基于AD5与5单片机的数字电压表

1、大连海事大学信息科学技术学院2012年专业技能大赛基于51单片机的数字万用表论文队名：风中旗舰队长：石镇嘉 11级电信2班队员：吴俊峰 11级通信1班队员：耿 钰 11级通信3班2012年6月2日目录一、摘要及关键词1二、总设计流程图2三、方案比较3四、各单元设计原理4.1 供电电压的选取34.2 AD7705采集与转换（测量直流电压）44.3 单片机内部数据处理54.4 1602液晶显示器5五、扩展部分5.1AD7705采集与转换（测量电流） 75.2AD7705采集与转换（测量电阻） 85.3 短路检测 9六、系统调试流程10七、总结7.1元件清单及其特性 107.2设计总结 117.3比

2、赛心得 11八、PCB板及原理图12附录：详细程序 12参考文献 20一、摘要及关键词摘要：在比赛中我们通过A/D芯片（AD7705）对外部电压值进行采集，经转换后传输给单片机（89C52），使用液晶（1602）输出测量得到的电压值。该实验板可以测量不同增益下对应范围的电压值，并使部分量程下精确度理论上达到8增益。对于-2020V，增益值为1。在拓展中，我们根据闭合电路欧姆定律，改进程序及实验板，使之能够测量电流、电阻，同时能对短路状态做出检测。关键词：A/D7705双极性多量程电压测量多量程电流电阻测量短路检测二、总设计流程图外部待测模拟量外部供电电压AD780提供基准电压AD7705对外部

3、模拟量的采集、处理89C52对传输的数据进行处理1602液晶对被测量数据的实时显示三、方案比较本次比赛基础要求设计量程为0-5V，精确度至少为0.02V的电压表。根据精确度计算公式：精确度=量程/2n（n为ADC的位数），结合扩展的25V，做出以下方案比较：方案一：使用STC12C51进行模数转换，但由于其内置ADC精度不够（8位），勉强能够满足基础要求，但无法达到扩展要求。故舍弃此方案。方案二：ADC选用AD7705，单片机采用89C52，使用AD780提供基准电压。16位AD处理25V时精度为0.0004。同时使用继电器完成自动量程转换，但由于电路的复杂程度和比赛时间，最终我们没有做此扩展

4、。方案三：ADC选用AD7705，单片机采用89C52，使用AD780提供基准电压。充分利用89c52的丰富I/O口及AD7705的高精度、双极性特性将作品设计成拥有五档电压测量、五档电流测量、七档电流测量及短路检测的多用表。最终我们组决定使用方案三完成比赛。四、各单元设计原理1、供电电压选取由于实验要求使用A/D测量05V电压，使用DC Power Supply提供外部供电电压，或以USB接口给系统上电，经过AD780芯片，对A/D输入适合工作的基准电压，为AD7705、单片机提供稳定的2.5V工作电压。2、AD7705对模拟量的采集及转换（测量电压）（1）AD7705为16位双极性模数转换

5、器，它包括一个-（或电荷平衡）ADC、片内带静态RAM 的校准微控制器、时钟振荡器、数字滤波器和一个双向串行通信端口。该器件的电源电流仅为320A，使得它理想地用于电池供电的仪器中。器件具有两种可选电源电压范围分别是2.73.3V 或4.755.25V。它具有高精度校准、测量的能力，适应电压表的精度要求。（2）设计实验板共有5个量程，分别为：-200mV200mV 对应增益值为 8-22V 对应增益值为 1-2020V 对应增益值为 1-200200V 对应增益值为 1-500500V 对应增益值为 1（3）实验通过开关使不同阻值分压电阻接入电路来改变电压表量程。开关抬起有效。如图连接A/D与

6、单片机，对A/D进行初始化，设置为双极性、无缓冲、增益为1、滤波器不工作、自校准、更新速率为20Hz的状态。通过编译的读、写程序，完成A/D对外部模拟量的采集和处理，并将数据传送给单片机。3、单片机数据处理（直流电压）（1）本作品设计有五个电压档位。在程序中我们通过设置switch 语句实现对不同档位的选取和控制，AD转换后的数据被传输至单片机中对应档位的数据处理函数，单片机根据相应档位的参数设置将数据处理还原为真实电压值，并转换为可被液晶读取的2进制形式。（2）测量直流电压的公式为：电压真值=数据V/增益值*对应的档位参数4、1602液晶显示器（1）对1602进行初始化，设置相关功能。160

7、2液晶初始化程序：显示器模块原理图：（2）关于显示正负号及小数点，本次显示000.00000精度（3）关于数据处理之后的输出，将经过单片机处理得到的数据V发送至1602液晶，通过display函数（部分程序如下），实现液晶对数据的显示。同时设计保护数据，当测得数据大于档位上限时，系统输出档位上限值。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、扩展部分1、电流测量利用闭合电路欧姆定律，在测电压的基础上可以实现对电流的测量。实验中共有五个档位，分别为：-22mA对应增益值为8-2020mA对应增益值为8-200200mA对应增益值为8-22A对应增益值为8-1515A对应增益值为1对于电流数据的处理，将AD采集到的数据v输入单片机后，根据计算公式

9、对v进行处理，以第一档程序举例：其中对数据处理的公式为：电流真值=数据/增益值*对应的档位参数2、电阻测量（1）本次比赛的电阻测量在说明中并没有，我们组为了充分利用AD7705资源、锻炼组员的能力，额外做了电阻测量和短路检测的拓展。（2）电阻测量的原理为：根据闭合电路欧姆定律R=U/I，由于前两步已完成对电压与电流的测量，所以此处只需要在数据处理时，使用某档位电压/对应档位流过待测电阻的电流值即可。（3）电阻测量的档位及对应增益值020对应增益值为20200对应增益值为202k对应增益值为2020k对应增益值为20200k对应增益值为202M对应增益值为20100M对应增益值为1（4）电阻测量

10、的数据处理（20档为例）电阻测量的数据处理公式为：U/Rx=2.5/(Rx+Ro) Ro:相应电阻档的已知串联电阻3、短路检测在P2.5连接蜂鸣器系统，当表笔两端电阻小于15时，P2.5赋低电平，蜂鸣器工作。 六、系统调试流程1、给开发系统上电，调节液晶对比度，检测电路各处有无短路、断路、或元件工作状态不正常的情况。2、依次按下所有开关，检查各档位跳转情况。3、进入电压档，依次从大量程检测至小量程，计算理论与实际的偏差，通过对程序的控制和对硬件的修改。使误差保持在0.1%以下。4、按照步骤3的方法测量电流、电阻，记录数据，检测精确度。5、进入20档，接通短路检测端口，将正负表笔短接，检测蜂鸣器

11、发声是否正常。6、多次测量各物理量，检测实验板稳定性。最后将实验板断电，做好实验记录。七、总结1、元件清单及其特性表7-1：元件清单元件名称规格型号单位数量ADCAD7705片1瓷片电容33pF只1瓷片电容0.1uF只1电解电容1uF只1电解电容10uF只1电阻5M只2电阻1M只2单片机STC89C52片1基准电压芯片AD780片1无源晶振2.4576M只1液晶1602块1自锁开关个20表7-2：STC89C52主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程U

12、ART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位2、设计总结本次比赛，我们组使用AD7705模数转换器，完成了对直流电压、电阻，电流，短路检测等量的测量，分别有5个、7个、5个档位。1602液晶上行显示档位，下行显示实时数据。实验功能基本实现，精确度达到要求范围。3、比赛心得本次比赛是我们进入大学以来参加的第一次电子设计大赛，从一开始对此的一无所知，对各种知识的渴求，一点点学习我们需要的知识，在网上搜寻资料寻找最合适的AD芯片，对AD的学习，编写程序，焊制电路板，调试系统，改进和更新每一步都是不容易的。在这个过程中，我们不仅收获了知识，还有与学长的交流，与队员之间的默契，调试

13、成功的喜悦。回想这次比赛，需要改进的有几点：（1）在调试过程中对元器件的损耗，由于错误的使用外部电压导致元件烧坏的事情应注意避免；（2）在写程序的过程中，对已有材料的借鉴，开始并没有很好的和我们自己的实验结合上，耽误了一些时间；（3）硬件处理方面，由于电路的复杂，开始用手焊的孔板测试，在电路连接上出现较多失误，导致调试失败。以后要认真连好每一条线、每一元件。八、PCB板及原理图附录：部分程序/*文件名称：ad7705.c功能：数字万用表说明：电压五档、电流五档、电阻七档 设计者：石镇嘉、吴俊峰、耿钰*/#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;/*电压档*/sbit a=P14; /*电流档*/sbit f=P20;/*电阻档*/sbit k=P10;/*短路口*/sbit DUANLU=P25;/*函数声明*/Void delayms(uintxms);uin

15、t choose();void readad_16deal_choose();voidInitADC(void); 50void display();void display0()；char code table0="welcome! " /欢迎界面char code table11="DC-200mV200mV" /档符显示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()/各档处理函数选择 switch(choose()case 11: readad_16deal11();break;/电压case 21: readad_16deal21();break;/电流case 31: readad_16deal31();break;/电阻 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写状态WriteToReg_ADC(0x20); /通道1，下一个写时钟寄存器WriteToReg_ADC(0x00); /写时钟寄存器设置更新速率为20Hz 0x03:200HzWriteToReg_ADC(0x10); /通道1，下一个写设置寄存器/WriteToReg_ADC(0x40); /写设置寄存器 ,设置成双极性、无缓冲、增益为1、滤波器不工作、自校准switch(choose()case 0:display0();break;case 11: WriteToReg_ADC(0x58);break;/增益8以下全

19、为双极性case 37: WriteToReg_ADC(0x40);break; /增益1 delayms(50);voidInitLCD(void)lcden=0;write_com(0x38); /设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口write_com(0x0c); /开显示，不显示光标write_com(0x06); /写一个字符后地址指针加1write_com(0x01); /显示清零，数据指针清零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;/*写ad转换寄存器*/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; / 输入数据位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; /结束return(TRUE);/*读16位AD数值*/uint ReadADC_16BitValue()uint z;unsigned long AD16bit;/uint AD16bit;WriteToReg_ADC(0x38); while (ADC_DRDY) ; /等待数据准备 /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;/*电压-200200mV为例*/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); /*电流 -22mA为例*/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); /*电阻 20为例*/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() /档符显示前移到各档处理函数中 /本函数可共用chardisp9="12345678"disp0= (v/10000000)+0x30; /0对应的十进制ASCII码48换为十六进制即为0x30v%=10000000