基于单片机的数字万用表设计课程设计.doc

课程设计课程设计题目题目 基于单片机的数字万用表设计基于单片机的数字万用表设计 姓 名 周军 学 号 201303120070系 （院）电子电气工程学院 班 级 P13 电气二班指 导 教师 祝木田 职 称 二 O 一五年四月十八日淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计目录目录摘 要 .1Abstract .2引言 .3一、 数字万用表设计背景 .4（一）数字万用表的设计目的和意义.4（二）数字万用表的设计依据.4（三）数字万用表设计重点解决的问题.4二、数字万用表总体设计方案 .5（一）数字万用表的基本原理.5（二）数字万用表的硬件系统设计总体框架图.6（三）硬件电路设计方案及选用芯片介绍.6（四）数字万用表的硬件设计.9三、 系统软件与流程图 .16（一） 电路功能模块.16（二）显示模块的设计.17（三）整体电路设计.18结束语 .19致 谢 .20参考文献： .21 淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计1摘摘 要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。关键词关键词 数字万用表 ；AT89S52 单片机 ；AD 转换与控制淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计2AbstractThis design is design a digital universal meter with chip AT89s52 of one-chip computer, can measure and hand in , direct current pressing value , direct current flow , the direct current is hindered, four numbers show. This system is shunted resistance, resistance of partial pressure, basic resistance, minimum system of 51 one-chip computers, shown that some , warning part , AD change and control making up partly. In order to make the system more steady, make the whole precision of the system be ensured, this circuit has used AD0809 data to change the chip, the one-chip computer system is designed to adopt AT89S52 one-chip computer as the top management chip, the electricity is restored to the throne the circuit and 11.0592MHZ and shaken the circuit to match on RC, show that the chip uses TEC6122, urge 8 numbers to be in charge of showing. The every execution cycle consuming time of procedure contracts to get shortest, in this way the real-time character of the security system. KeywordKeyword: Digital universal meter ；AT89S52 one-chip computer ；AD changes and controls . 淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计3引言引言数字万用表亦称数字多用表,简称 DMM。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、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。淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计4一、一、 数字万用表设计数字万用表设计背景背景（一）数字万用表的设计目的和意义（一）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。（二）数字万用表的设计依据（二）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，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。（三）数字万用表设计重点解决的问题（三）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。淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计5二、数字万用表总体设计方案二、数字万用表总体设计方案（一）数字万用表的基本原理（一）数字万用表的基本原理数字万用表的核心是它的 A/D 转换器，也就是模数转换器，将被测量的模拟信号变为数字信号给 LCD 液晶屏显示。数字万用表表有三个转换电路： I/V 转换电路（电流转换电压电路） R/V 转换电路（电阻转换电压电路） C/V 转换电路（电容转换电压电路） ，也就是说，不过测量什么信号始终要把这个信号转换为直流电压信号来给 A/D 处理显示。测量电阻，将被测量的电阻值转换为直流电压信号给 A/D 处理显示。测量电流，将被测量的电流值转换为直流电压信号给 A/D 处理显示。测量电容，将被测量的电容量转换为直流电压信号给 A/D 处理显示。在一般数字表中，直流电压挡（DCV）最高量程是 1000V 交流电压挡（ACV）最高量程是 750V 或 700V 量程，但数字表是如何测量比较高的电压信号呢？如果数字表测量 1000V 直流电压，1000V 直流电压输入进万用表经过衰减器以后将1000V 直流电压衰减到 200mV 以下送入 A/D 处理显示，不管测量的信号有多大始终要把这个信号衰减到 200mV 以下送给 A/D 处理。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，还有能够测量电阻，数字万用表的基本组成见图 2-1。淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计6图 2-1 数字万用表的基本组成（二）数字万用表的硬件系统设计总体框架图（二）数字万用表的硬件系统设计总体框架图如下图 2-2 所示，本万用表由以下几部分功能组成，复位电路、震荡电路、ADC输入、被测量显示、超限报警、ADC 使能控制。复位电路用来清零，进行下一次的测量；震荡电路用来消除一些外来干扰，使电路工作更加稳定；ADC 输入则是将输入量进行 AD 转换；测量显示就是显示测量的数值；超限报警部分则是用作当测量量超出量程范围时发出警报，以便提醒用户更改大量程；ADC 使能控制则用来对输入量进行控制，允许输入或者不允许。复位电路复位电路震荡电路震荡电路ADC 输入输入被测量显示被测量显示超限报警超限报警ADC 使能控制使能控制89s52图 2-2 总体电路设计原理图（三）硬件电路设计方案及选用芯片介绍（三）硬件电路设计方案及选用芯片介绍2.3.1 设计方案用单片机 AT89S52 与 ADC0809 设计一个数字万用表，配合分流电阻、分压电阻、基准电阻可以测量交、直流电压值，直流电流、直流电阻，四位数码显示。实现四级量程的直流电压测量，其量程范围是 2v ,20v,200v 和 500v.实现四级量程的交流电压测量，其量程范围是 2v ,20v,200v 和 500v.实现四级量程的直流电流测量，其量程范围是 2mA ,20mA,200mA 和 2A.实现四级量程的电阻测量，其量程范围是 2k ,20k,200k 和 2M.，并且有超出量程的情况发生时，蜂鸣器发声报警。淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计72.3.2 芯片选择及功能简介一、AT89S52 芯片功能特性描述AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止AT89S52 引脚框图：图 2-3 AT89S52 芯片引脚图淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计8二、AT89S52 主要性能：a) 与 MCS-51 单片机产品兼容b) 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器c) 1000 次擦写周期d) 全静态操作：0Hz33Hz e) 三级加密程序存储器f) 32 个可编程 I/O 口线g) 三个 16 位定时器/计数器h) 八个中断源i) 全双工 UART 串行通道j) 低功耗空闲和掉电模式三、ADC0809 介绍ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。（1）ADC0809 的内部逻辑结构 图 2-4 ADC0809 的内部逻辑结构上图可知，ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计9量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。（2） 引脚结构 图 2-5 ADC0809 引脚结构图四、TEC6122 简述位扫描驱动电流80mA（VDD=+5（1）概述TEC6122 共阴极 8X8 段 LED 数码管（8X8 点阵）显示驱动电路是全定制专用集成电路。该电路由开机自清电路、振荡电路、位扫描驱动电路、8X8 bit 移位寄存器电路、8X8 bit 数据锁存器电路、段多路选择器驱动电路组成。它可与各种型号的微处理器串行口或并行口 interface,专供驱动 8 位 X8 段共阴极 LED 数码管（8X8LED 点阵） 。（2）特点工作电压：+4V+6V段扫描驱动电流10mA（VDD=+5V）可驱动高彩色 LED 管可通过 N 个 TEC6122 级联实行 NX8 位 LED 显示。（四）数字万用表的硬件设计（四）数字万用表的硬件设计2.4.1 分模块详述系统各部分的实现方法一、电源部分 由于高压交流电会对弱电系统产生干扰，影响系统的稳定性，而电池之类的电源又存在维护不方便和电压电流衰减等的缺点，所以本次设计采用外部稳压电源供电，这里选用普通 12V 500MA 输出的交流稳压电源输入，该电池容量大，电压淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计10衰减影响比较小，输出稳定，电路如下图。70pFC301000pFC29100pFC6200R407805U478059V220V+5V图 2-6 电源电路二、输入端图 2-7 万用表正表笔输入端电路被测量的量的输入端经过表笔流经保险丝，这样做是为了起到保护作用,防止过压过流而烧坏元器件后面接 2 个二极管。三、分流电阻图 2-8 分流电阻电路如上图，使用有一定规律的 R8R12 电阻组合构成精密的电阻分流器，能够实现分流大电流的目的，即 20A 的电流一律衰减到 200MA.通过测量参考电压经过计算得到实际的电流值。淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计11四、分压电阻图 2-8 分压电阻电路如上图，使用有一定规律的 R2R6 电阻组合构成精密的电阻分压器，能够实现分流大电压的目的，即 0500V 的电压一律衰减到 200mV 以下，通过测量参考电压经过计算得到实际的电压值。五、基准电阻图 2-9 基准电阻电路测量电阻与测量电流或者电压一样重要，俗称“三用表” ，利用数字电压表做成的多量程电阻表，采用的是“比例法”测量，因此，它比起指针万用表的电阻测量来具有非常准确的精度，而且耗电很小，上图示中所配置的一组电阻就叫“基准电淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计12阻” ，就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值，再由 AD0809 的参考电压 Vref与被测电阻上得到的电压 V 测进行“比例读数” ，当两者电压相等时，显示就是 V测/Vref*500=500 ，按照需要再由 AD0809 控制转换送 AT89C52 控制点亮 LED 屏幕上的小数点，就可以直接读出被测电阻的阻值来了。在产品数字万用表中，为了节省成本和简化电路，测量电流的分流电阻和测量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻。六、交直流处理电路图 2-10 交直流处理电路通过该电路达到控制交直流的目的，并且通过调节可变电阻又可以有效地减少电压的损耗。七、ADC 部分图 2-11 ADC0809 转换电路淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计13由于 ADC0809 的参考电压 VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(D/256*VREF)八、报警部分图 2-12 报警电路当检测到被测量超出预定的值蜂鸣器发出“嘀”声。具体的实现过程是单片机P3.3 脚输出高电平，使得 Q1 导通。使得 LS1 对地导通，蜂鸣器发出响声。九、显示电路淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计14图 2-13 显示电路采用 SPI 总线 LED 驱动器 TEC6122 驱动 8 位数码管，使得整个系统响应时间最快，显示精度更高。采用 4 合 1 数码管，减少 PCB 表面走线提高系统稳定性。十、量程选择控制电路图-14 物理量量程选择电路通过 8255 的控制与传输，使单片机就检测到所测量的物理量及其量程。十一、开关电路 图 2-15 开关电路淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计152.4.2 电路的工作过程描述此工作当然是要求在正确的程序都写入了各个芯片中才能完成工作，如上图3.12 所示，当开关要测量电压、电流或者电阻时，则根据不同的量程需要分别选择不同的量程开关，于便得到最准确的测量数据。AT89s52 的 P0 口做为 ADC0809 的数据总线，P2.4、P2.5、P2.6 作为显示芯片的 SPI 总线输出。P1.0、P1.1、P1.2、P3.2作为 ADC0809 的控制线。ADC0809 将测量的量转换成单片机能识别的量之后由所给程序控制输出，再送到显示芯片满足芯片的 8 位驱动。显示。显示芯片根据显示程序显示内容。本设计的原来要求是 4 位数码显示，但考虑到芯片 TEC6122 是驱动 8位数码显示的，所以上面图中数码管 TYP2 不接上也是满足设计要求的。淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计16三、三、 系统软件与系统软件与流程图流程图（一）（一） 电路功能模块电路功能模块由总体设计框图 3-1，本万用表由以下几部分功能模块组成，复位电路、震荡电路、ADC 输入、ADC 使能控制、被测量显示、超限报警、等电路组成。程序中的子程序 功能模块主要分成 3 个，延时、ADC 转换、和显示，延时子程序在整个程序中多次被调用，ADC 转换则是每次测量都会需要用到的，当进行测量时，ADC0809 将被测量转换为 2 进制数发给单片机然后单片机根据软件协议送显示，显示子程序则包括一个 8 位字节的发送程序和一个 TEC6122 的驱动程序。复位电路震荡电路ADC 输入被测量显示超限报警ADC 使能控制89s52图 3-1 功能模块设计框图淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计17（二）显示模块的设计（二）显示模块的设计如图 3-2 所示，显示部分采用普通的共阳数码管显示，采用动态扫描，以减少硬件路。年月日时分秒星期共需要六位数码显示，考虑到一次扫描六位数码管显示时会出现闪烁情况，故采用动态扫描，可将数码管数量减少至 3 位，也就是两个三位一体八段 LED 显示数码管设计时数码管同时扫描，显示时采用并行输入并行输出且带有使能端口的 74HC573 驱动数码管。图 3-2 显示模块淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计18（三）整体电路设计（三）整体电路设计图 3-3 整体电路淄淄 博博 职职 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计19结束语结束语数字式万用表内部采用了多种振荡，放大，分频，保护等电路所以功能较多，比如可以测量温度，频率(在一个较低的范围)，电容,电感.或做信号发生器等等。由于内部结构多用集成电路所以过载能力较差.(不过现在有些已能自动换档.自动保护等.但使用较复杂).损坏后一般也不易修复。数字式万用表输出电压较低(通常不超过 1 伏).对于一些电压特性特殊的元件的测试不便(如,可控硅,发光二极管等)，由于数字万用表的测量范围很大，广泛应用于工业领域。本电路的设计刚比较简单，不过也有它的优点：高精度、低功耗、量程宽、可扩展性强等。设计结果综述：（1） 、数字万用表完成的功能主要是对电压、电流、电阻的测量，它主要由分流电阻、分压电阻、基准电阻、51 单片机最小系