基于STC12C5A60S2单片机数字电压表的设计

基于STC12C5A60S2单片机数字电压表的设计

第1章引言

在电量的测量中,电压、电流和频率是最基本的三个被测量,其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展,更是经常需要测量高精度的电压,所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称DVM,它是采用数字化测量技术,把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。

传统的指针式刻度电压表功能单一,精度低,容易引起视差和视觉疲劳,因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表,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,从而精度高、抗干扰能力强,可扩展性强、集成方便,还可与PC实时通信。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。目前,由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。

目前,数字电压表的内部核心部件是A/D转换器,转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度,因而,以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。

本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容,本系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块。

第2章系统总体方案设计选择与说明

2.1 设计要求

1、增强型MCS-51系列单片机STC12C5A60S2为核心器件,组成一个简单的直流数字电压表。

图3.1STC12C5A60S2单片机引脚图及实物图

3.2 STC12C5A60S2系列单片机主要性能

1）高速：1个时钟/机器周期,增强型8051内核,速度比普通8051快6~12倍。

2）宽电压：5.5~3.3V,2.2~3.6V(STC12LE5A60S2系列)。

3）增加第二复位功能脚/P4.6(高可靠复位,可调整复位门槛电压,频率<12MHz时,无需此功能)。

4）增加外部掉电检测电路/P4.6,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM。

5）低功耗设计：空闲模式(可由任意一个中断唤醒)。

6）低功耗设计：掉电模式(可由外部中断唤醒),可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。

7）支持掉电唤醒的管脚：INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,

CCP0/P1.3(或P4.2),CCP1/P1.4(或P4.3),EX_LVD/P4.6。

8) 工作频率：0~35MHz,相当于普通8051：0~420MHz。

9) 时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选,在ISP下载编程用户程序时设置。

10) 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内Flash程序存储器,擦写次数10万次以上。

11) 1280字节片内RAM数据存储器。

12) 芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上。

13) ISP / IAP,在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器。

14) 8通道,10位高速ADC,速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用。

15) 2通道捕获/比较单元(PWM/PCA/CCP),也可用来再实现2个定时器或2个外部中断(支持上升沿/下降沿中断)。

16) 4个16位定时器,兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器。

17) 可编程时钟输出功能,T0在P3.4输出时钟,T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟。

18) 硬件看门狗(WDT)。

19) 高速SPI串行通信端口。

20) 全双工异步串行口(UART),兼容普通8051的串口。

21) 通用I/O口(36/40/44个),复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)。可设置成四种模式：准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏。每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不得超过120mA。

3.3 STC12C5A60S2系列单片机的A/D转换器的结构

STC12C5A60S2系列单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0）,有8路10位高速A/D转换器,速度可达到250KHz（25万次/秒）。8路电压输入型A/D,可做温度检测、电源电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口,用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换,不需作为A/D使用的I/O口可以继续作为I/O口使用。

STC12C5A60S2系列单片机ADC的结构如下图所示

图3.2 STC12C5A60S2系列单片机ADC的结构

图3.3 当AUXR.1/ADRJ=0时,A/D转换结果寄存器格式

图3.4 当AUXR.1/ADRJ=1时,A/D转换结果寄存器格式STC12C5A60S2系列单片机ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位ADC转换寄结果存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC_CONTR构成。

STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC,逐次比较型ADC由一个比较D/A转换器构成,通过逐次比较逻辑,从最高位（MSB）开始,顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出比较,经过多次比较,使转换所得的数字量逐次比逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高,功耗低等特点。

从上图可以看出,通过模拟多路开关,将通过ADC0-ADC7的模拟量输入送给比较器。用数/模转换器（DAC）转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较,将比较结果保存到逐次比较器,并通过逐次比较寄存器输出转换结果。A/D