毕业设计_基于单片机的功率测量系统的设计论文.pdf

摘要近年来随着计算机在社会各领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深 入。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为个核心部 件来使用。本论文详细的阐述了功率测量系统的设计思路和具体设计步骤。以单 片机为核心,着重的介绍了 52单片机在系统中的重要地位,以及其外围硬件电 路的芯片结构特点、功能和管脚知识。集测量、显示等功能于一体,设计完整、结构清晰、操作简单。在本设计中,是采用对电路中电压和电流分别进行采样,再经模数转换器MAX197,将模拟量变为对应的数字量,用液晶显示器显示电压 和功率。本文详细论述了硬件电路的组成。利用单片机完成整个测量电路的测试 控制、数据处理和显示输出。关键词:单片机,模数转换,功率表,采样,LCD液晶显示器ABSTRACTRecent years,with the penetration of computers in the social sphere,SCM applications are continually deepening.In real-time detection and automatic control of microcomputer application system,the microcontroller is often used as a core component.This paper describes in detail the power measurement system design and detailed design steps.The MCU as the core,focusing on the introduction of the 52 SCM in an important position in the system and its peripheral hardware circuit chip structural features,function and pin knowledge.Set of measurement,display and other functions,design integrity,a clear structure,easy operation.In this design,is the use of circuit voltage and current were sampled,and then the MAX197,the analog content into a corresponding number,using 6-one digital display voltage and power.This article discusses in detail the composition of the hardware circuit.MCU to complete the measurement circuit using the test control,data processing and display output.KEY WORDS：A single-chip microcomputer,modulus conversion,power list,sampling,LCD monitor目录第1章绪论.11.!研究概述.11.2设计背景.11.3设计的意义.21.4设计要求与目的.2第2章 系统设计方案选择和论证.42.1基本方案的选择和论证.42.2总体方案论证.82.3本章小结.9第3章系统硬件电路设计.103.1单片机电路测试系统的分析:.103.2电压电流的取样电路.143.3 A/D转化模块.163.4显示模块的设计.193.5 MAX232芯片简介.253.6 5v电源的设计.273.7键盘接口的分析.273.8本章小结.28第4章系统软件程序设计.294.1程序设计.294.2本章小结.42第5章调试过程.435.1调试.435.2系统结果验证.43第六章总结.44致 谢.45参考文献.46附录A汇编源程序.47附录B系统原理图.51刖后近年来,随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞度发展,给电系统 测量也带来了巨大的革命。提高电能测量技术改机械式功率表为智能型数字功 率表已成为时代的要求。电测量系统的智能型数字表通常是以单片机为核心,配置一定的外围电路和软件,能够实现多种功能。在软件和硬件的设计中,系统 的抗干扰性和系统的实时性与准确度成了解决数字表的关键所在。单片机具有成 本低、可靠性高、应用灵活的特点。由各具体行业的业内人士使用单片机来开发 或改造一般仪表是一条可行的道路。在电与电子技术应用中,经常要测量功率。它是利用通有电流的可动线圈在另个通电线圈形成的磁场中产生转动矩而 工作的仪表,其显著缺点是结构复杂、过载能力较差,本身消耗功率较大,且易受 外磁场的影响,同时这样的功率表一般都是多量程的,在测量过程中需有电压表 和电流表配合选定电压和电流量程,在选择不同的电压和电流量程时,刻度盘上 每一分格代表不同的瓦特数,读得格数需要进行换算能得出所要测量的功率,致使测量很不方便。另外在功率测量中,经常遇到被测电路的功率因数很低的情 况,这时必须采用专门的低功率因数功率表。基于功率表是电仪表中最常用的 种仪表,目前常用的是指针式电动系功率表。而为了更为精确的显示测量结果,数字功率表的设计成为了必然。第1章绪论1.1 研究概述在测量、控制仪表中引入微机,不仅能解决传统仪表不能解决或不易 解决的问题,而且能简化电路、增加功能、提高精度和可靠性、降低售价 以及加快新产品的开发速度。由于这类仪表已经实现人脑的一部分功能,例如四则运算、逻辑判断、命令识别等,有的还能够进行自教正、自诊断,并具有自适应、自学习的能力,因此人们习惯上称它们为智能仪表。数字 功率表也是种简单的智能仪表。功率表一直以来都是重要的工业测量仪表,而数字功率表在原有的基 础上比以前的更方便。数字显示消除了在模拟标尺上读取指针位置时的人 为误差。与传统的其他仪表相比,数字功率表的测量准确度显著提高。除 测量准确外,因数字仪表具有自动保护和自动选择量程的功能,因此减少 了由于过载而损坏仪表的可能性。此外,本次所设计的数字功率表还具有 自动记录数据和进步处理数据的能力,能方便地使用在自动测试系统中 31.2 设计背景近二十多年来,电能的测量和管理发展很快,逐渐成为个专门的领域,但 是由于电能测量较电压、电流等的测量复杂和困难,故测量的准确度低,通常的测 量仪器为210级,015级就已是标准仪器了。实现功率测量必须有一个能将两输入 电量相乘的电路结构,目前数字功率表大多使用称为时间分隔乘法器的种模拟 乘法电路来实现相乘。时间分隔乘法器又称脉冲宽度一高度调制乘法器,它通 常具有优良的静态精度,在相当宽的温度范围内可以达到千分之一,然而,由于这 种乘法器输出滤波器的固有相移,使之受到严重的动态限制.即使三角波的频率 达到兆赫兹范围,乘法器的带宽仍然很有限,典型3 dB带宽可能在1 KHz以下。另外,时间分隔乘法器的电路比较复杂,调整也较繁琐,尽管如此,在静态精度要求 较高的场合,这种方法还是经常采用的。随着微机的普及和发展,出现了应用微处理器进行数字乘法运算的新型功率表-采样功率表。1.3 设计的意义近年来,随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞度发展,给电系统 测量也带来了巨大的革命。提高电能测量技术改机械式功率表为智能型数字功率表已成为时代的要 求。电测量系统的智能型数字表通常是以单片机为核心,配置一定的外围电路 和软件,能够实现多种功能。在软件和硬件的设计中,系统的抗干扰性和系统的 实时性与准确度成了解决数字表的关键所在。单片机具有成本低、可靠性高、应 用灵活的特点。由各具体行业的业内人士使用单片机来开发或改造一般仪表是 条可行的道路。在电与电子技术应用中,经常要测量功率。另外,在功率测量中,经常遇到被测电路的功率因数很低的情况,这时必须采 用专门的低功率因数功率表。基于功率表是电仪表中最常用的种仪表,目前 常用的是指针式电动系功率表。而为了更为精确的显示测量结果,数字功率表的 设计成为了必然。因此,设计数字功率表事非常有意义的,也对我们以后的测量带来很大的帮 助。1.4 设计要求与目的1.4.1 设计要求基本设计要求:(1)利用单片机控制;(2)能显示电压、电流、功率、功率因数;(3)显示模块米用LCD液晶屏显示;(4)要求能用按键切换液晶显示上的读数;1.4.2设计目的（1）数字功率表是几个模块的组合,设计时要熟悉各个模块的设计方案及其 的作用;（2）通过本设计掌握AT89S52单片机的应用,并熟练C5!编程及在Kei!软 件;（3）学习并掌握Protel99SE画图软件的使用;4）设计出款实用的数字功率表;第2章系统设计方案选择和论证2.1基本方案的选择和论证2.1.I功率表的定义功率的定义是在单位时间内所做的功。电学上的定义为P=/cose。单位 为W,这称为平均功率或有效功率。角度为I和E之间的相位角,cos 9称为功率 因素。在直流电路中,功率的表示式为P二UI；在交流电路中,功率的表示式为P=/Ecos6L很显然,要利用个装置来测量功率,就须反映电压和电流的乘积,这无论 用电动学测量机械仪表或数字测量仪表均可完成。目前使用最多的前者由于其准 确度不高,仪表的读数易受外磁场的影响、仪表本身耗功大、过载能力小、表盘 刻度不均匀,已不能完全适应人们快速有效的工作生活节奏;随着科技业飞速发 展,数字功率表由于精度高、频带宽,不仅可以用于校准指针式功率表,也适合 在现场进行功率的快速测量。在今天的数字时代,其应用前景是非常广阔的。2.1.2 功率测量方案的论证与比较方案、测量模拟电压用伏频（V/F）转换器,可将相应的电压转化为相应 的频率,提高测量的精确度,对应比例为ImV/Hz。用该方案求功率,也是要分时取电压电流的模拟量,再转换为频率,最后用 软件处理,实现功率测量。专用的V/F转换器有AD650、AD654等。方案二、利用采样电路分别对电压和电流进行采样,将电流转换成电压,再 经乘法电路将两路电压相乘,再经模数转换器,模拟量变为对应的数字量,若要 使测量的精度尽量高,可多次采样几组数据,然后再在程序中处理,求出平均值。原理框图如图2-1所示:图2-1原理框图方案三、可利用专门的IC来实现,如AD534芯片,该芯片既可采样电压,又可采样电流,并将相应的模拟电压,电流转换为对应的数字量,再将转换后的 电压,电流相乘,便可得到所求功率。功能描述:输入电由三个相同的电压转换 电流的转换器转换为不同的电流,功能框图如图2-2所示,转换功能框图如图2-3：X INPUT+/-10V+/-12VY INPUT+/-10V+/-12V图2-2功能框图X INPUT+/-10V+/-12VY INPUT+/-10V+/-12V方案四、采用锁相环技术测量功率。锁相就是相位同步的自动控制,完成两 个电信号相位同步自动控制系统称为锁相环（简称PLL）。因测量功率的两个参 数电流、电压的获取不是同时采样的,故需要利用锁相环技术测量功率。由下图 可见,锁相环由3个基本单元构成:相位比较器PC、电压控制震荡器VCO、低通 滤波器LPF如图2-4。图2-4转换框图施加于相位比较器有两个信号:输入信号,压控震荡器输出信号,相位比较 器输出信号,经低通滤波器后得到个平均电压,这个电压控制震荡器的频率变 化,使输入与输出信号的频率之差减小,直到差值为零,此时即是锁定。当锁定 后,VCO能使其输出信号的频率跟随输入信号频率变化。利用锁相技术可以实 现在电网电压及电流波形发生畸变时进行同步跟踪采样。每个周波的采样点数可 根据需要选择。方案5、对电压和电流进行采样,再经模数转器,模拟量变为对应的数字量,将转化成的数字量再送往单片机中。这仅仅只是电压和电流的变量的计算（计算 是通过软件的控制）,再把电压和电流的采样通过过零比较器进行转换成方波然 后送往单片机的INTO口和INT1 就可以计算出电压和电流之间的角度从而可以 通过软件的控制就可以算出采样过来的功率。然后通过液晶显示器进行显示如图 2-5。本设计选用方案5。图2-5数字功率表框图2.1.3 按键模块的选择在对功率、电压、电流以及功率上限进行选择时系统需要通过进行按键的选 择就可以看到不同的数值。方案:使用独立式键盘。独立式键盘是指直接使用I/O 口构成的单个按键 电路。独立式按键电路配置灵活,软件结构简单。方案二:使用矩阵式键盘。矩阵式键盘是由行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上,行线、列线分别连接到按键开关的两端。其特点是简单且不增加 成本,但这种键盘适合按键数量较多的场合。根据以上论述,因为本系统需要的按键不多,有电压显示,电流显示,功率 显示以及功率因数显示,共四个按键,要求简单。所以采用方案一独立式键盘。2.1.4 显示模块的选择方案:使用传统的LED数码管显示。数码管具有低能耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高(低)温,寸外界环境要求低,易于维护,同 时称重轻操作简单等特点。数码管采用BCD编码显示数字,程序编译容易。但 是数码管显示数字不稳定,而且不能显示文字,还需要增加驱动器。在本设计屮 若使用LED数码管显示,则电路原理图规模庞大复杂,效果不是很理想。方案二:使用液晶显示屏显示。液晶显示屏(LCD)具有轻薄短小、低耗电 量、无辐射、平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势,而且具有可视面积大,简化电路,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强等特点。选用LCD显示,可 以显示数字、文字等字符。程序是模块化的,清晰易懂,若想实现新增功能,只 需添加(或删除)程序,因此应用比较广泛。根据以上论述,采用方案二。在本系统中,24位LM016L液晶显示器。2.1.5 电路设计最终方案制定综上各方案所述,本设计的方案选定:(1)采用AT89s52作为主控系统;(2)MAX197 提供 A/D 转化;(3)LCD液晶显示屏作为显示;(4)独立式键盘结构。2.2总体方案论证按照系统设计功能的要求,初步确定系统由主控制模块、数据采样模块、A/D转化模块以及数据显示模块。主控芯片选择AT89S52单片机。数据采集选择电压互感器和电流互感器,A/D转化模块泽选择MAX197的模拟信号输入电路拥有5MHz的信号带宽,当 使用内部采集控制模式并使用外接2MHz时钟时,可达到100kSa/s的通过速率,显示模块则用24位LM016L液晶显示器如图2-60电压采样匚恒晶显示器图2-6数字功率表框图2.3本章小结本章主要讨论了测试仪的总体实现方案,先提出设计目标,根据目标分析确 定实现方案,接着又分析了实现方案中的一些技术问题,给出了解决的办法,从 而确定出系统的总体方案。第3章系统硬件电路设计本章主要讲的是系统硬件电路的设计,运用电压、电流采样电路,将采样的 电压和电流送往A/D转换芯片MAX19?把模拟量转换成数字量然后再送往 AT89S52通过软件编程算出电压和电流的乘积。另外电压和电流的相位角之差是 通过硬件电路实现的,将采样电压和采样电流送往过零比较器中,再把过零比较 器的输出端接往单片机的两个中断口,通过方波电路的上升沿之差从而得出相角 差。然后再把算出的结果通过LCD1602液晶显示器显示结果,我们再通过按键 的切换来显示电压、电流、功率和功率因数。它的整体框架如上一章的2-6图所 zj 3.1 单片机电路测试系统的分析AT89s52为ATMEL所生产的种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具 有8K在系统可编程Flsah存储器。3.1.1 AT89s52 主要功能:(1)拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash；(2)晶片內部具时钟振荡器(传统最高工作频率可至!2MHz)；(3)内部程序存储器(ROM)为8KB；(4)内部数据存储器(RAM)为256字节;(5)32个可编程I/O 口线；(6)8个中断向量源；(7)三个16位定时器/计数器;(8)三级加密程序存储器;(9)全双UART串行通道。3.1.2 AT89s52各引脚功能介绍:AT89S52的引脚图如图3-1系统时钟的反相放大器输出端,一般在设计上只 要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了,此外可 以在两引脚与地之间加入 20PF的小电容,可以使系统更稳定,避免噪声干 扰而死机。RESET：复位VCC：AT89S52电源正端输入,接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：AT89S52的重置引脚,高电平动作,当要对晶片重置时,只要对 此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间,AT89s51便能完成系 统重置的各项动作,使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态,并且至 地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。(T2)P1.0E(T2EX)P1.1CP1.2CP1.3E P14匚(MOSI)P1.5E(MISO)P1.6E(SCK)P1.7E RSTE(RXD)P3.0E(TXD)P3.1 E(INTO)P3.2E(1NTT)P3.3E(TO)P3.4E(T1)P3.5E(WR)P3.6 E(RD)P3.7EXTAL2E XTAL1E GNDE1402393384A 375T鸡6357叱348S 339321031112 30122913281427152616251724182319222021 VCC PO.O(ADO)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)日WPPAL日PROS PSEN P2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)图3-1 AT89s52的引脚EA/Vpp：EA为英文External Access”的缩写,表示存取外部程序代码之意,低电平动作,也就是说当此引脚接低电平后,系统会取用外部的程序代码（存于 外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中,EA引脚必须接低电平,因为其内部无程序存储器空间。如果是使用8751内部程序空间时,此引脚要接 成高电平。此外,在将程序代码烧录至8751内部EPROM时,可以利用此引脚 来输入21V的烧录高压（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文Address Latch Enable的缩写,表示地址锁存器启 用信号。AT89s52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373）,将端口。的地址总线（A0A7）锁进锁存器中,因为AT89s52是以多的方式 送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6,因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录875I程序代码时,此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN：此为“Program Store Enable”的缩写,其意为程序储存启用,当8051 被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0）,会送出此信号以便取得程序代 码,通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S52可以利用PSEN及RD引脚 分别启用存在外部的RAM与EPROM,使得数据存储器与程序存储器可以合并 在起而共用64K的定址范围。PORTO（P0.0-P0.7）：端口 是个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向 输出入端口,共有8个位,P0.0表示位。,P0.1表示位1,依此类推。其他三个 I/O端口（Pl、P2、P3）则不具有此电路组态,而是内部有一提升电路,P。在当 做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用 外部程序代码或数据存储器），P0就以多方式提供地址总线（A。A7）及数 据总线（D。D7）。设计者必须外加一锁存器将端口。送出的地址栓锁住成为 A。A7,再配合端口 2所送出的A8A15合成一完整的16位地址总线,而定 址到64K的外部存储器空间。PORT2（P2.0-P2.7）：端口 2是具有内部提升电路的双向I/O端口,每个 引脚可以推动4个LS的TTL负载,若将端口 2的输出设为高电平时,止匕端口便 能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外,若是在AT89s52扩 充外接程序存储器或数据存储器时,也提供地址总线的高字节A8A15,这个 时候P2便不能当做I/O来使用了。PORT1（P1.0-P1.7）：端口 1也是具有内部提升电路的双向I/O端口,其输 出缓冲器可以推动4个LSTTL负载,同样地若将端口 1的输出设为高电平,便 是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话,PL。又当做定时器2 的外部脉冲输入脚,而P1.1可以有T2EX功能,可以做外部中断输入的触发脚 位PORT3(P3.0-P3.7)：端口 3也具有内部提升电路的双向I/O端口,其输出 缓冲器可以推动4个TTL负载,同时还多工具有其他的额外特殊功能,包括串 行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制 等功能。其引脚分配如下:P3.0：RXD,串行通信输入。P3.1：TXD,串行通信输出。P3.2：INTO,外部中断。输入。P3.3：INT1,外部中断1输入。P3.4：TO,计时计数器。输入。P3.5：T1,计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD,外部数据存储器的读取信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周 期的高电平时问。ALE/PROG：当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁 存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在 平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率 的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意 的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过个ALE脉冲。如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH地址上置。此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指 令是ALE起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执 行状态ALE禁止,置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期 间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两 次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(OOOOH-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.3单片机的最小系统原理图:它是系统驱动的前提,是单片机里面的程序可以运行的最小配置,它的接线图如图3-2所示。AT89s52i：T2：iP1.i：i(T2EKJP1.1 PUP13 Pl.4(M0SIJP15(MS0)P1j6(SCKJP1.7 KST(BXDiP3jO(TXD)iP3.1 i：mrrojP3(/INT1)P33(T0JP34(T1JP3J(/WRJP36 加)iP3.7 XTAL2 XTAL1 GNDVCC POJO(ADl)P0.1(AD2)PO 置 Q3)P03(AD4)P0.4(AD5)P0J(AD6)P0j6(AD6)P0.7(AD7)/EAALE/PSEH P2.7(A15)P2j(5(A14)P23(A13)P2.4(A12)P23(A11)P2dA而P2MA9)P2J0(A8)VCC40393837363534333231 30 29 逅272625242322 21-图3-2单片机最小系统3.2电压电流的取样电路用单片机组成测控系统时,系统必须有被测电信号的输入通道,即前 向通道,用来采集必要的输入信息。而本测试系统的前向通道构成及接口 如下:3.2.I电压、电流测试的前置电路由于本系统测量电压的有效值范围是0V到600V,电流有效值的范围是 0A到10A,而模数转换器采样电压仅仅为到5V的直流电压,所以在硬 件上需要设计电压和电流的前置通道完成强电到弱电的转换。即外部电压 或电流先经过互感电路变换、整流电路整流、分压电路分压最后可以被 模数转换器采样。具体变换过程如下所述:3.2.2电压与电流的变换电路电压采样采取用玻膜合金制成的微型典雅型电流互感器（PT）,其变化比 2A/2mA,在电压动态范围为（50-200）%Un（Un为额定电压,AC220或AC380）时其比差非线性度为正负0.1%,角差为正负5度角,负载阻抗小于等于300欧 姆电压互感器输出直接与A/D转化芯片相连如图3-3所示。图3-4 电流变换电路电流取样采用高精度电流微型互感器CT,电路结构图如图3-4所示,与A/D转化器相连。CT2为0.2级电电流互感器,仪表可测最大电流为7000A,CT2为玻 膜合金制成的微型电流互感器一般变比取5A/500mA,负载阻抗R小于等 于!00欧姆。3.3 A/D转化模块MAX197是Maxim公司推出的8通道、12位的高速A/D转换芯片。芯 片采用单电源+5V供电,单次转换时间仅为6us,采样速率可达 100kSa/so引脚图如图3-5所示。图3-5 MAX197弓I脚图3叵D2（2L）!叵LM i 13333囚n図目犯日凶冃时可3.3.1 MAX197芯片的特点:(1)单+5v工作电源;(2)可软件选择模拟量输入范围:10v,土5v,0v 10v,0v5v;(3)8个模拟输入通道;(4)6s转换时间,l()()ksps采样速率;(5)可采用内部或外部采集控制模式；(6)两种电源关断模式;(7)內部或外部时钟;(8)内部4.096V参考电源或外界参考电源。3.3.2 引脚说明;引脚功能如表3-1所示。表37 MAX19y引脚功能引脚符号功 能1CLK当采用外部时钟模式时外部时钟脉冲由此输入,当采用内部模 式时,内部接地电容实质内部的时钟频率。2CS片选信号低电平有效3WR写信号低电平有效4RD读信号低电平有效5HBEN转换结果复用控制,低电平低8位有效,高电平高四位有效6SHDN关断控制端,低电平有效7-10D7-D4三态数字I/O 口端11D3/D11三态数字I/O 口端,D3输出（HBEN为低电平）D11输出时（HBEN 为高电平）12D2/D10三态数字I/O 口端,D2输出（HBEN为低电平）D10输出时（HBEN 为高电平）13D1/D9三态数字I/O 口端,D1输出（HBEN为低电平）D9输出时（HBEN 为高电平）maxl97既可以使用内部参考电压源,也可以使用外部参考电压源。可以看出,当使用内部参考源时,芯片内部的2.5V基准源经放大后向ref提供4.096V参考 电平。这时应在ref与agnd之间接入个4.7 f电容,在refadj与agnd之间接 入个。.01 f电容。当使用外部参考源时,接至ref的外部参考源必须能够提 供400 a的直流工作电流,且输出电阻小于10 3。如果参考源噪声较大,应在ref 端与模拟信号地之间接个4.7 f电容。模拟量输入通道拥有16.5v的过电压保护,即使在关断状态下,保护也有效。3.3.3 运行及控制模式通过对控制寄存器的设置,maxl97可以工作在不同的运行及控制模式,表3-2 就是控制寄存器格式。表3-2寄存器控制格式D7 D6D5D4D3D2D1 D0PD1 PD0ACQMODRNGBIPA2A1 A0时钟及电源内咅B/外部采集模拟输入量模拟输入模拟输入通道关断模式控制选择程选择极性选择选择下面我们重点讨论不同的时钟模式、采集控制模式、电源关断模式以及转换 结果的读取。（1）时钟模式通过对控制寄存器的d6、d7位置数,可以选择maxl97使用外部时钟或內部 时钟。一旦选定时钟模式,除非断电（不包括电源关断模式）,否则,所选时钟模式 不可再改变。在两种时钟模式下,外部采集和内部采集控制模式都可选用。当芯 片上电时,初始状态为外部时钟模式。选择内部时钟模式时,应在elk端和地之间 接入个电容,不同的电容值对应不同的内部时钟周期。工作时钟的最大值为 2mhzo（2）采集控制模式通过将控制寄存器的acqmod位置可选择内部采集控制模式。在内 部采集控制模式下,写信号脉冲将开始个由内部定时控制长度的采集问 隔。在6个时钟周期长度的采集间隔结束时,将启动下个转换。在内部采 集控制模式下,maxl97的模拟信号输入电路拥有5mhz的信号带宽,当使用 内部采集控制模式并使用外接2mhz时钟时,可达到lOOksps的通过速率。通过将控制寄存器的acqmod位置可选择外部采集控制模式。采用外部 采集控制模式是为了精确控制采样孔径或独立控制采集和转换时间。由用 户分别通过两个写信号脉冲控制采集间隔和开始转换时间,第一个写信号 脉冲时将控制寄存器的acqmod位置1,开始个采集间隔。第二个写信号 脉冲时将控制寄存器的acqmod位置0,结束采集间隔并开始转换。然而,如 果在第二个写信号脉冲时将控制寄存器的acqmod位置1,则将开始又一个 采集间隔。在第一个写信号脉冲和第二个写信号脉冲时,控制寄存器中的模 拟通道选择位必须置相同的值。电源关断模式控制位可以置不同的值。（3）电源关断模式为节省能源,maxl97可以在两次转换之间工作于低电流关断模式。有 两种电源关断模式供选择,通过控制寄存器的pdl、pdO位,可以选择stbypd（待机）模式或fullpd（全关断）模式。当stbypd关断模式被设置后,只有 在转换结束后生效。在stbypd模式下,芯片在第一个写信号的下降沿返 冋正常状态。当fullpd关断模式被设置且shdn端变为低电平时,芯片处于 硬件全关断状态（fullpd）,此时将马上中止转换。这里须强调的是,在不同 的关断模式下,芯片由关断到恢复正常状态时的过渡过程是不一样的。软件 设计时,必须充分考虑到这特点。在stbypd模式时,带隙参考源和参考源 放大电路仍然保持工作,ref上的电压将不受模式转换的影响。因此,可以在 这种模式时选择任何采样速率而不用考虑恢复正常状态时的延迟。即在两 次转换之间选用stbypd关断模式时,不用考虑过渡时间。然而,在fullpd模 式下,只有带隙参考源在工作,芯片由关断到恢复正常状态时存在个过渡 过程。为了减小过渡过程的影响,应在ref与agnd之间接入一个33pf的电 容。（4）转换结果的读取输出数据采用无符号二进制模式（单极性输入方式）或二进制补码形 式（双极性输入方式）。当cs和rd都有效时,hben为低电平,低8位数据被 读出,hben为高电平,复用的高4位被读出,另外4位保持低电平（在单极性 方式下）,或另外4位为符号位（在双极性方式下）。当转换结束并且结果 有效时,转换完成中断信号端int发出个低电平信号,当读信号结束或个 新的控制字节被写入时,int端重新变为高电平。在转换期间写入个新的 控制字节将导致转换中止并开始个新的采集间隔。3.4 显示模块的设计在日常生活中,我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子 产品的通过器件,如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看 到,显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中,一般的 输出方式有以下几种:发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码 管比较常用,软硬件都比较简单,在前面章节已经介绍过,在此不作介绍,本章 重点介绍字符型液晶显示器的应用。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点:(1)显示质量高由于液晶显示器每个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度,恒定发 光,而不像阴极射线管显示器(CRT)那样需要不断刷新新亮点。因此,液晶显 示器画质高且不会闪烁。(2)数字式接口液晶显示器都是数字式的,和单片机系统的接口更加简单可靠,操作更加方 便。体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显 示的目的,在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。(3)功耗低相对而言,液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动(上,因而 耗电量比其它显示器要少得多。3.4.I液晶显示简介液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制,有电就有显示,这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模 集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点,目前已经被广泛应用在便携式 电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种,通常可按其显示方式分为段式、字符式、点 阵式等。除了黑白显示外,液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动 方式来分,可以分为静态驱动(Static)、单纯矩阵驱动(SimpleMatrix)和主动 矩阵驱动(Active Matrix)三种。液晶显示器各种图形的显示原理：线段的显示:点阵图形式液晶由MXN个显示单元组成,假设LCD显示屏有64行,每 行有128列,每8列对应1字节的8位,即每行由16字节,共16X8=128个点 组成,屏上64X16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应,每一字节的内 容和显示屏上相应位置的亮暗寸应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H 00FH的16字节的内容决定,当(000H)=FFH时,则屏幕的左上角显示 条短亮线,长度为8个点;当(3FFH)二FFH时,则屏幕的右下角显示一条短亮 线;当(000H)=FFH,(001H)=00H,(002H)=00H,(00EH)=00H,(OOFH)二00H时,则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是 LCD显示的基本原理。字符的显示:用LCD显示个字符时比较复杂,因为个字符由6X8或8X8点阵组成,既要找到和显示屏幕上某几个位置寸应的显示RAM区的8字节,还要使每字节 的不同位为“1”,其它的为“0”,为“1”的点亮,为“0”的不亮。这样来就 组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可以让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数 找出显示RAM寸应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显:汉字的显示一般采用图形的方式,事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码(一般用字模提取软件),每个汉字占32B,分左右两半,各占16B,左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可 找出显示RAM对应的地址,设立光标,送上要显示的汉字的第一字节,光标位 置加1,送第二个字节,换行按列对齐,送第三个字节直到32B显示完就可 以LCD上得到个完整汉字。3.4.2 1602字符型LCD简介字符型液品显示模块是种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公 司的1602字符型液晶显示器为例,介绍其用法。3.4.3 1602LCD的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种,基控制器大部分为HD44780,带背 光的比不带背光的厚,是否带背光在应用中并无差别,两者尺寸差别如下图3-6 所示:60图3-6 1602LCD尺寸图1602LCD主要技术参数:显示容量:16X2个字符芯片工作电压455.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压50V字符尺寸:2.95 X 4.35(W X H)mm引脚功能说明:1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接 说明如表3-3所示：表3-3 1602LCD引脚接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择1