基于AD7705與51單片機(jī)的數(shù)字電壓表

1、大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2012年專業(yè)技能大賽基于51單片機(jī)的數(shù)字萬用表論文隊(duì)名：風(fēng)中旗艦隊(duì)長：石鎮(zhèn)嘉 11級電信2班隊(duì)員：吳俊峰 11級通信1班隊(duì)員：耿 鈺 11級通信3班2012年6月2日目錄一、摘要及關(guān)鍵詞1二、總設(shè)計(jì)流程圖2三、方案比較3四、各單元設(shè)計(jì)原理4.1 供電電壓的選取34.2 AD7705采集與轉(zhuǎn)換（測量直流電壓）44.3 單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理54.4 1602液晶顯示器5五、擴(kuò)展部分5.1AD7705采集與轉(zhuǎn)換（測量電流） 75.2AD7705采集與轉(zhuǎn)換（測量電阻） 85.3 短路檢測 9六、系統(tǒng)調(diào)試流程10七、總結(jié)7.1元件清單及其特性 107.2設(shè)計(jì)總結(jié) 117.3比

2、賽心得 11八、PCB板及原理圖12附錄：詳細(xì)程序 12參考文獻(xiàn) 20一、摘要及關(guān)鍵詞摘要：在比賽中我們通過A/D芯片（AD7705）對外部電壓值進(jìn)行采集，經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)（89C52），使用液晶（1602）輸出測量得到的電壓值。該實(shí)驗(yàn)板可以測量不同增益下對應(yīng)范圍的電壓值，并使部分量程下精確度理論上達(dá)到8增益。對于-2020V，增益值為1。在拓展中，我們根據(jù)閉合電路歐姆定律，改進(jìn)程序及實(shí)驗(yàn)板，使之能夠測量電流、電阻，同時(shí)能對短路狀態(tài)做出檢測。關(guān)鍵詞：A/D7705雙極性多量程電壓測量多量程電流電阻測量短路檢測二、總設(shè)計(jì)流程圖外部待測模擬量外部供電電壓AD780提供基準(zhǔn)電壓AD7705對外部

3、模擬量的采集、處理89C52對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理1602液晶對被測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示三、方案比較本次比賽基礎(chǔ)要求設(shè)計(jì)量程為0-5V，精確度至少為0.02V的電壓表。根據(jù)精確度計(jì)算公式：精確度=量程/2n（n為ADC的位數(shù)），結(jié)合擴(kuò)展的25V，做出以下方案比較：方案一：使用STC12C51進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，但由于其內(nèi)置ADC精度不夠（8位），勉強(qiáng)能夠滿足基礎(chǔ)要求，但無法達(dá)到擴(kuò)展要求。故舍棄此方案。方案二：ADC選用AD7705，單片機(jī)采用89C52，使用AD780提供基準(zhǔn)電壓。16位AD處理25V時(shí)精度為0.0004。同時(shí)使用繼電器完成自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換，但由于電路的復(fù)雜程度和比賽時(shí)間，最終我們沒有做此擴(kuò)展

4、。方案三：ADC選用AD7705，單片機(jī)采用89C52，使用AD780提供基準(zhǔn)電壓。充分利用89c52的豐富I/O口及AD7705的高精度、雙極性特性將作品設(shè)計(jì)成擁有五檔電壓測量、五檔電流測量、七檔電流測量及短路檢測的多用表。最終我們組決定使用方案三完成比賽。四、各單元設(shè)計(jì)原理1、供電電壓選取由于實(shí)驗(yàn)要求使用A/D測量05V電壓，使用DC Power Supply提供外部供電電壓，或以USB接口給系統(tǒng)上電，經(jīng)過AD780芯片，對A/D輸入適合工作的基準(zhǔn)電壓，為AD7705、單片機(jī)提供穩(wěn)定的2.5V工作電壓。2、AD7705對模擬量的采集及轉(zhuǎn)換（測量電壓）（1）AD7705為16位雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換

5、器，它包括一個(gè)-（或電荷平衡）ADC、片內(nèi)帶靜態(tài)RAM 的校準(zhǔn)微控制器、時(shí)鐘振蕩器、數(shù)字濾波器和一個(gè)雙向串行通信端口。該器件的電源電流僅為320A，使得它理想地用于電池供電的儀器中。器件具有兩種可選電源電壓范圍分別是2.73.3V 或4.755.25V。它具有高精度校準(zhǔn)、測量的能力，適應(yīng)電壓表的精度要求。（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板共有5個(gè)量程，分別為：-200mV200mV 對應(yīng)增益值為 8-22V 對應(yīng)增益值為 1-2020V 對應(yīng)增益值為 1-200200V 對應(yīng)增益值為 1-500500V 對應(yīng)增益值為 1（3）實(shí)驗(yàn)通過開關(guān)使不同阻值分壓電阻接入電路來改變電壓表量程。開關(guān)抬起有效。如圖連接A/D與

6、單片機(jī)，對A/D進(jìn)行初始化，設(shè)置為雙極性、無緩沖、增益為1、濾波器不工作、自校準(zhǔn)、更新速率為20Hz的狀態(tài)。通過編譯的讀、寫程序，完成A/D對外部模擬量的采集和處理，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。3、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理（直流電壓）（1）本作品設(shè)計(jì)有五個(gè)電壓檔位。在程序中我們通過設(shè)置switch 語句實(shí)現(xiàn)對不同檔位的選取和控制，AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被傳輸至單片機(jī)中對應(yīng)檔位的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)檔位的參數(shù)設(shè)置將數(shù)據(jù)處理還原為真實(shí)電壓值，并轉(zhuǎn)換為可被液晶讀取的2進(jìn)制形式。（2）測量直流電壓的公式為：電壓真值=數(shù)據(jù)V/增益值*對應(yīng)的檔位參數(shù)4、1602液晶顯示器（1）對1602進(jìn)行初始化，設(shè)置相關(guān)功能。160

7、2液晶初始化程序：顯示器模塊原理圖：（2）關(guān)于顯示正負(fù)號及小數(shù)點(diǎn)，本次顯示000.00000精度（3）關(guān)于數(shù)據(jù)處理之后的輸出，將經(jīng)過單片機(jī)處理得到的數(shù)據(jù)V發(fā)送至1602液晶，通過display函數(shù)（部分程序如下），實(shí)現(xiàn)液晶對數(shù)據(jù)的顯示。同時(shí)設(shè)計(jì)保護(hù)數(shù)據(jù)，當(dāng)測得數(shù)據(jù)大于檔位上限時(shí)，系統(tǒng)輸出檔位上限值。void display()（部分程序）chardisp9="12345678"disp0= (v/10000000)+0x30; v%=10000000; disp1= (v/1000000)+0x30; v%=1000000;disp2= (v/100000)+0x30; v

8、%=100000; disp3= (v/10000)+0x30; v%=10000; disp4= (v/1000)+0x30; v%=1000;disp5= (v/100)+0x30; v%=100; disp6= (v/10)+0x30;v%=10;disp7= (v/1)+0x30;五、擴(kuò)展部分1、電流測量利用閉合電路歐姆定律，在測電壓的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)對電流的測量。實(shí)驗(yàn)中共有五個(gè)檔位，分別為：-22mA對應(yīng)增益值為8-2020mA對應(yīng)增益值為8-200200mA對應(yīng)增益值為8-22A對應(yīng)增益值為8-1515A對應(yīng)增益值為1對于電流數(shù)據(jù)的處理，將AD采集到的數(shù)據(jù)v輸入單片機(jī)后，根據(jù)計(jì)算公式

9、對v進(jìn)行處理，以第一檔程序舉例：其中對數(shù)據(jù)處理的公式為：電流真值=數(shù)據(jù)/增益值*對應(yīng)的檔位參數(shù)2、電阻測量（1）本次比賽的電阻測量在說明中并沒有，我們組為了充分利用AD7705資源、鍛煉組員的能力，額外做了電阻測量和短路檢測的拓展。（2）電阻測量的原理為：根據(jù)閉合電路歐姆定律R=U/I，由于前兩步已完成對電壓與電流的測量，所以此處只需要在數(shù)據(jù)處理時(shí)，使用某檔位電壓/對應(yīng)檔位流過待測電阻的電流值即可。（3）電阻測量的檔位及對應(yīng)增益值020對應(yīng)增益值為20200對應(yīng)增益值為202k對應(yīng)增益值為2020k對應(yīng)增益值為20200k對應(yīng)增益值為202M對應(yīng)增益值為20100M對應(yīng)增益值為1（4）電阻測量

10、的數(shù)據(jù)處理（20檔為例）電阻測量的數(shù)據(jù)處理公式為：U/Rx=2.5/(Rx+Ro) Ro:相應(yīng)電阻檔的已知串聯(lián)電阻3、短路檢測在P2.5連接蜂鳴器系統(tǒng)，當(dāng)表筆兩端電阻小于15時(shí)，P2.5賦低電平，蜂鳴器工作。 六、系統(tǒng)調(diào)試流程1、給開發(fā)系統(tǒng)上電，調(diào)節(jié)液晶對比度，檢測電路各處有無短路、斷路、或元件工作狀態(tài)不正常的情況。2、依次按下所有開關(guān)，檢查各檔位跳轉(zhuǎn)情況。3、進(jìn)入電壓檔，依次從大量程檢測至小量程，計(jì)算理論與實(shí)際的偏差，通過對程序的控制和對硬件的修改。使誤差保持在0.1%以下。4、按照步驟3的方法測量電流、電阻，記錄數(shù)據(jù)，檢測精確度。5、進(jìn)入20檔，接通短路檢測端口，將正負(fù)表筆短接，檢測蜂鳴器

11、發(fā)聲是否正常。6、多次測量各物理量，檢測實(shí)驗(yàn)板穩(wěn)定性。最后將實(shí)驗(yàn)板斷電，做好實(shí)驗(yàn)記錄。七、總結(jié)1、元件清單及其特性表7-1：元件清單元件名稱規(guī)格型號單位數(shù)量ADCAD7705片1瓷片電容33pF只1瓷片電容0.1uF只1電解電容1uF只1電解電容10uF只1電阻5M只2電阻1M只2單片機(jī)STC89C52片1基準(zhǔn)電壓芯片AD780片1無源晶振2.4576M只1液晶1602塊1自鎖開關(guān)個(gè)20表7-2：STC89C52主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程U

12、ART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級加密位2、設(shè)計(jì)總結(jié)本次比賽，我們組使用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完成了對直流電壓、電阻，電流，短路檢測等量的測量，分別有5個(gè)、7個(gè)、5個(gè)檔位。1602液晶上行顯示檔位，下行顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)功能基本實(shí)現(xiàn)，精確度達(dá)到要求范圍。3、比賽心得本次比賽是我們進(jìn)入大學(xué)以來參加的第一次電子設(shè)計(jì)大賽，從一開始對此的一無所知，對各種知識的渴求，一點(diǎn)點(diǎn)學(xué)習(xí)我們需要的知識，在網(wǎng)上搜尋資料尋找最合適的AD芯片，對AD的學(xué)習(xí)，編寫程序，焊制電路板，調(diào)試系統(tǒng)，改進(jìn)和更新每一步都是不容易的。在這個(gè)過程中，我們不僅收獲了知識，還有與學(xué)長的交流，與隊(duì)員之間的默契，調(diào)試

13、成功的喜悅?；叵脒@次比賽，需要改進(jìn)的有幾點(diǎn)：（1）在調(diào)試過程中對元器件的損耗，由于錯(cuò)誤的使用外部電壓導(dǎo)致元件燒壞的事情應(yīng)注意避免；（2）在寫程序的過程中，對已有材料的借鑒，開始并沒有很好的和我們自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)合上，耽誤了一些時(shí)間；（3）硬件處理方面，由于電路的復(fù)雜，開始用手焊的孔板測試，在電路連接上出現(xiàn)較多失誤，導(dǎo)致調(diào)試失敗。以后要認(rèn)真連好每一條線、每一元件。八、PCB板及原理圖附錄：部分程序/*文件名稱：ad7705.c功能：數(shù)字萬用表說明：電壓五檔、電流五檔、電阻七檔 設(shè)計(jì)者：石鎮(zhèn)嘉、吳俊峰、耿鈺*/#include<reg52.h>#include<intrins.h&g

14、t;#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit ADC_CLK=P17 ;sbit ADC_DIN=P30 ;sbit ADC_DOUT=P30 ;sbit ADC_DRDY=P31;sbitlcden=P32;sbitlcdrs=P33;sbit U=P27; sbit I=P35;sbit R=P15;/*電壓檔*/sbit a=P14; /*電流檔*/sbit f=P20;/*電阻檔*/sbit k=P10;/*短路口*/sbit DUANLU=P25;/*函數(shù)聲明*/Void delayms(uintxms);uin

15、t choose();void readad_16deal_choose();voidInitADC(void); 50void display();void display0()；char code table0="welcome! " /歡迎界面char code table11="DC-200mV200mV" /檔符顯示char code table35=" 0200k" 100char code table36=" 02M"char code table37=" 0100M"/*/voi

16、d main() DUANLU=1;InitLCD();while(1) InitADC(); readad_16deal0(); readad_16deal_choose();display(); uint choose() U=0;a=0;b=0;c=0;d=0;e=0; I=1;f=0;g=0;h=0;i=0;j=0; R=0;k=0;l=0;m=0;n=0;o=0;p=0;q=0;if(U)if(a)ch=11;else if(b) ch=12;else if(c) ch=13;else if(d) ch=14;else if(e) ch=15;else if(I)return ch;

17、void readad_16deal_choose()/各檔處理函數(shù)選擇 switch(choose()case 11: readad_16deal11();break;/電壓case 21: readad_16deal21();break;/電流case 31: readad_16deal31();break;/電阻 voiddelayms(uintxms)uinti,j;for(i=xms;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);voidInitADC(void)uchar z;ADC_CLK=1;ADC_DIN=1;for(z=0;z<40;z+) ADC_C

18、LK=0;ADC_CLK=1; /防止接口迷失，通信寄存器返回到等待寫狀態(tài)WriteToReg_ADC(0x20); /通道1，下一個(gè)寫時(shí)鐘寄存器WriteToReg_ADC(0x00); /寫時(shí)鐘寄存器設(shè)置更新速率為20Hz 0x03:200HzWriteToReg_ADC(0x10); /通道1，下一個(gè)寫設(shè)置寄存器/WriteToReg_ADC(0x40); /寫設(shè)置寄存器 ,設(shè)置成雙極性、無緩沖、增益為1、濾波器不工作、自校準(zhǔn)switch(choose()case 0:display0();break;case 11: WriteToReg_ADC(0x58);break;/增益8以下全

19、為雙極性case 37: WriteToReg_ADC(0x40);break; /增益1 delayms(50);voidInitLCD(void)lcden=0;write_com(0x38); /設(shè)置16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口write_com(0x0c); /開顯示，不顯示光標(biāo)write_com(0x06); /寫一個(gè)字符后地址指針加1write_com(0x01); /顯示清零，數(shù)據(jù)指針清零voidwrite_com(uchar com)lcdrs=0; P0=com;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;voidwrite_data

20、(uchar date)lcdrs=1; P0=date;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;/*寫ad轉(zhuǎn)換寄存器*/uintWriteToReg_ADC(uintbyteword)uintToken,z;uint AD16bit_WriteToReg;ADC_CLK=1;Token=0x80; AD16bit_WriteToReg=byteword;for(z=0;z<8;z+)if(AD16bit_WriteToReg & Token)ADC_DIN=1; / 輸入數(shù)據(jù)位elseADC_DIN=0;delayms(1);ADC_CLK=

21、1;delayms(1);ADC_CLK=0;ADC_CLK=1; Token=Token>>1; ADC_CLK=1;ADC_DIN=1; /結(jié)束return(TRUE);/*讀16位AD數(shù)值*/uint ReadADC_16BitValue()uint z;unsigned long AD16bit;/uint AD16bit;WriteToReg_ADC(0x38); while (ADC_DRDY) ; /等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 /delayms(5); ADC_CLK=1; AD16bit=0x0000;for(z=0;z<16;z+)AD16bit=AD16bit<&

22、lt;1;ADC_CLK=0;delayms(1);if(ADC_DOUT=1)AD16bit=AD16bit|0x0001; ADC_CLK=1;ADC_CLK=1;ADC_DIN=1;return(AD16bit);void readad_16deal0() char count=0;readad_16bit=ReadADC_16BitValue();if(readad_16bit>0x8000)&(readad_16bit<0x8000)AC=1;if(readad_16bit>0x8000)DATA=readad_16bit-0x8000;if(readad_

23、16bit<0x8000)DATA=0x8000-readad_16bit;DATAF=DATA;/*電壓-200200mV為例*/void readad_16deal11() /200m 300 DATAF2=DATAF/32767*31250000; v0=DATAF2; v=v0;if(v>20000000)v=20000000;for(count=0;count<14;count+) write_com(0x80+count);write_data(table11count); /*電流 -22mA為例*/void readad_16deal21() /2mA DAT

24、AF2=DATAF/32767*2500000000/8/106; v0=DATAF2; v=v0;if(v>200000)v=200000;for(count=0;count<14;count+) write_com(0x80+count);write_data(table21count); /*電阻 20為例*/void readad_16deal31() / 20 DATAF2=(DATAF/32767*125000)*2040/(250-(DATAF/32767*125); v0=DATAF2; v=v0;if(v>2000000)v=2000000;/if(DATAF<30000)D=1;/ else D=0;for(count=0;count<13;count+) write_com(0x80+count);write_data(table31count); write_com(0x80+13);write_data(0xf4);void display() /檔符顯示前移到各檔處理函數(shù)中 /本函數(shù)可共用chardisp9="12345678"disp0= (v/10000000)+0x30; /0對應(yīng)的十進(jìn)制ASCII碼48換為十六進(jìn)制即為0x30v%=10000000