【深大电赛】简易电压表

本项目获2020年深圳大学电子设计大赛一等奖

题目：简易电压表（电路设计）

• 基本部分：

1. 制作51单片机最小系统（stm32之类的亦可，系统板是自己做的就行），最小系统包括时钟电路，复位电路，串口下载电路等，并且留有显示设备如OLED或者LCD1602等的插口，留有足够的按键以满足以下要求。

2. 将ADS1115芯片及其应用电路集成在上述系统中。

3. 单片机控制ADS1115采集电压，并显示出来，测量电压范围0-5V。

4. 设置两种模式，模式一无记忆功能，能够迅速检测并更新当前电压。模式二有记忆功能，按下按键后才更新当前电压，并能够把前一次电压的存储下来，至少存储5组数据并且可以回看。

• 发挥部分：

设计一个附加的DA转换电路，可以在一定范围内（0-5V）任意设定一个电压值，然后作为电压源，检测验证电压表的功能。

参赛队伍信息

• 高/低年级组：低年级

• 题目名称: 简易电压表

• 队名：肝到天亮

2020年深圳大学电子设计大赛作品报告

1．需求分析

功能要求：

• 制作单片机最小系统板，包含基础电路及显示电路
• 在上述系统中包含ADS1115芯片，并应用其测量电压0~5V
• 两种模式，一种迅速检测并显示电压，另一种存储并且可以回看
• 发挥部分：设计DAC电路，设定电压值0~5V，然后用上面部分检测

技术性能指标：

• 单片机：足够的I/O口
• ADS1115芯片：量程为0~5V
• DA电路C：输出0~5V电压

需要准备的知识：

• 熟悉51单片机的使用以及绘制各模块的电路，配置显示模块
• 熟悉ADS1115芯片的配置及使用
• 学会ADS1115芯片两种模式的转换和使用
• 绘制DAC电路，控制其输出电压值

物料清单：

2. 方案选择与论证

（1）主控芯片选择

• stm32f103：此芯片拥有强大的操控能力，并且自带12位DAC转换芯片。但是此项目较简单，无需太过强大的芯片。用stm32浪费其能力又浪费经费。
• stc89c52：此芯片能力足以胜任此赛题要求，价钱也便宜。所以最后方案使用了此款芯片。

（2）显示设备

• OLED：此设备的使用对RAM要求很大，stc89c52无法满足，故放弃。
• LCD1602：此模块足够满足需求，又对RAM要求低，故采取此设备。

（3）发挥部分

• stc89c52使用DAC5571芯片直接控制输出电压，精度足够，价钱便宜，故采用。
• stc89c52控制DAC0832控制输出电流再转换成电压，外围电路较为复杂，电流转电压过程中会有精度损失，故不采用。

3. 系统架构及功能描述

（1）ADC模块

• ADC模块里包含了ADC的中的基础参数、通信以及功能实现，对应着硬件中的ADS1115芯片。
• 参数设置包括了不同模式（包括多次检测模式、单次检测模式以及回看模式）中ADS1115各个寄存器的基本参数以及ADS1115的地址。
• 通信包括了ADS1115中I2C的基本操作，包括初始化，开始，写入，读取与结束函数。
• 功能实现包括ADS1115负责的三个模式（多次、单次电压检测和回看模式）的切换逻辑和功能实现以及读取电压的转换。

（2）DAC模块

• DAC模块包含了DAC中的通信以及功能实现。通信同样是I2C的基本操作。功能实现包括调节电压的模式切换逻辑和功能实现，以及输出电压的转换。

（3）LCD模块

• LCD模块包含了LCD中的功能实现，包括初始，屏幕显示电压值和模式以及屏幕清空。

（4）Datatype模块

• Datatype中集成了所有的串口定义，便于后续的修改

（5）Usual模块

• Usual中包含了所有的通用函数与变量，例如延时函数，按键扫描函数等。

（6）主程序

• 调用各个模块实现总体功能，包括四个模式的功能实现和转换以及LCD对应的现实。

具体功能实现：通电后进入模式0

• 模式0：用与控制dac输出电压
  • 按键1 进入模式1
  • 按键2 dac模块更新
  • 按键3 加电压
  • 按键4 减电压
• 模式1用于连续检测电压
  • 按键1 进入模式2
• 模式2用于单次检测电压
  • 按键1 进入模式0
  • 按键2 更新电压
  • 按键4进入回看模式
• 在回看模式中按键3与4用来翻页

4. 理论分析与计算

（1）时序计算

• I2C时序图

由于stc89c52的时钟频率不高，所以不采用高速模式，采用F/S模式。

故延时函数应该延时超过4.7us

（2）DAC计算

VOUT=VDD*D/256

D为stc89通过iic发送给dac5571数据

（3）ADC计算

ADS1115的转换寄存器是16位的，电压值能精准到电压除以2的15次方

• 计算公式：
  ADS1115传送给51单片机的值=ADS1115测的电压值/ VCC供电值*2的15次方

5．电路图和PCB

原理图

关于简易电压表的设计，我们组选择了STC89C52RC-40I芯片，这款芯片为44引脚，其封装为PCLL。

• 首先，需要设计好一块最小系统板，基础部分如下:

（1）时钟电路；采用11.0592MHz无源晶振提供时钟信号，在无源晶振两端都接负载电容接至地。

（2）复位电路：上电时电容充电，RST引脚高电平，实现复位。当按下RSTK1按键电流通过R15流入地，RST处高电平复位。

（3）串口下载电路：使用CH340G芯片实现USART串行通信。当按下六脚自锁按键POWER，给单片机上电，通过LED1红色LED灯的亮灭可判断是否正常上电。在进行程序的烧录或进行通信时，可通过LED2和LED3的亮灭判断通信的正常与否。

（4）独立按键：每次上电，电容充电，KEY1、KEY2、KEY3、KEY4呈低电平之后保持为高电平，当按下独立按键由呈低电平。

（5）将P0的所有引脚拉高，做IO输出口使用；另外EA接高电平，访问内部程序存储器；加入两脚排针，分别接VCC和GND，作为备份电源输入接口；将部分引脚引出，方便控制其他模块等。

• 将最小系统板设计完后，开始设计实现简易电压表的模块：

（6）ADC：为测量电压，使用ADS1115芯片来采集电压，将AIN0-3四个输入口接到4脚排针。另外用于I2C通信的两引脚SCL和SDA接上拉电阻拉高，ADDR脚接地定义其地址，ATERT/RDY接至P15留有。

（7）LCD1602：能转换电压后，还需要显示，使用LCD1602来完成，接口电路的3号引脚接一502可变电阻，用来调节背光屏亮度，并且将其他引脚引出，D0-7接到P00-P07实现并行通信，EN、RS、WR引脚接至P34到P36，默认高电平（51单片机的P1至P3默认输出高电平）

（8）DAC：此外，为了方便提供电压给ADC部分做测试，设计了DAC模块扩展部分。芯片采用DAC5571，该芯片以I2C模式通信，A0接地定义地址，SCL和SDA引脚接至与ADC的I2C通信的两线相同的单片机IO口。VDD引脚接VCC电源，通过100nF电容滤波。引出VOUT，连至2脚排针输出，同时接一滤波电容。

PCB图

• PCB的设计分以下几步

（1） PCB规则设计：电源线（VCC、GND、5V）线宽为20mil

（2） 边框设计：电路板宽97mm，高57mm

（3） 布局：如上图所示

（4） 布线：采用自动布线

（5） 添加丝印：将排针的编号丝印画出

6．调试与测试结果

调试中遇到困难和解决办法：

• 困难1：usb插口无法识别
  原因：串口下载电路晶振一开始选错了，选成了11.0592MHZ，然而ch340芯片要求最低晶振不能超过11.98MHZ。
  解决方法：将晶振换成了12MHZ。
• 困难2：检测电压时dac模块失效
  原因：DAC模块选用的是DAC5571，其广播地址与本电路板上ADS1115地址冲突，
  解决方法：将DAC模块换到另一块板上，并把另一块板上的iic引脚通过杜邦线引到主板p25，p24引脚，从而避免两个模块iic地址冲突
• DAC模块选用的是DAC5571，其广播地址与本电路板上ADS1115地址冲突，
  解决方法：将DAC模块换到另一块板上，并把另一块板上的iic引脚通过杜邦线引到主板p25，p24引脚，从而避免两个模块iic地址冲突
  (原理图改进了，此问题被解决，但是代码未更新)
• 最终调试结果存在0.05V左右的误差，产生误差的主要原因有：
  （1）笔记本提供电压不稳定（经测量，笔记本提供电压为5.07V左右）
  （2）采购的dac芯片较便宜，本身精度不够
  （3）Ads1115芯片本身存在一定误差
  （4）写程序代码时，测量值用浮点数float定义的变量储存，改变量在计算时易产生误差

7. 结束语

第一次参加电赛，收获了很多，感触比较深的是用什么芯片都要好好看芯片手册，测试时出现什么问题也都要保持冷静。参加电赛，对许多方面的能力都有所提升，设计一件完整的DIY，需要考虑到各个方面，从基础电路的设计开始，到PCB打板，焊接电路板，测试电路板，敲代码，测试程序，最后报告文档的编写。这个过程虽然并没有设计产品流程那样细，但对于个人今后自己制作一些小玩意很有帮助。总之，参加电赛不管获奖与否，技能的提升就是最大的收益。队员间互相信任和协作也很重要。设计电路要一起讨论分配引脚；写代码要互相配合，统一变量函数；最后总结也要各自分工，共同完成。一个综合能力强的团队，分工合理的团队，互相沟通良好的团队也是我们能顺利将完成作品的关键所在。

8.参考文献

[1]DAC5571用户手册,https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20131206/1457706662524.pdf

[2]ADS1115用户手册 ， https://wenku.baidu.com/view/9a840b3683c4bb4cf7ecd135.html