目标文件,一般编程器能够识别这种格式的文件,只要将此文件调入即可写片。
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第二章总体设计
第一节设计功能实现
本设计可以将模拟量电压信号转换为可视的数字信号,也就是可以将0~5V的模拟量电压信号转换为数字信号,并通过液晶显示出来。
第二节总体功能设计
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本设计具体由三个模块构成,先将待测模拟量信号输入到模数转换芯片,通过数模转换芯片将数字信号传送到单片机,经过程序处理后通过液晶显示器显示出来。
总体框图如图2-1所示。
图2-1总体框图
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第三章单元电路设计
第一节模数转换电路
模数转换电路的核心部分是数模转换芯片,AD转换器的参考电压由精密基准电源TL431提供,标准参考电压Vref+为伏,Vref-为0伏。
由于0V-2V内的测量误差控制在±内,因此8位A/D转换器即可满足要求。
AD转换器TLC549是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOSA/D转换器。
它们设计成能通过3态数据输出和模拟输入与微处理器或外围设备串行接口。
TLC549仅用输入/输出时钟(I/OCLOCK)和芯片选择(CS)输入作数据控制。
TLC549的IOCLOCK输入频率最高可达。
下面将重点介绍TLC549。
1、概述
TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片,可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路,转换时间最长17μs,TLC548允许的最高转换速率为45500次/s,TLC549为40000次/S。
总失调误差最大为±,典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换范围,VREF-接地,VREF+-VREF-≥1V,可用于较小信号的采样。
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2、芯片简介
(1)TLC548、TLC549的内部框图和管脚名称
TLC549的内部框图和引脚名称如图3-1所示。
图3-1TLC549管脚名称
(2)极限参数
TLC548/549的极限参数如下。
1、电源电压:
2、输入电压范围:
~VCC+
(
3、输出电压范围:
~VCC+
4、峰值输入电流(任一输入端):
±10mA
5、总峰值输入电流(所有输入端):
±30mA
6、工作温度:
TLC549C:
0℃~70℃;
TLC549I:
-40℃~85℃;
TLC549M:
-55℃~125℃;
3、工作原理TTLC549均有片内系统时钟,该时钟与I/OCLOCK是独立工作的,无须特殊的速度或相位匹配。
其工作时序如图3-2所示。
!
图3-2TLC549的时序图
当CS为高时,数据输出(DATAOUT)端处于高阻状态,此时I/OCLOCK不起作用。
这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC548、TLC549时,共用I/OCLOCK,以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。
一组通常的控制时序为:
(1)将CS置低。
内部电路在测得CS下降沿后,再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后,然后确认这一变化,最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATAOUT端上。
(2)前四个I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3),片上采样保持电路在第4个I/OCLOCK下降沿开始采样模拟输入。
(3)接下来的3个I/OCLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。
(4)最后,片上采样保持电路在第8个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。
保持功能将持续4个内部时钟周期,然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。
第8个I/OCLOCK后,CS必须为高,或I/OCLOCK保持低电平,这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。
如果CS为低时I/OCLOCK上出现一个有效干扰脉冲,则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步;若CS为高时出现一次有效低电平,则将使引脚重新初始化,从而脱离原转换过程。
在36个内部系统时钟周期结束之前,实施步骤
(1)-(4),可重新启动一次新的A/D转换,与此同时,正在进行的转换终止,此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。
若要在特定的时刻采样模拟信号,应使第8个I/OCLOCK时钟的下降沿与该时刻对应,因为芯片虽在第4个I/OCLOCK时钟下降沿开始采样,却在第8个I/OCLOCK的下降沿开始保存。
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5、
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