基于AD7705与51单片机的数字电压表

　　AD7705 采用SP I Q SP I兼容的三线串行接口，能够方便地与各种微控制器和DSP 连接， 也比并行接口方式大大节省了CPU的 I O口。那么AD7705与51单片机的数字电压表是怎么表示的我们一起来看看。

　　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-20~20V，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。

　　总设计流程图

　 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/2^n（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。
 

　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 0~5V 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 位双极性模数转换器，它包括一个Σ -Δ （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 320μ A，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 2.7～3.3V 或 4.75～ 5.25V。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： -200mV~200mV -2~2V -20~20V -200~200V -500~500V 对应增益值为 8 对应增益值为 1 对应增益值为 1 对应增益值为 1 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。

　　1602 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）

　　{

　　chardisp［9］=“12345678”;
        disp［0］= （v/10000000）+0x30; v%=10000000; disp
       ［1］= （v/1000000）+0x30; v%=1000000;disp
       ［2］= （v/100000）+0x30; v%=100000; disp
       ［3］= （v/10000）+0x30; v%=10000; disp
         [ 4］= （v/1000）+0x30; v%=1000;disp
        ［5］= （v/100）+0x30; v%=100; disp
        ［6］= （v/10）+0x30; v%=10;disp
        ［7］= （v/1）+0x30;

　　……

　扩展部分

　　1、电流测量

       m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： -2~2mA -20~20mA -200~200mA -2~2A -15~15A 对应增益值为 8 对应增益值为 8 对应增益值为 8 对应增益值为 8 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 0~20Ω 0~200Ω 0~2kΩ 0~20kΩ 0~200kΩ 0~2MΩ 0~100MΩ 对应增益值为 2 对应增益值为 2 对应增益值为 2 对应增益值为 2 对应增益值为 2 对应增益值为 2 对应增益值为 1

　　（4）电阻测量的数据处理（20Ω 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 15Ω 时，P2.5 赋低电平，蜂鸣器工作。