1、.本 科 毕 业 设 计 论 文题 目 系 别 专 业 班 级 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月.摘 要数字电压表的产生给人们带来了许多方便，解决了传统测量复杂、不准确、不直观等许多不利的因素。它具有测量简单、读数准确，显示方便的特点。数字电压表是把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式，并加以显示的仪表。数字电压表把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起，成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支，数字电压表标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。本设计采用了混合信号处理器 C8051F020 为开发平台，数字电压表
2、由测量电路、数据处理、显示控制等组成。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便进行其它模拟量的测量，具有远程通讯等扩展功能。关键词：单片机；C8051F020；A/D 转换；数据处理；液晶显示.ABSTRACTThe birth of digital voltage meter break the traditional model of electronic measuring instruments and patterns. It shows the clear and intuitive, accurate readings, using an advanced digital dis
3、play technology, greatly reduced due to human factors of the measurement error caused by the incident. Digital voltage meter is a row of analog (DC input voltage) into a non-continuous, discrete digital form, and the instrument display. Digital voltage meter to electronic technology, computing techn
4、ology, automation technology and precision of the results of electrical measurement technology closer together and become instruments, meters and complete an independent field of a branch, digital voltage meter indicates that the field of electronic devices a revolution and also pioneered the modern
5、 pioneer of electronic measurement technology. The design uses a single-chip platform for the development, control of the Department of the use of AT89C52 single-chip, A/D conversion using ADC0809. In addition to the realization of the system to ensure that the required functionality, but also facil
6、itate the 8 other A/D converter measurement, distance measurement function of transmission expansion. Simple digital voltage measuring circuit is made of the A/D conversion, data processing, display control, etc.KEY WORDS: SCM; C8051F020; A/D conversion; data processing; LCD.目 录第 1 章 前 言 .11.1 设计的背景
7、及意义 .11.2 发展历史及研究现状 .11.3 设计所做的工作 .21.4 论文进度安排 .2第 2 章 方案设计 32.1 方案选择 .32.1.1 单片机的选型 .32.1.2 量程转换方案设计 .42.1.3 显示部分方案设计 .42.2 方案论证 .4第 3 章 硬件设计 53.1 输入电路设计 .53.1.1 量程切换检测电路设计 .53.1.2 衰减电路： .53.2 单片机控制模块设计 .63.2.1 单片机主控电路 .63.2.2 芯片 C8051F020 介绍 .73.2.3 时钟电路 103.2.4 复位电路 113.3 量程转换模块设计 113.3.1 电路选择 11
8、3.3.2 工作原理及换算关系 123.4 次逼近式 A/D 转换模块设计 123.4.1 模数转换器 123.4.2 模数转换器 133.4.3A/D 转换电路设计 .133.5 显示模块设计 143.5.1LCD 显示模块 .143.5.2LCD1602 的引脚功能 .153.5.3LCD1602 的显示操作 .15第 4 章 系统软件设计 .214.1 主程序设计 214.2A/D 转换程序 .22.4.3 中断服务程序 22第 5 章 系统仿真与调试 .235.1 软件简介 235.2 仿真结果 26第 6 章 结论 .29致 谢 .31参考文献 .33.第 1 章 前 言1.1 设计
9、的背景及意义数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。数字电压表（Digital Voltage Meter，DVM） ，以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别是以 AD 转换器为代表的集成电路为支柱，使 DVM 向着多功能化、小型化、智能化方向发展。DVM 应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。在当今的数字时代，从大到空间雷达，地球卫星定位系统，移动通信，计算机，医用断层扫描设备，小到家用计算机，数码影像设备，数字录音笔，数码微波炉等设备中，数字技术与数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。数字电压表正进入一个蓬
10、勃发展的新时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身正朝着高准确度、智能化、低成本的方向发展。目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛用于电子和电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，由电压表扩展而成的各种通用及专用仪表（含数字万用表），也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。1.2 发展历史及研究现状数字电压表在 1952 年由美国 NLS 公司首次创造，它刚开始是 4 位，50 多年来，数字电压表有了不断的进步和提高。数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成功的。刚开始是 4 位数码显示，然后是 5 位，6 位显示，而现在发展到
11、 7 位，8 位数码显示；从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器，电子管发展到全晶体管，集成电路，微处理器化；传统的电压表功能单一、精度比较低，不能满足时代的需求，采用单片机的数 字电压表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、 集成方便 ，还可以与 PC 进行实时通信。 目前，由各种单片 A/D 转化器构成的数字电压表，以被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。与此同时，由 DVM 扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器，也把电量及非电量测量技术提高到崭 新水平。 数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。传统的数字电
12、压表各有特点，它们适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步处理，传统 数字电压表是无法完成的。然而基于 PC 通信的数字电压表，既可以完成数据的传递，又可以借助 .PC 对测量数据的处理。所以数字电压表无论在功能和实际上，都具有传统电压表无法比拟的特点，这使得他的开发和应用具有良好的前景。1.3 设计所做的工作本设计是以 C8051F020 单片机最小系统为核心，扩展人机对话接口,利用模拟/数字交换器（A/D）原理，将模拟信号转换为数字信号。然后再由液晶屏或数码管显示出来。所以，本次设计需要做好以下工作：（1）学习单片机原理等资料。（2）学习 PROTEUS,PROTEL99
13、E, KEIL51 等工具软件的使用方法。（3）设计电源模块，单片机模块，显示模块，数据采集模块和数据处理模块等。（4）设计数据采集程序，数据处理及显示程序。（5）利用 PROTEUS 和 KEIL51 进行仿真。（6）安装和调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。（7）撰写毕业论文。（8）完成英文翻译。1.4 论文进度安排2012/2/18-2012/3/10 进行单片机及其他所需芯片资料查询,完成开题 报告；2012/3/11-2012/4/01 理解电路设计原理，进行程序设计；2012/4/02-2012/5/10 进行相关电路的设计、调试并实现基本功能；2012/5/-10-2012
14、/5/15 进行设计论文的编写;2012/5/15-2012/5/18 对论文进行修改完成终稿； 2012/5/19-2012/5/25 准备备毕业设计论文答辩； 2012/5/25-2012/6/20 进行毕业设计论文答辩。.第 2 章 方案设计实现数字电压表的方案较多，目前广泛采用的是基于 74 系列逻辑器件方案，本设计将介绍基于单片机实现的方案。74 系列逻辑器件方案采用双积分电路+液晶显示器+逻辑电路+定时采样电路+数据处理实现，被测电压信号由信号输入端加到测量系统，进行预处理后送到后级电路。单片机系统方案此方案采用输入处理电路+C8051F020+液晶显示实现，被测信号由模拟量输入端
15、输入，单片机采集转换数据，将转换数据送出显示。2.1 方案选择2.1.1 单片机的选型选择单片机型号的出发点有以下几个方面：1、 市场货源系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大批量生产的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。2、 单片机性能3、 应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。4、 研制周期在
16、研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。C8051F020 是目前 8 位单片机中功能较强的 1 种，它是集成在 1 块芯片上的混合信号系统级单片机,具有与 MCS51 内核及指令完全兼容的微控制器。除了具有标准 8051 机的数字外设部件外,片内还集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件,主要包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压 比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、 UART、SPI、可编程计数器/定
17、时器阵列、定时器、 I/O 端口、电源监视器、看门狗定时器和时钟振荡器等。利用其强大的功能,无论是进行现有.仪器仪表的升级换代还是复高性能的智能仪器仪表设计,都是非常理想的,因此选择它满足系统要求。2.1.2 量程转换方案设计考虑到 C8051F020 的八路模拟量输入通道本质上也是模拟开关，因此可以利用其八个模拟通道中的三个作为量程转换器，即根据通道对应的电压测量范围确定对应的电压放大倍数设计对应的前置放大电路。2.1.3 显示部分方案设计用液晶 LCD1602 来显示电压读数可进行片选，实现液晶的动态点亮。因为只需一片液晶就可以完成显示工作，所以当单片机控制前两个控制端时，最高位控制端应接
18、地。用软件作为液晶的驱动显示，且具体译码由软件控制。2.2 方案论证经过以上方案设计，决定采用如图 2-1 所示方案。图 2-1 硬件设计.第 3 章 硬件设计根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个部分：模拟信号采集、处理模块,单片机控制模块，数据处理显示模块。3.1 输入电路设计由于该电压表要实现多量程测量，故而在本设计通过衰减电路与量程切换开关实现此功能，具体电路将在本节详细介绍。3.1.1 量程切换检测电路设计图 3-1 量程切换开关量程切换输入电路（如图 2.1.1）的作用是把不同量程的被测电压，通过切换开关告知 CPU 现在输入电压在什么范围,智能化数字电
19、压表所采用的 AD 转换器.3.1.2 衰减电路：图 3-2 衰减输入电路本仪表设计输入电压范围是 0-1000V 电压，灵敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰减器，如图 (3-1-1)所示 9M、900K、90K、和 10K 电阻构成1/10、1/100、1/1000 的衰减器。衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率，从而切换档位。.3.2 单片机控制模块设计单片机控制模块的作用是为控制各单元电路的运行并完成数据的换算或处理，主要由单片机、时钟电路、复位电路组成。3.2.1 单片机主控电路本系统是以 C8051F020 单片机为核心，要实现其对各部分电路的控制和响应。充分利用 C8051F0
20、20 的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的智能数字电压表。单片机主控电路包括 C8051F020、时钟电路、复位电路。电路如图 3-3 所示：图 3-3 单片机主控电路3.2.2 芯片 C8051F020 介绍C8051F020 单片机是集成在 1 块芯片上的混合信号系统级单片机,具有与MCS51 内核及指令完全兼容的微控制器。除了具有标准 8051 机的数字外设部件外,片内还集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件,主要包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压 比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可编程
21、计数器/定时器阵列、.定时器、I/O 端口、电源监视器、看门狗定时器和时钟振荡器等,且该单片机内部具有 JTAG 和调试电路,通过 JATG 接口可以使用安装在最终应用系统产品上的单片机进行非侵入、全速及在系统调试。其原理框图如图 3-4 所示：图 3-4 C8051F020 原理框图2、功能与特点（1）25MIPS 高速流水线式与8051机完全兼容的 CIP-51内核。 （2）真正12位100KBps、8通道带可编程增益放大器的 ADC。 （3）真正8位500KBps,带可编程增益放大器的 ADC。 （4）5个16位通用定时器。 （5）具有5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列。 （6）
22、内部电压基准。 （7）内置温度传感器（3） 。 （8）片内看门狗定时器,时钟源及 VDD 监视器。 （9）64个通用数字 I/O 端口。 （10）具有 I2C/SMBUSSPI 及两路 UART、串行接口。 （11）64KB 系统可编程 FLASH 存储器。 （12）4352（4096256）Byte 片内 RAM。 （13）64KB 地址的外部存储器接口。 （14）内部 FLASH 存储器可实现在系统编程,即可作程序存储器也可作非易.失性数据存储器。 （15）工作电压为2.7V3.6V,典型值为3V,I/O、RST、JTAG 引脚均允许5V输入电压。 （16）全系列工业级电路（4585） 。
23、 （17）片内 JTAG 仿真电路,提供全速的电路内仿真,不占用片内用户资源,支持断点、单步、观察点、运行和停止等调试命令、支持存储器和寄存器校验和修改。 3、内部功能部件a. CPU C8051F020CPU 的主要特点如下： （1）与标准8051机完全兼容,支持标准的 ASM51、KeilC 高级语言; （2）具有高速指令处理能力,机器周期由 MCS51标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期,且70的指令时间为12个机器周期,指令处理能力大大提高; （3）增加了中断源,由 MCS-51标准7个中断源增加至22个中断源; （4）增加了复位源,标准的 MCS51只有外部引脚复位,而 C8
24、051F020增加了7种复位源,使系统可靠性大大提高; （5）增加了内部能独立工作的时钟源。 b. 存储器 b.1 数据存储器 C8051F020具有标准8051机的程序和数据地址配置,包括256字节的 RAM,其中高128字节为2个地址空间,用间接寻址访问的高128字节和用直接寻址访问的SFR 地址空间,低128字节用户可用直接或间接寻址方式访问,此外,C8051F020还具有位于外部数据存储器地址空间的4KB 的 RAM 和外部数据存储器接口（EMIF）,这个4KB 的 RAM 可以只映射到片内也可以映射到64KB 外部数据存储器地址空间,还可同时映射到片内和片外（4KB 地址以内在片内存
25、储器空间访问,4KB 以上经过 EMIF 访问） 。外部数据存储器接口用于访问最多64KB 的外部扩展RAM。 b.2 程序存储器 C8051F020的程序存储器包含 64KB 的 FLASH,该存储器以512B 为1个扇区,可以在系统编程,且无需在片外提供编程电压,该程序存储器未用到的扇区均可由用户按扇区作为非易失性数据存储器使用。 c. I/O 与数字交叉开关 C8051F020单片机除具有标准的8051机端口 P0P3外,还具有附加的4个8位 I/O 口。这样,I/O 口总数可达64个,每个端口 I/O 引脚都可设置为推挽或开.漏输出。最为独特的功能是引入了数字交叉开关,它可将内部数字系
26、统资源分配给 P0、P1、P2和 P3端口的 I/O 引脚,并可将片内计数器/定时器、串行总线、中断源、A/D 转换输入、比较器输出以及微控制器的其它数字信号配置为在上述I/O 引脚输出,这就允许用户根据自己的特定应用选择通用 I/O 和所需数字资源的组合。 d. 可编程计数阵列 除了内部提供5个16位的通用定时/计数器外,C8051F020还提供1个片内编程的计数器/定时器阵列（PCA）,PCA 包括1个专用的16位计数器/定时器,5个可编程的捕捉比较模块,时间基准可以是下面的6个时钟源之一：系统时钟/12;系统时钟/4;定时器0溢出;外部时钟输入;系统时钟和外部振荡频率/8。每个捕捉模块都
27、有6种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、8位脉冲宽度调制器,频率输出、16位脉冲宽度调制器。 e. 多类型串行总线端口 C8051F020内部具有2个全双工 UART、SMBUS/I2C 总线和 SPI 总线,每种串行总线都完全用硬件实现,都能向 CIP51 产生中断,这些串行总线不共享定时器、中断或 I/O 端口,所以允许用户全部同时使用。 f. A/D 转换器 C8051F020内部有2个 ADC 子系统。 f.1 12位 A/D 转换器 ADC0 该转换器由逐次逼近型 ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成,ADC 工作在100KBPS 的最大采样速率时可提供真正
28、的12位精度,ADC0的8个外部输入通道都可被配置为两个单端输入或1个差分输入,ADC0的第9个输入通道为内部温度传感器,同时内部提供1个2.34V 基准电压,可编程增益放大器的增益可用软件设置,从0.516以2的整数次幂递增,允许用软件事件、硬件信号触发转换或进行连续转换。 f.2 8位 A/D 转换器 ADC1 除了12位的 ADC 子系统 ADC0外,C8051F020还有1个8位 ADC 子系统,即 ADC1,它有1个8通道输入多路选择器和可编程增益放大器,该 ADC 工作在500KBps 的最大采样率时可提供真正的8位精度,ADC 的基准电压可在电源电压引脚（AV）和外部 VREF
29、引脚之间选择,ADC1的可编程增益放大器的增益可被编程为0.5、1、2或4,ADC1也有灵活的转换控制机制,允许用软件命令,定时器溢出或外部信号输入启动 ADC1转换,用软件可以使 ADC1与 ADC0同步转换。g. D/A 转换器 C8051F020 内部有 2 个 12 位电压 DAC,每个 DAC 的输出摆幅均为0VVREF1LSB,CPU 可通过 SFRS 控制数模转换和比较器,CPU 可将任何 1 个 DAC 置于.低功耗关断方式,DAC 为电压输出模式,与 ADC 共用参考电压,允许用软件命令和定时器 2、定时器 3 及定时器 4 的溢出信号更新 DAC 的输出。3.2.3 时钟电
30、路单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的 XTAL1 和 XYAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器和 对振荡频率有微调作用，通常取(3010)pF 石英晶体选择 6MHz 或1C212MHz 都可以。时钟电路如图 3-5 所示：图 3-5 系统时钟电路.图 3-6 系统复位电路3.2.4 复位电路单片机的 RST 管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为 2 个机器周期以上。单片机的复位方式可由手动复位方式完成。电阻、电容器的参考值=10K、 =10uF、 =0.01uF。复位电路如图 3-6 所示。1
31、R1Ch3.3 量程转换模块设计3.3.1 电路选择图 3-7 量程转换开关 图 3-8 衰减输入电路输入电路的作用是把不同量程的被测电压，规范到 A/D 转换器所要求的电压值。数字电压表所采用的是逐次逼近式 A/D 转换芯片 ADC0808，它要求输入电压 0-2V。本仪表设计的是 0-50V 电压，灵敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰减器，如图所示 9M、900K、90K、和 10K 电阻构成1/10、1/100、1/1000 的衰减器。衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率，.从而切换档位。3.3.2 工作原理及换算关系如上图通过电阻网络实现电压衰减测量的输入阻抗约为 R4、R 5、R
32、 6。1 端、2 端单独合上时，V out 的大小分别是： 1 脚单独合上 Vout=Vin1；2 脚单独合上Vout= Vin(R4+ R5+ R6)/(R3+ R4+ R5+ R6)。由上式可以看出，V out 在一定范围时电阻网络衰减程度越大其可输入电压Vin。量程调节，只要把 R5，R 6 的参数选好然后，由开关 1 端、2 断选择测量电压输出端即完成量程选定。3.4 次逼近式 A/D 转换模块设计逐次逼近型 A/D 转换器属于直接型 A/D 转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。主要由比较器、环形分配器、控制门、寄存器与 D/A 转换器组成。3.
33、4.1 模数转换器C8051F020 器件内部都有一个 ADC 子系统，由逐次逼近型 ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器（F018/19 没有可编程增益放大器）组成。ADC 工作在 100ksps 的最大采样速率时可提供真正的 8 位、10 位或 12 位精度。ADC 完全由 CIP-51 通过特殊功能寄存器控制，系统控制器可以关断 ADC 以节省功耗。C8051F00x/01x/02x 还有一个 15ppm 的电压基准和内部温度传感器，并且 8 个外部输入通道的每一对都可被配置为两个单端输入或一个差分输入。可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从 0.5 到
34、16 以 2 的整数次幂递增。当不同 ADC 输入通道之间输入的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分方式，DAC 可用于提供直流偏移） ，这个放大环节是非常有用的。A/D 转换可以有 4 种启动方式：软件命令、定时器 2 溢出、定时器 3 溢出或外部信号输入。这种灵活性允许用软件事件、硬件信号触发转换或进行连续转换。一次转换完成后可以产生一个中断，或者用软件查询一个状态位来判断转换结束。在转换完成后，转换结果数据字被锁存到特殊功能寄存器中。对于 10 位或 12 位 ADC，可以用软件控制结果数据字为左对齐或右对齐格式。ADC 数据比较寄存器可被配置为当 ADC
35、数据位于一个规定的窗口之内时向控制器申请中断。ADC 可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才向控制器申请中断。除了 12位的 ADC 子系统 ADC0 之外，C8051F02x 还有一个 8 位 ADC 子系统，即.ADC1，它有一个 8 通道输入多路选择器和可编程增益放大器。该 ADC 工作在500ksps 的最大采样速率时可提供真正的 8 位精度。ADC1 的电压基准可以在模拟电源电压（AV+）和外部 VREF 引脚之间选择。用户软件可以将 ADC1 置于关断状态以节省功耗。ADC1 的可编程增益放大器的增益可以被编程为0.5、1、2 或 4。ADC1 也有灵活的
36、转换控制机制，允许用软件命令、定时器溢出或外部信号输入启动 ADC1 转换；用软件命令可以使 ADC1 与 ADC0 同步转换。3.4.2 模数转换器C8051F020 内部有两个 12 位电压输出 DAC，MCU 可以将任何一个 DAC 置于低功耗关断方式。C8051F02x 的 DAC 有灵活的输出更新机制，允许用软件命令和定时器 2、定时器 3 及定时器 4 的溢出信号更新 DAC 输出。DAC 在作为比较器的参考电压或为 ADC 差分输入提供偏移电压时非常有用。3.4.3A/D 转换电路设计集成摸数转换芯片实现的 A/D 转换电路如图 3-7 所示，被测信号由C8051F020 模拟输
37、入端输入，完成 A/D 转换后送入单片机，经相应处理后送出显示图 3-9 AD 连接图.3.5 显示模块设计3.5.1LCD 显示模块液晶显示器简称 LCD 显示器，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的特性实现显示信息的。液晶显示器具有体积小，重量轻，功耗低，显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。液晶显示器按功能可分为三类：笔段式液晶显示器，字符型点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。字符型点阵式液晶显示器显示模块是一种专门用于显示字符，数字，符号等的点阵式液晶显示模块，每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间有一定点距的间隔，这样就起到了字符间距与行距的
38、作用。显示接口用来显示系统的状态，命令或采集的电压数据。本系统显示部分用的是 LCD 液晶模块，采用一个 161 的字符型液晶显示模块LCD 显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与 LED 显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。系统中采用 LCD1602 作为显示器件输出信息。与传统的 LED 数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602 可以显示 2 行 16 个汉字。3.5.2LCD1602
39、 的引脚功能LCD1602 模块的引脚如图 3-10 所示，其引脚功能如下：RS：数据和指令选择控制端，RS=0 命令状态；RS=1 数据R/W：读写控制线，R/W=0 写操作；R/W=1 读操作A：背光控制正电源 K：背光控制地E：数据读写操作控制位，E 线向 LCD 模块发送一个脉冲，LCD 模块与单片机间将进行一次数据交换DB0DB7 ：数据线，可以用 8 位连接，也可以只用高 4 位连接，节约单片机资源。VDD：电源端 VEE：亮度控制端（1-5V） VSS：接地端图 3-10 LCD1602 模块的引脚图VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4
40、DB5 DB6 DB7 A KLCD 模 块1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16.3.5.3LCD1602 的显示操作1四种基本操作LCD 有四种基本操作，具体如表 3-1 所示。表 3-1 LCD 与单片机之间有四种基本操作(1)读状态字执行读状态字操作，如表 3-1 满足 RS=0，R/W=1 。根据管脚功能，当为有效电平时，状态命令字可从 LCD 模块传输到数据总线。同时可以保持一段时间，从而实现读状态字的功能。读状态字流程如图 3-9 所示。图 3-11 读入状态字流程图(2)命令字表 3-2 所示为命令字，其主要介绍了指令名称、控制信号及控制代
41、码。其指令名称是指要实现的功能；控制代号是采用的十六进制的数值表示的。1）清零操作是指输入某命令字后即能将整个屏幕显示的内容全部清除；2）归 home 位：将光标送到初始位；其中的号为任意，高低电平均可；3）输入方式：设光标移动方向并指定整体显示，是否移动。I/D=0：减量方式，S=1 ：移位方式，S=0：不移位；4）显示状态：D 指设置整体显示开关；C 指设置光标显示开关； B 指设置RS R/W 操作0 0 写命令操作(初始化，光标定位等 )0 1 读状态操作(读忙标志位)1 0 写数据操作(要显示内容)1 1 读数据操作(可以把显示存储区中的数据反读出来 ).光标的字符闪耀；5）光标画面
42、滚动：R/L 指右移或左移；S/C 指移动总体或光标；6）功能设置：DL 接口数位，L 指显示行数，F 显示字型；如 DL=1：8 位=0，4 位 N=1：2 行=0：1 行，G=1：510=0 ：57(点阵)7）CGRAM 地址设制：相当于一个数据库，可以在其中选择所需要的符号；8）DDRAM 地址设制：显示定位；9）读 BF 和 AC：B 为最高位忙的标志， F 为标志位；10）写数据：将数据按要求写入到对应的单元；11）读数据：读相应单元内的数据；表 3-2 命令字控制信号 控制代码指令名称RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0
43、 1归 HOME 位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *输入方式设制 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S显示状态设制 0 0 0 0 0 0 1 D C B无标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C RL * *功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *CGRAM 地址设制 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0DDRAM 地址设制 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0读 BF 和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0写数据 1 0 数 据读数据 1 1 数 据(3)写命令字由表 3-2 可知当 RS=0，
44、R/W=0 时，才可以通过单片机或用户指令把数据写到 LCD 模块，此时就对 LCD 进行调制。可采用查询方式：先读入状态字，再判断忙标志位，最后写命令字。图 3-10 所示为写命令字的流程图。.图 3-12 写命令字流程图1）定义光标位置显示数据的某位，就是把显示数据写在相应的 DDRAM 地址中，DDRAM地址占 7 位。Set DDRAM address 命令如表 3-3 所示。光标定位，写入一个显示字符后，DDRAM 地址会自动加 1 或减 1，加或减由输入方式设置。表 3-3 Set DDRAM address 命令RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1
45、 DB00 0 1 AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0第 1 行 DDRAM 地址与第 2 行 DDRAM 地址并不连续，如表 3-4 所示。表 3-4 DDRAM 地址row 1 2 3 4 5 14 15 16line1 80H 81H 82H 83H 84H 8dH 8eH 8fHline2 0c0H 0c1H 0c2H 0c3H 0c4H 0cdH 0ceH 0cfH2）LCD 初始化从通电开始延时，先经过判忙后再进行功能设置，过一段时间后可以设制显示状态（如设制行、位或阵列）再经过延时清屏后才可以设置输入方式，具体实现过程如图 3-11 所示。.图 3-13 LC
46、D 初始化流程图2LCD 显示程序设计LCD 显示程序的设计一般先要确定 LCD 的初始化、光标定位、确定显示字符后，显示流程如图 3-12 显示。图 3-14 LCD 显示程序流程图显示电路与 C8051F020 单片机接口电路设计在第二章显示电路论证中，本设计采用是 LCD 显示。在 LCD 驱动时，需在段电极和公共电极上施加交流电压。若只在电极上施加 DC 电压时，液晶本身发生劣化。液晶驱动方式包括静态驱动、动态驱动等驱动方式。1）静态驱动 所有的段都有独立的驱动电路，表示段电极与公共电极之间连续施加电压。它适合于简单控制的 LCD。2）多路驱动方式 .构成矩阵电极，公共端数为 n，按照
47、 1/n 的时序分别依次驱动公共端，与该驱动时序相对应，对所有的段信号电极作选择驱动。这种方式适合于比较复杂控制的 LCD。在多路驱动方式中，像素可分为选择点、半选择点和非选择点。为了提高显示的对比度和降低串扰，应合理选择占空比（duty）和偏压 (bias)。施加在 LCD 上所表示的 ON 和 OFF 时的电压有效值与占空比和偏压的关系如下：Vo:LCD 驱动电压 N:占空比(1/N) a:偏压(1/a)多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动。点反转驱动适合于低占空比应用，它在各段数据输出时，将数据反转。帧反转驱动适合于高占空比应用，它在各帧输出时，将数据反转。对于多灰度和彩色显示的控制
48、方法，通常采用帧频控制(FRC）和脉宽调制(PWM)方法。帧频控制是通过减少帧输出次数，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。如图图 3-15 所示.图 3-15 显示电路接口.第 4 章 系统软件设计根据需要，可将系统软件按照功能划分为 4 个模块，分别是主程序模块、A/D 转换模块、液晶显示模块、中断服务程序模块 (改变显示的小数点位置)，各模块的功能关系如图 4-1 所示。编写系统软件时，可首先编写各模块的底层驱动程序，而后是系统联机调试，编写上层主程序。系统主程序液晶管显示A/D转换中断服务.图
49、4-1 系统软件框图4.1 主程序设计图 4-2 主程序流程图.主程序主要负责各个模块的初始化工作：设置定时器、寄存器的初值，启动 A/D 转换，读取转换结果，处理量程转换响应，控制液晶实时显示等，其流程图如图 4-2 所示。4.2A/D 转换程序A/D 转换程序的功能是采集数据，在整个系统设计中占有很高的地位。当系统设置好后，单片机扫描转换结束管脚 P2.6 的输入电平状态，当输入为高电平则转换完成，将转换的数值转换并显示输出。若输入为低电平，则继续扫描。程序流程图如图 4-3 所示。图 4-3A/D 转换程序流程图4.3 中断服务程序中断服务程序的功能是为 ADC0808 提供时钟信号，当中断发生时将C8051F020 单片机的 P2.4 管脚将输出信号取反，为 ADC0808 提供 12kHz 时钟信号。
