1、 摘要 题 目：基于单片机的数字万用表设计院 系: 机电工程系 专 业: 机电一体化 学 号: 姓 名: 指导教师: 完成日期: Abstract 摘 要本次设计用单片机芯片 AT89s52 设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值、直流电流、直流电阻以及电容，四位数码显示。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51 单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD 转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路使用了AD0809 数据转换芯片，单片机系统设计采用 AT89S52 单片机作为主控芯片，配以RC 上电复位电路和 11.0592MHZ 震荡电路，显
2、示芯片用 TEC6122，驱动 8 位数码管显示。程序每执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。关键词 数字万用表 AT89S52 单片机 AD 转换与控制) 目录目 录摘 要 .iAbstract.ii绪 论 .51. 数字万用表设计背景 .71.1 数字万用表的设计目的和意义 .71.2 数字万用表的设计依据 .71.3 数字万用表设计重点解决的问题 .72 数字万用表总体设计方案 .72.1 数字万用表的基本原理 .72.2 数字万用表的硬件系统设计总体框架图 .132.3 硬件电路设计方案及选用芯片介绍 .142.3.1 设计方案 .142.3.2 芯片选择及功能简介 .142.
3、4 数字万用表的硬件设计 .252.4.1 分模块详述系统各部分的实现方法 .252.4.2 数字万用表控制硬件整体结构图 .302.4.3 电路的工作过程描述 .303. 系统软件与流程图 .323.1 电路功能模块 .323.2 系统总流程图 .323.3 物理量采集处理流程 .343.4 电压测量过程流程图 .343.5 电流的测量过程流程图 .363.6 电阻的测量过程流程图 .373.7 电容测量过程流程图 .39结 论 .40致 谢 .41参考文献 .42绪 论数字万用表亦称数字多用表,简称 DMM(Digtial Multimeter)。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换
4、成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式万用表功能单精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片的数字万用表，精度高、抗干扰能力强，可扩展尾强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字电万用表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。数字万用表具有以下几点特点：1） 显示清晰直观，计数准确为了提高观察的清晰度，新型的手持式数字用用表（HDMM）已普遍采用字高为26mm 的大屏幕 LCD（液晶显示器） 。有些数字万用表还增加了背光源，以便于夜间观察读数。2） 显示位数数字万用表的显示位数通常为 3 位半到 8 位半。3） 准确
5、度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度，也反映了测量误差的大小，准确度愈高，测量误差愈小。数字万用表的准确度远优于指针万用表。4） 分辨力高数字万用表在最低电压量程上末位 1 个字所代表的电压值，称作仪表的分辨力，宏观世界反映了仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。5） 测试功能强数字万用表不公可以测量直流电压（DCV） 、交流电压（ACV） 、直流电流（DCA） 、交流电流（ACA） 、电阻（） 、二极管正向压降（Uf） 、等等。新型数字万用表大多增加了下述测试功能：读数保持（HOLD） 、逻辑（LOGIC）测试等等。6） 测量范围宽数字万用
6、表可满足常规电子测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。7） 测量速率快数字万用表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率，单位是“次/秒” 。它主要取决于 A/D 转换器的转换速率。一般数字万用表的测量速率为 25 次/秒。有的能达到 20 次/秒以上，另有的一些比这个还要高得多。数字万用表可满足不同用户对测量速率的需要。8） 输入阻抗高数字万用表电压挡具有很高的输入阻抗，通常为 1010000M，从被测电路上吸取的电流小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。9） 集成度高，微功耗新型数字万用表普遍采用 CMOS 大规模集成电路的 A/D 转换器，整机功耗很低，
7、3位半，4 位半手持式数字万用表的整机功耗仅几十毫瓦，可用 9V 叠层电池供电。10） 保护功能完善，抗干扰能力强数字万用表具有比较完善的保护电路，过载能力强，新型数字万用表还增加了高压保护器件，能防止浪涌电压。本设计就是基于这个基础设计一个基于单片机的数字万用表。该设备具有直观简单的优点。并且能深入的说明万用表的测量原理。能直观的了解万用表各个部分的结构和测试原则。总体设计方案1. 数字万用表设计背景在本章中主要介绍了系统的设计原则和总体方案及系统概述等。1.1数字万用表的设计目的和意义数字万用表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量，已被广泛应用于电子及电工测量、工业
8、自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。随着时代科技的进步，数字万用表的功能越来越强大，把电量及非电量的测量技术提高到崭新水平。1.2 数字万用表的设计依据根据数字万用表的原理，结合以下的设计要求：“设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值，直流电流、直流电阻，四位数码显示。实现多级量程的直流电压测量，其量程范围是 200mv、2v ,20v,200v 和 500v.实现多级量程的交流电压测量，其量程范围是 200mv、2v ,20v,200v 和 500v.实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是 2mA ，20mA，200mA、2A 和 20A.实现多级量程的电阻测量
9、，其量程范围是 200、2k ,20k,200k 和 2M。 ”以及电容测量电路。由此设想出以下的解决方法，即数字万用表的系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51 单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD 转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障。1.3数字万用表设计重点解决的问题本设计重点要解决的问题是对不同量程的各种测量内容的转换，还有就是各部分电路组合成一个完整的数字万用表，而难点解决的问题就是程序的设计，要保正其可行性从而保证设计的正确性。2 数字万用表总体设计方案2.1数字万用表的基本原理数字万用表的最基本功能是能够测量交直流电压，交直流电流，还
10、有能够测量电阻，数字万用表的基本组成见图 2.1。图 2.1 数字万用表的基本组成下面我们分别介绍各个部分的组成：1） 、模数(A/D) 转换与数字显示电路常见的物理量都是幅值(大小)连续变化的所谓模拟量(模拟信号)。指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号，再进行显示和处理(如存储、传输、打印、运算等)。数字信号与模拟信号不同，其幅值(大小)是不连续的。这种情况被称为是“量化的” 。若最小量化单位(量化台阶)为 ，则数字信号的大小一定是 的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换(
11、译码)后由数码管或液晶屏显示出来。例如，设 =0.1mV，我们把被测电压 U与 比较，看 是 的多少倍，并把结果四舍五入取为整数 N (二进制)。一般情况下， N 1000 即可满足测量精度要求(量化误差1/1000=0.1%)。最常见的数字表头的最大示数为 1999，被称为三位半(132)数字表。对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以 mV 为单位的被测电压 U的大小。如： 是 (0.1mV)的 1234 倍，即 N=1234，显示结果为 123.4(mV)。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示-199.9199.9 的电压，显示精度为 0.1 。由上
12、可见，数字测量仪表的核心是模数(A/D)转换、译码显示电路。 A/D 转换一般又可分为量化、编码两个步骤。2) 、多量程数字电压表原理在基准数字电压表头前面加一级分压电路(分压器)，可以扩展直流电压测量的量程。如图 2.2 所示， 0U为电压表头的量程(如 200mV)， r为其内阻(如 10M)， 1r、2r为分压电阻， 10U为扩展后的量程。图 2.2 分压电路原理 图 2.3 多量程分压器原理由于 rr2，所以分压比为210rUi扩展后的量程为 0210ri多量程分压器原理电路见图 2.3，5 档量程的分压比分别为 1、0.1、0.01、0.001 和0.0001，对应的量程分别为 20
13、00V、200 、20 、2 V和 200m。采用图 3 的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程档明显降低了电压表的输入阻抗，这在实际使用中是所不希望的。所以，实际数字万用表的直流电压档电路为图 2.4 所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。例如：其中 200V档的分压比为 01.54321 MkRR图 2.4 使用分压电路其余各档的分压比可同样算出。实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定 MRR1054321总再计算 2000V档的电阻 K0.5总再逐档计算 4R、 5、 2、 1R。尽管上述最高量程档的理论量程是 2000V，但通常的数字
14、万用表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为 1000 。换量程时，多刀量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。3） 、多量程数字电流表原理测量电流的原理是：根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。如图 2.5，由于 rR?，取样电阻 上的电压降为iUIR即被测电流 iiUI图 2.5 电流测量原理 图 2.6 多量程分流器电路若数字表头的电压量程为 0U，欲使电流档量程为 0I，则该档的取样电阻(也称分流电阻)为 0RI如 0U=200mV，则 =200 A档的分流电阻为 1R。多量程分流器原理电路见图 2.6。图 2.6 中
15、的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，被测电路的电压可能使数字表头过载，所以，实际数字万用表的直流电流档电路为图 2.7所示。 图 2.7 中各档分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最大电流档的分流电阻 5R)(1.0250msIUR再计算下一档的 4)(9.012.540Im依次可计算出 5R、 和 1。图中的 BX 是 2A 保险丝管，电流过大时会快速熔断，超过流保护作用。两只反向连接且与分流电阻并联的二极管 D1、D2 为塑封硅整流二极管，它们起双向限幅过压保护作用。正常测量时，输入电压小于硅二极管的正向导通压降，二极管截止，对测量毫无影响。一旦输入电压大于 0.7V，
16、二极管立即导通，两端电压被限制住(小于0.7V)，保护仪表不被损坏。4） 、 交流电压电流测量处理原理数字万用表中交流电压，电流测量电路是在直流电压、电流测量电路的基础上，在分压器或分流器之后加入了一级交流-直流(AC-DC)变换器，图 2.8 为其原理简图。 该 AC-DC 变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC 滤波器等组成，还包含一个能调整输出电压高低的电位器，用来对交流电压档进行校准之用。调整该电位器可使数字表头的显示值等于被测交流电压的有效值。同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高档的量限通常限定为 700V(有效值) 。5） 、 电阻测量原理图 2.7 实用分流器电路图 2.8 AC-DC 变换器原理简图
