单片机做万用表.doc

单片机的数字万用表摘要：本系统是一种基于STC89C52单片机的交直流电压、电流测量和电阻阻值、二极管正向导通压降测量以及三极管hFE值的测量电路。该设计采用高精度、双积分A/D转换芯片ICL7135构成主要的测量电路，其测量范围广而且可以由继电器的闭合与关断量程自动转换，使用串行5位LED显示电路和发光二极管测量类型以及测量单位的显示电路。此外，该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。关键词：单片机，双积分A/D转换器，量程自动转换1 引 言随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。纵览目前国内外的高精度数字式仪表，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。例如，传统的电桥平衡法等方法在测试过程中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调很多参数，对初学者来说很不方便，当今社会，基于数字显示的仪表虽然已经很成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的数字式万用表，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能数字式仪表，人机界面友好、操作方便的智能数字式万用表，具有十分重要的意义。本系统是用模拟电路将待测量转换成02.0000V的电压，再经过A/D转换器采集并转换成数字量，然后送入单片机运算、处理以及输出显示，所以用起来非常方便而且准确度高，显示清晰，测量误差保持在5%以内。2 方案设计与论证根据设计要求，将整个系统分为4个部分：测量电路部分、通道选择及量程转换部分、A/D转换电路部分、MCU主控电路部分，其中测量部分分为交直流电压、电流测量以及电阻阻值、二极管正向导通压降和三极管hFE值及温度的测量 。对于交流输入，先将其转化为等值的直流信号，再采用分压式测量，而直流输入，采用分压式直接测量；电阻的测量采用伏安法，由A/D采样输入单片机；二极管正向导通压降采用一恒流源加在被测器件上，再由A/D采样输入单片机；三极管hFE值的测量是给其基极加一偏置电压，测得输出电流，再转换成电压信号输入单片机；温度的测量则采用NS公司的电压输出型LM35DZ温度传感器。通道选择及量程转换部分我们采用小型继电器控制；A/D转换采用双积分式ICL7135;MCU主控电路采用STC89C52单片机，具体框图如图2.1所示： 图2.1 数字万用表总体设计框图2.1 MCU主控制器的选择与论证方案一 此方案采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器，它具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强、处理速度高等特点，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是其软件设计相对复杂，故我们放弃此方案。方案二 此方案采用STC公司的8位单片机STC89C52作为主控制器，具有与MCS-51指令集完全兼容的CIP-51内核，但其同样时钟下运行速度和抗干扰能力军比普通8051 8位单片机要高，而且开发环境是我们很熟悉的Keil C51 ,编译效率高，非常适合C语言开发人员，因此我们采用该方案。2.2 A/D转换器的选择与论证方案一 此方案选用12位串行A/D转换集成AD，只需要根线就能够很好的与相通信组成测量系统，但其输入电压不能为负值，故使用范围受到了限制，不适合用作负压测量电路中而且价格较高。因此，我们放弃此方案。方案一 此方案选用双积A/D 转换器ICL7135，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。它的特点是在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作，可保证零点在常温下的长期稳定。在20000字（2V满量程）范围内，保证转换精度1字，相当于14bitA/D转换器；具有自动极性转换功能；模拟出入可以是差动信号，输入电阻极高，可达1G输入电流典型值1PA；有过量程（OR）和欠量(UR)程标志信号输出,可作为自动量程转换控制信号，能与异步接收 /发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用，其工作原理如图.所示。图.双积A/D 转换器的工作原理如图.所示：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。综合上述方案的优缺点，我们采用此方案。2.3 通道及量程转换开关的选择与论证方案一 此方案采用CMOS集成模拟开关CD4066，经我们查阅资料得知：模拟开关的开关频率高，适合传输较高频率的数字信号，但是其导通电阻在40左右，当用在测量微小变化的模拟量时所引入的误差将会很大，这是仪器仪表所不希望的，不过AD公司的可以减小到0.5，但其价格较高，故放弃此方案。方案二 此方案采用小型单通道继电器，其响应速度较慢，但是导通电阻小、价格便宜，而且本设计不需要那么快的响应速度，性价比较高，因此我们采用该方案。2.4测量电路的选择与论证2.4.1电阻测量方案一 此方案采用数控恒压源式闭环负反馈电阻测量的方法，其测量原理框图如图2.所示：图2.2 数控恒压源式电阻测量的闭环负反馈方法原理框图系统有被测电阻Rx，反馈电阻R0，运算放大器，A/D转换器，D/A转换器，单片机组成。加在被测电阻Rx上的电压Vi是由计算机通过D/A转换器来控制的，即可调的，必要时可以在D/A转换器后加一个电压跟随器以扩大带负载能力。被测电阻可由下式求得： （1）式中 ViD/A转换器（数控可调恒压源）的输出 Vo放大器的输出（A/D转换器的输入）式（1）可以改写成 （2）由于Vo总是有一定范围的（如05伏），所以Vi于Rx的比值必然被限制在一定的范围之内（如当R0=10K， =00.5V/ K，可以保证Vo=05V）为了保证实现上述要求，则Vi要随着被测电阻的大小的变化而变化。被测电阻Rx大，则Vi大，被测电阻Rx小，则Vi小，由于电阻Rx是待测量的，所以Vi的确定就不能够通过式（2）来进行，最直观的想法就是使得Vi从小到大逐步加1，直到使得Vo到达测量范围为止。由于此方案需要数控恒压源，既增加了硬件电路设计，又引入了误差，故放弃此方案。方案二 此方案采用比例测量法，其原理电路见图1。ZDRxIN+A/D转换及数字表头R0IN-VREF+VREFUREFUIN图1电阻测量原理由稳压管提供测量基准电压，流过标准电阻和被测电阻的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。所以A/D转换器的参考电压和输入电压如下关系：即：根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是与的比值，当时显示“1000”，时显示“500”，以此类推。所以，当时，表头将显示“1000”，当时显示“500”，这称为比例读数特性。因此，我们只要选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量挡。如对挡，取，小数点定在十位上。当时，表头就会显示出。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从测到。又如对挡，取，小数点定在千位上。当变化时，显示值相应变化，可以从测到。（其余各挡道理相同，同学们可自行推演。）数字万用表多量程电阻挡电路见图2。RxIN+A/D转换及数字表头RtIN-VREF+VREF图2电阻测量电路R1R2R3R4900k90k9k900100PTCT+V2002k20k200k2MR5由上分析可知，图2中由正温度系数（PTC）热敏电阻与晶体管T组成了过压保护电路，以防误用电阻挡去测高电压时损坏集成电路。当误测高电压时，晶体管T发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。同时随着电流的增加而发热，其阻值迅速增大，从而限制了电流的增加，使T的击穿电流不超过允许范围。即T只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，和T都能恢复正常。方案二 此方案采用伏安法测量电阻的方法，2.4.2电压测量2.4.2.1直流电压的测量方案一 此方案采用电阻分压式测量电路，在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2.3所示，为数字电压表头的量程（如200mV），为其内阻（如10M），为分压电阻，为扩展后的量程。0数字电压表图2.3分压电路原理数字电压表10M99k9k1M1k200mV200V20V2V2000VIN+IN-图2.4多量程分压器原理由于，所以分压比为，扩展后的量程为多量程分压器原理电路见图2.4，5挡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200mV、2V、20V、200V和2000V。采用图2.4的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程挡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，因此放弃此方案。方案二 此方案也采用电阻分压式测量电路，也就是实际数字万用表的直流电压挡电路，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。如图2.5所示： 例如：其中200V挡的分压比为 其余各挡的分压比可同样算出。实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定再计算2000V挡的电阻再逐挡计算。尽管上述最高量程挡的理论量程是2000V，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑， 规定最高电压量程为1000V，本设计规定最高测量电压为200V。换量程时，单片机控制多挡量程转换开关自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。2.4.2.2交流电压的测量方案一 此方案采用交流/直流有效值专用转换芯片AD637，根据外接电路的不同可以实现多种运算，如：交流有效值、分贝、均方根等，而且精度很高，但因价格比较昂贵，故放弃此方案。方案二 此方案采用运放、电阻、电容组成的交流有效值转换电路，接线简单，成本低廉，因此采用此方案。电路如图2.？所示：2.4.3电流测量2.4.3.1直流电流的测量测量电流的原理是：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。方案一 此方案采用如图2.？所示的电路，由于，取样电阻R上的电压降为，即被测电流，若数字表头的电压量程为，欲使电流挡量程为，则该挡的取样电阻（也称分流电阻）为，如，则挡的分流电阻为。数字电压表IN+IN-图1电流测量原理1k101100数字电压表2A2mA20mA200mA200AIN+IN-0.1图2多量程分流器电路图2中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换挡开关接触不良时，被测电路的电压可能使数字表头过载。因此，我们放弃此方案。方案二 此方案采用如图2.？所示的电路，图3中各挡分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最大电流挡的分流电阻：再计算下一挡的：依次可计算出和，请同学们自己练习。图3中的FUSE是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，起过流保护得作用。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，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。数字电压表0.10.9990900R4R3R2R1IN+IN-2A200mA20mA2mA200AD1D2FUSE图3实用分流器电路R5用2A挡测量时，若发现电流大于1A时，应不使测量时间超过20秒，以避免大电流引起的较高温升影响测量精度，甚至损坏仪表。2.4.3.2交流电流的测量同测量交流电压一样，交流电流测量电路是在直流电流测量电路的基础上，在分流器之后加入了一级交流-直流（AC-DC）变换器，见图2.？所示。2.4.4二极管的测量本设计中使用恒流源LM334Z产生1mA电流，当用表笔测量二极管时，正向时电流流过PN结，产生正向导通压降。因此，测量二极管(或LED）实际上测得的是它的正向导通压降，其测量电路如下图2.？所示：2.4.5三极管的测量本设计采用偏置法，电路如图2.？所示：4 算法设计与软件流程图4.1 软件算法设计4.2 程序设计流程图5 系统指标测试5.1 测试仪器UT39A 3 1/2数字万用表5.2测试数据记录测量时间：2008年7月9日星期2数据记录（室温）表5.1 电阻测量数据测量值（）测量用表101001K5.1K10K22K100K470K900K1M相对误差(%)UT39A型表测量值本仪表测量值（）绝对误差值（）误差分析：表5.2 直流电压测量数据测量值（V）测量用表相对误差(%)型表测量值（）本表测量值（）绝对误差值（）误差分析：表5.3 交流电压测量数据测量值（V）测量用表相对误差(%)型表测量值（）本表测量值（）绝对误差值（）误差分析：表5.4 直流电流测量数据测量值（）测量用表相对误差(%)型表测量值（）本表测量值（）绝对误差值（）误差分析：表5.5 交流电流测量数据测量值（）测量用表相对误差(%)型表测量值（）本表测量值（）绝对误差值（）误差分析：表5.6 二极管测量数据二极管正向导通压降（）表读数（）本仪表读数（）相对误差（）误差分析：表5.7 三极管hFE测量数据三极管hFE表读数（）本仪表读数（）相对误差（）误差分析：6 总结由于使用单片