基于ARM9单片机多功能数字电压表设计.doc

1、河南科技大学本 科毕业设计（论文） I 基于 ARM9 单片机多功能数字电压表的设计 摘 要 数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，在日常维修、教学和科研中，电压表是不可缺少的。本文以 ARM9-S3C2440 单片机为基础设计出一种结构简单、工作可靠、灵活性好的多功能数字电压表。 本文设计的数字电压表主要包括两部分：硬件电路的分析及软件程序的设计。基于单片机的数字电压表的硬件系统、软件系统的设计原理及具体实现方案作以详细介绍。其中，在软件部分，大致介绍了软件设计所使用的编程语言和编程思路，及运行期间出现的问题及 解决方案。在硬件部分，详细分析了设计原理、使用方法和功能，同时，对各部分接口电

2、路作大致介绍。该设计主要由四个模块组成： A/D 转换模块，数据处理模块，显示模块及各驱动控制模块组成。设计过程中对单路的选择进行了扩展研究，提出了通过按键控制实现多路选择的新思路，使其具有更大的发展空间，可用性更大，更能满足实际生活的需要。 本设计总体实现基于 ARM9-S3C2440 平台实现 AD转换，并设计显示屏背景 ,在 TFT LCD 屏上显示电压值及 AD 转换的高测量精度的数字值，同时超出一定电压值时具有报警功能，并且能实现多路测量， 可通过按键选择某路通道等多功能的数字电压表。 关键词： 数字电压表， A/D 转换， LCD 屏，多路，键盘控制 河南科技大学本 科毕业设计（论

3、文） II THE DESIGN OF MULTI-FUNCTION DIGITAL VOLTMETE BASED ON ARM9 S3C2440 - SCM ABSTRACT Digital voltmeter is the core and foundation of many digital instrument,as the voltmeter is indispensable in daily maintenance, teaching and scientific research.In this paper, a kind of digital voltmeter which i

4、s of simple structure, reliable operation and good flexibility multi-function is introduced based on ARM9 S3C2440 - SCM. In this paper, the design of digital voltmeter mainly includes two parts: the analysis of the hardware circuits and design of software.This pasper introduces the hardware system,

5、software system design principle and the concrete implementation plan of the Digital- voltmeter is based on single chip microcomputer in detail.In the software part, the programming language used to the software design,the programming ideas, the problems and solutions during the operation are instro

6、duced simply.In the hardware part,the design principle and method of use and function are analyzed , and at the same time, the interface circuit of each part are introduced generally.This design is mainly composed of four modules: A/D conversion module, data processing module, display module and the

7、 drive control module. Extended research are carrid of single channel selection in design process, which put forward new ideas that realizing multiplex selection via button control, making it of larger development space, bigger usability,and more meet the needs of real life better. This design in th

8、is paper implements a multi-function digital voltmeter which realizes the AD conversion based on arm9 - S3C2440 platform overall, designs display background, displays voltage and numerical value of high 河南科技大学本 科毕业设计（论文） III measured precision of the AD conversion on the TFT LCD,which has the alarm

9、function while beyond a certain voltage value at the same time, and it can achieve the multi-channel measurement so that a certain mesured channel can be choosed via buttons. KEY WORDS: Digital voltmeter, A/D conversion, LCD screen, Multiplex, The keyboard control 河南科技大学本 科毕业设计（论文） IV 目 录 错误 !未定义书签。

10、 前 言 .1 第 1 章 引言 .3 1.1 数字电压表设计的两种方案简介 .3 1.1.1 由数字电路和芯片构成 .3 1.1.2 单片机 系统及内置的 A/D 转换芯片构建 .3 1.2 数字电压表 的特点 .5 第 2 章 设计需求 .6 2.1 设计目的 .6 2.2 系统设计 .6 2.3 设计的功能要求 .7 2.4 应用软件简介 .8 2.4.1 Keil 软件的使用 .8 2.4.2 取模软件使用 .8 第 3 章 硬件电路设计分析 . 11 3.1 单片机模块 . 11 3.1.1 S3C2440 单片机原理图 . 11 3.1.2 芯片的选择与介绍 . 12 3.2 AD

11、C 数模转换 . 13 3.2.1 S3C2440ADC 的主要特性 . 13 3.2.2 ADC 转换原理 . 13 3 .2.3 ADC 相关寄存器 . 15 3.2.4 ADC 驱动程序的设计步骤 . 15 3.3 显示模块 . 17 3.3.1 S3C2440 内部 LCD 控制器结构 . 17 3.3.2 TFT LCD 屏显示原理 . 17 3.4 驱动模块 . 20 3.4.1 点亮 LED灯 . 21 河南科技大学本 科毕业设计（论文） V 3.4.2 开闭蜂鸣器 . 22 3.4.3 KEYBOARD 按键驱动 . 24 第 4 章 软件设计 . 26 4.1 软件设计总流程

12、图 . 26 4.2 A/D 转换模块 . 27 4.2.1 A/D 转换流程图 . 27 4.2.2 A/D 接口设计 . 28 4.3 显示模块 . 29 4 .3.1 显示模块流程图 . 29 4.3.2 显示模块接口设计 . 30 4.4 键盘输入模块 . 34 4.4.1 键盘输入流程图 . 34 4.4.2 键盘输入接口 . 34 4.5 报警模块 . 35 4.6 LED 灯闪亮模块 . 35 4.7 字符取模模块 . 36 第 5 章 电压表的调试及性能分析 . 39 5.1 软件调试 . 39 5.2 显示测试结果图 . 39 5.2.1 正常状态下 . 39 5.2.2 超

13、压状态下 . 40 5.3 误差分析及解决方案 . 41 5.3.1 误差分析 . 41 5.3.2 解决方案 . 41 结 论 . 42 参考文献 . 43 致 谢 . 43 河南科技大学本 科毕业设计（论文） 1 前 言 数字电压表在生活中应用越来越广泛，是 一种现代化的电压测量仪表，简称 DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。 众所周知，根据测量结果的显示方式及测量原理不同，电压测量仪器可分为两大类：模拟式电压表 (AVM）和数字式电压表（ DVM）。模拟电压表虽然精度较高，但广为使用的是数字电压表。一方面是由于电子计算

14、机的应用逐渐推广到系统的自动控制实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术 的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展。 在高速发展的当今社会，高速信号处理的需求越来越多，由于模拟电压表响应速度较慢已经不适用与高速信号领域，取而代之的将是数字电压表。但数字电压表由于存在采样误差，精度不是很高。不过目前可以通过技术手段来缩小误差。使其精度达到与模拟电压表一样精确甚至更高。可见

15、将来数字电压表必将取代模拟电压表。现在有越来越多的数字测量仪器的出现但原理皆与数字电压表殊途同归 ，因此研究数字电压表有着很大现实意义。 模拟电压表在显示测量值方面精度校准，但 模拟电压表采用用指针式，里面是磁电或电磁式结构， 多用磁电式电流表作为指示器，并在表盘上刻以电压刻度， 所以其响应速度较慢， 功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。电子电压表主要用于测量各种高、低频信号电压，它是电子测量中使用最广泛的仪器之一。其中，电压量的测量最为经常。采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，工业

16、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。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，由于数字式电压表首先河南科技大学本 科毕业设计（论文） 2 将模拟量经模数（ A/D）转换器变成数字量，然后用电子计数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的，是一种必不可少的电子测量仪表。 本课题实现电压数字化测量的方法是模 -数（ A/D）转换的方法。主要研究 基于 ARM9-S3C2440 平台实现 AD 转换，并设计显示屏背景 ,在 TF

17、T LCD屏上显示电压值及 AD 转换的数字值，同时超出一定电压值时具有报警功能，如： LED 灯点亮，蜂鸣器循环报警，屏幕上方出现红色警报图标（正常情况下是绿色）等，以便及时提醒用户。并且能实现多路测量，用户可通过按键选择某路测量等多功能的数字电压表。 河南科技大学本 科毕业设计（论文） 3 第 1章 引言 1.1 数字电压表设计的两种方案简介 设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方 式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所

18、以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。 1.1.1 由数字电路和芯片构成 这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器。 A/D 转换器和基准电压源；数字部分包括计数器，译码器，逻辑控制器，振荡器和显示器。其中， A/D 转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定 的时序将 A/D 转换器中个组模拟开关接通或 4 附录断开，保证 A/D 转换正常进行。 A/D 转换结果通过计数译码电路变换成段码，最后驱动显

19、示器显示出相应的数值。此方案设计其优点是，设计成本低，能够满足一般的电压测量。但设计不灵活，都是采用纯硬件电路，很难将其在原有的基础上进行扩展。 1.1.2 单片机系统及内置的 A/D 转换芯片构建 许多的应用电路这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片，显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出来。 此方案的原理是 arm9 单片机内置的模数 (A/D)转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数 (A/D)转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对河南科技大学本 科毕业设计（

20、论文） 4 单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。 最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。 此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种设计方案设计不灵活，难与在原基础上进行功能扩展等不足。 1. 单片机的简介 单片微型计算机简称单片机 ，是典型的嵌入式 微控制器 ,常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称 单片微控制器 ，它不是完成某一个逻辑功能的 芯 片 ，而是把一个 计算机系统集成 到一个芯片上。 相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。

21、概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。 由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有 CPU 的专用 处理器 发展而来。 最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使 计算机系统 更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格 的控制设备当中。 2. 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

22、程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC 卡 ，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、医疗器械以及各种智能机械了。 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。 河南科技大学本 科毕业设计（论文） 5 1.2 数字电压表的特点 数字电压表 (DVM )是将被测的电压模拟量自动转换成开关量，然后进行数字编码、译码，以数字形式显示出来的一种结构简单、工作可靠、灵活性好的电测仪表，它具有如下主要特点 : 1. 工作 可靠，准确度高 :可达到 10-4 数量级，高测量精度，数字显示，读数 准确，可消除人为的读数误差。 2. 灵敏度高 :一般可做到 10 微伏至 1 微伏 。 3. 灵活性好：采用多路技术，可通过键盘进行通道用户切换，使用方便用途广。 4. 测量速度快 :采样速度一般每秒种为几十次到上万次，甚至可达百万次。 5. 人性化设计：设计了人性化的背景，体现以人为本。