基于ARM7的电压监测报警系统
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《嵌入式系统设计导论》
课程设计
题目： 基于ARM7的电压监测报警系统
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二〇一三年四月
基于ARM7的电压监测报警系统
摘 要
本系统采用LPC2138系列的ARM硬件、WS-1型电位器、液晶屏LM016L 、按键、蜂鸣器、虚拟终端和上位机等组成，系统可实现在液晶屏实时显示电压的功能，并将电压数据串口通信传递给上位机，通过按键可调节阈值电压，系统除基本数字电压表功能外，还具有电压超限时声光报警等功能。
在设计中我们应用具有丰富的硬件资源的ARM7开发板。本设计采用电位器实现对电压信号的采集，利用LPC2138内部的ADC模块将转换后的电压传送给LCD液晶显示，虚拟终端再将数据传递给上位机，同时按键可调节阈值电压，当当前电压超过阈值电压时，报警通过蜂鸣器鸣叫和LED灯亮来提示。
本文详细介绍了AD采样、与PC机的串口通信、液晶屏显示等部分，具有较强的实用性和推广性。
关键词：LPC2138；上位机；LM016L液晶屏；电压超限报警；
一、设计目的
1. 通过本课程设计，熟悉嵌入式系统开发方法和流程。
2. 能结合课堂所学自主设计实现一个简单的监测报警系统。
3. 进一步学会应用定时器、A/D、显示等模块功能
二、设计要求
1. 能利用学过的A/D转换、定时器、按键等模块，实现温度（可用DS18B20
传感器）或电压（可用滑动电阻）的检测、显示、阈值设置，以及超过阈值能声光报警。
2. 将温度/电压数据通过串行通信（UART）发送到PC上位机显示，由上位机可显示实时监测数据、历史曲线，并可发送控制命令给ARM实现报警或关闭加热源/电源。注：上位机软件程序可用VB、VC++做界面，也可简单地通过“串口调试软件”显示。
三、系统总体方案
3.1总体方案设计
利用ARM7控制芯片、LCD液晶屏、LED、电位器、虚拟终端等分别实现；
（1）通过电位器的移动来调节应采集的电压信号的大小；
（2）通过液晶显示当前电压值和阈值及其大小关系；
（3）通过蜂鸣器和LED灯实现超限报警；
（4）虚拟终端将实时电压显示出来，并通过串口物理端口将数据传递给上位
机。
图1 设计方案总体框图
系统初始化后，通过调节电位器来调节采集电压信号的大小，通过LCD上显示当前电压值和阈值 ，通过按键实现电压阈值设定，如果采集的电压值超过设定的阈值电压，蜂鸣器会鸣叫且LED等亮提示电压超限，起到报警的作用。
3.2 ARM7 LPC2138 EasyARM2131 开发板是广州周立功公司设计的 EasyARM 系列开发套件之一，采用 了 PHILIPS 公司基于 ARM7TDMI-S 核、单电源供电、LQFP64 封装的 LPC2131，具有 JTAG 仿真调试、ISP 编程等功能。开发板上提供了一些键盘、LED、蜂鸣器等常用功能部件，还具有RS232 接口电路、 I2C存储器电路。另外，用户也可以更换兼容的CPU进行仿真调试，如LPC2132、LPC2138、 LPC2142 等。灵活的跳线组合（开发板内使用的所有I/O均可断开连接），还有用户I/O接 口，极大地方便了用户进行 32 位ARM嵌入式系统的开发实验。
EasyARM2131 实验板功能特点：
* 完全自主设计的软硬件、拥有自主版权的 JTAG 仿真技术；
* 支持 ADS1.2 集成开发环境及其 PHILIPS 所有型号 ARM 微控制器的仿真与开发；
* 采用“主板＋CPU PACK 适配器＋SD 卡适配器（标准配置）＋多种可选配置适配器”
* 的 形 式构成 EasyARM2131 开发 套 件，标 准 配置的 CPU PACK 主
芯片为
LPC2131FBD；
* 板上的功能部件与 CPU 之间，可以使用跳线器选择连接；
* 全面支持 9 种型号的 64 PIN 小管脚 ARM7 微控制器：
－LPC213x（LPC2131/2132/2134/2136/2138）
－内置 USB 接口的 LPC214x(LPC2142/2144/2146/2148)
* 多种免费商业化软件包及其详细的开发文档：
* 移植μC/OS－II到ARM7 软件包
四、硬件设计
4.1 AD采样模块设计
图2 信号采集电路图
4.2 LCD液晶屏显示设计
LCD液晶屏显示电路如图4-2所示。该液晶可实现显示当前电压值和信号显示时间，具体控制和实现方法如下： 左图为电压信号调节电路，如图所示，电源电压Vcc=3.3V,故测量范围为（0~3.3V），电位器RV2=1K,信号采集端接到ARM7芯片P0.27口，通过调节电位器改变采集P0.2口的电压值，送至芯片内部AIN0（AD转换器）进行A/D转换。
A/D没有独立的参考电压引脚，A/D的参考电压与供电电压连接在一起即3.3V，假定从ADDR寄存器中读取到的10位A/D转换结果为VALUE，则对应的时间电压为：
VVALUEU3.31024
（1）ARM7的P1.16-P1.23口连接液晶屏的DBO-DB7，控制对液晶屏并行数据
读和写；
（2）ARM7的P1.24口连接液晶屏的RS口，控制并行的指令/数据选择信号；
（3）ARM7的P1.25口连接液晶屏的R/W口，控制并行的读写选择信号；
（4）ARM7的P1.26口连接液晶屏的EN口，控制并行的使能信号；
图3 LCD液晶屏电路图
4.2.1 LCD内部的11条指令
序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
4 显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B
5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *
7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址
8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址
9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址
10 写数到CGRAM或DDRAM） 1 0 要写的数据内容
11 从CGRAM或DDRAM读数 1 1 读出的数据内容
表1 LCD内部指令表
指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平左移，低电平右移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：字符发生器RAM地址设置。
指令8：DDRAM地址设置。
指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：写数据。
指令11：读数据。
液晶显示部分的程序可根据上表进行编写，本文中如果电压超过设定值w,则显示屏上显示当前电压且大于设定电压，否则，显示当前电压且小于设定电压，清晰的看出当前电压情况。
4.3按键调节电路
图4 按键调节电路图
4.4 蜂鸣器和LED报警电路 按键SWI和按键SWI1分别接到芯片的P0.26、P0.30口，当按键SWI按下时，P0.26口的变为低电压，当程序检测到IO0PIN的改变，阈值电压w=w+200；
同理，当按键SWI1按下时，阈值电压w=w-200；
同时液晶屏上会显示此时电压>阈值电压，或此时电压
图5 蜂鸣器电路图
4.5 串口通信（UART）电路
串口通信电路如下图，串口物理端口（COMPIM）的RXD接芯片的P0.1口，TXD接芯片的P0.0口,即UART0口，电压信息可实时显示在虚拟终端上，且可通过VSPD将虚拟终端与串口调试软件连接起来，将信息显示在串口调试软件上。
图6 串口通信电路
五、系统的软件设计
5.1系统主流程图
图5-1为系统主流程图，主流程图具体介绍如下:
（1）系统初始化包括对AD转换模块进行初始化、液晶屏初始化，串口通信
初始化、设定GPIO、 设定电压阈值W等；
（2）ADC模块电压转换，转换之后显示当前检测到的电压并赋值给U，同时
串口通信传递给串口调试软件；
(3) 检测按键1是否按下，如果按下，则阈值电压w增加200，同理，如
果按键2按下，则阈值电压减小200； LED灯和蜂鸣器电路分别接芯片的P1.28和P1.29口，当经过AD转换的电压u超出设定的阈值电压w时，程序拉高了ARM芯片的P1.28、P1.29口，使NPN管导通，蜂鸣器开始鸣叫，LED灯亮报警，同理如果电压值低于阀值电压，NPN管截止，则蜂鸣器不鸣叫。
