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数字万用表的研究与设计毕业论文 ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 毕 业 设计 数字万用表的研究与设计The Design of Digital Multimeter 系(院)名称: 电子信息与电气工程学院 号: 309810851 目 录 中文摘要、关键词英文摘要、关键词引言1第一章 课题的研究背景21.1数字万用表研究的目的和意义21.2国内外的研究动态及发展趋势31.2.1国内研究概况31.2.2国外研究概况41.3数字万用表设计重点解决的问题4第二章 数字万用表的总体设计方案52.1课题设计的基本思路52.2数字万用表的测量原理及电路平台52.3数字万用表的硬件系统总体设计框图102.4硬件电路设计方案及选用芯片介绍112.4.1 AT89S52芯片功能特性描述122.4.2模数转换模块介绍132.4.3显示模块介绍152.4.4电源模块介绍152.5数字万用表的硬件设计16第三章 系统软件及流程图及仿真过程223.1软件设计整体思路223.2系统总流程图233.3物理采集流程图243.4系统仿真过程24结 论26致 谢27参考文献28附录A29附录B33数字万用表的研究与设计摘要: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、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TEC612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。我熟悉了设计的原理后就在proteus上画电路图,部分模块仿真实现了其功能。关键词:数字万用表AT89S52单片机AD转换器The Design of Digital MultimeterAbstract:This 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 AT89s52one-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 uses2 TEC612, 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. I am familiar with the design principle after in the circuit diagram, proteus draw the part module simulation functionKeywords:Digital Universal Meter; AT89S52 One-Chip Computer; AD changes-and-controls引 言 电流、电压和电阻的测量,一般被视为万用计的基本功能。早期万用表只能够测量的这三种度量单位的名称:安培 、伏特、欧姆。现在的新设备,可以测量更多的度量;一些常见的附加功能,及其测量的度量单位包括:电感、电容、电导、温度、频率、占空比 。数字万用表亦称数字多用表,是指可以直接测量电压、电流、电阻或其它电参量,其功能可任意组合并以十进制数字显示被测量的电测量仪表。它通常具有直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻等五种测量功能。采用大规模集成电路和微型计算机技术的数字万用表DMMDigital MultiMeter,具有测量精度高、分辨率高、输入阻抗高、自动量程转换、过载能力强、功耗低、功能全、显示直观、结构轻巧等优点,在电子测量领域显示出了强大的生命力。数字万用表的分辨率与精度:1 分辨率 分辨率也称灵敏度,指数字万用表测量结果的最小量化单位,即可以看到被测信号的微小变化。例如:如果数字多用表在4V范围内的分辨率是lmV,那么在测量1V的信号时,你就可以看到lmV的微小变化。数字万用表的分辨率一般用位数或字表示。数字万用表分辨率是很重要的指标,就像你要测量小于1毫米的长度,你肯定不会用最小单位为厘米的尺子。2 精度 万用表的精度是指在特定的使用环境下,出现的最大允许误差。换句话说,精度就是用来表明数字多用表的测量值与被测信号的实际值的接近程度。对于数字万用表来说,精度通常使用读数的百分数表示。例如,1%的读数精度的含义是数字万用表显示100.0V时,实际的电压可能会在99.0V到101.0V之间。在详细说明书中可能会有特定数值加到基本精度中,它的含义就是,对显示的最右端进行变换要加的字数。在前面的例子中,精度可能会标为4-1%+2。因此,如果万用表的读数是100.0V,实际的电压会在98.8V到101.2V之间。第一章 课题的研究背景1.1 数字万用表研究的目的及意义 目前电子行业具有很高的发展速度,测试测量仪器更是走在行业的尖端,便携式高精度仪器更是发挥了巨大的作用,并且显示了无比的潜力。它可以取代测量技术在传统领域内的各类仪器,它在组成和改变仪器的功能和技术性能上具有很大灵活性和经济性,因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学技术不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。 随着社会的发展,科学的进步,电子产业也会发展到一个新的阶段,电子技术的提高代表了一个国家的整体实力,高精尖的电子产品根新换代的周期越来越短,每一款电子产品的设计生产都需要更精密的电子测量仪器与之相配合,这样更先进的测量仪器将成为电子产品开发的必备条件,那么精密的测量仪起将是电子行业发展中的重中之重。 数字万用表作为电子测试领域不可缺少的产品之一,应用范围最为广泛。数字万用表是利用模/数转换原理,将被测量数据转化为数字量,并将测量结果以数字形式显示出来的一种测量仪表。与指针式万用表相比,新一代数字万用表具有精度高、速度快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、抗干扰能力强,测量自动化程度高等优点,因而被广泛应用,得到工程师的青睐。 数字万用表是大规模集成电路单片A/D转换器和数显技术的结晶,是在数字电压表的基础上扩展而成的。其主要特点是准确度高和显示直观。另外,由于其分辨率高,测量速度快,测量功能强,输入阻抗高,低功耗保护电路比较完善等优点而得到了广泛应用。按照人们的直观看法,数字万用表可分为手持式和台式两种。手持式由于其便携性能得到了人们的广泛喜爱,然而由于其体积小决定了其精度不可能做的太高,这样台式万用表就显示出其强大的生命力。高端台式数字万用表既可以作为单独的仪器设备使用,也可以与其他设备组成一个完各种测试、测量任务。万用表精度的高低直接决定着它的性能,精度的高低主要有硬件和软件共同决定。硬件方面A/D转换电路是其最关键的环节。数字多用表对输入信号的采样以多斜率多重积分式A/D转换器为核心。多斜率多重积分式A/D转换器是在四斜式A/D转换器基础上发展起来的。输入被测电压在一固定的时间内接入积分器,机内参考电压也在此固定时间内多次接入,使积分器输出幅度一直保持在一定范围内。在这一固定时间结束后,机内参考电压将积分器输出电压反向积分过零。由于在积分的不同阶段,机内参考电压各不相同,使得在整个转换过程中既是多重积分循环,又在每个循环中出现了多种斜率。这种转换方法既解决了转换时间与高分辨率的矛盾,也解决了积分电路失调、噪声、积分电容介质吸附效应等不理想因素对转换精度的影响。测量仪器在我国的发展正是朝气蓬勃阶段,新技术不断的被应用到测量行业中,数字万用表作为主要的测量仪器,对其进行研究也就显得意义非凡。1.2 国内外的研究动态及发展趋势1.2.1 国外研究概况 经过几十年的发展,国外的测量仪器已经是一个成熟的行业,进入21世纪以来,国外仪器仪表行业的发展呈现出一些新的特点:1 新技术普遍应用 目前普遍采用电子设计自动化EDA、计算机辅助制造CAM、计算机辅助测试CAT、数字信号处理DSP、专用集成电路ASIC及表面贴装技术SMT等技术。随着现代计算机技术的高速发展、计算机硬件价格的不断下降,通用硬件平台和虚拟仪器也正在成为趋势。通用硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等带有共性的硬件,例如微型计算机、A/D和D/A变换器、显示器等,有了这些通用硬件平台,根据不同仪器的具体技术要求,开发出相应的软件,就可以产生不同的测试功能,输出多种测试信号。虚拟仪器充分利用了微型计算机强大的软硬件技术,可以设计出风格不同的人机操作界面,并且易于随着计算机软、硬件的升级而升级。虚拟仪器允许用户在通用硬件平台上根据自己的需要构造仪器,充分发挥计算机或数字信号处理器的作用,对仪器功能进行变换组合,因而比实物仪器更具有灵活性。在当今科技的高速发展中,测量技术和实验手段的现代化己成为科技现代化的重要条件和标志。随着计算机技术与智能传感技术的不断发展,检测仪器也将朝着“更快、更宽、更深”方向发展。2 产品结构发生简化 在重视高档仪器开发的同时,注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。注重系统集成,不仅着眼于单机,更注重系统、产品软化。随着各类仪器装上了CPU,实现了数字化后,软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器归纳成一个简单的公式:“仪器?AD/DA+CPU+软件”。AD芯片将模拟信号变成数字信号,再经过软件处理变换后用DA输出。1.2.2 国内研究概况 八十年代,我国仪器行业受到了国外冲击,承受了巨大压力。原有的骨干企业大多数不景气,效益滑坡,但同时高科技民营企业发展迅速。这十多年来大家都在积极转变观念,通过不断深化改革,调整企业结构、产品结构,选择了有限目标,稳住和发展量大面广的中、低挡仪器,充分发挥电子测量技术的渗透力和结合力,使得极其困难的仪器行业有了长足的进展。综观“八?五”期间电子仪器行业的发个个大的测试柜,快速地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。1.3 数字万用表设计重点解决的问题 本课题首先对数字万用表中所采用的脉冲宽度调制型ADC原理和性能进行了理论分析;然后对基于模拟RMS/DC运算法的传统有效值测量方法进行了深入的理论研究,并且提出了补偿算法和改进方案。主要完成了一下几方面工作:1 对脉冲宽度调制型ADC进行了研究。它是整个系统直流测量的核心,影响着整个系统的性能和测量精度。2 在传统间接型IWS/DC测量方法数学模型分析的基础上,运用频域补偿原理,推导出了交流RMS/DC补偿算法,并提出了一种实际可行的改进的间接型S/DC测量方法。3 介绍了高精度数字万用表的硬件原理,对AT89S52在系统中的应用以及如何实现系统的各项功能进行了研究。4 介绍了系统软件的功能划分和程序的设计流程。系统软件实现了交直流测量、计算、显示等功能。 第二章 数字万用表的总体设计方案 系统包括硬件部分以及软件部分,它们配合完成整个数字万用表的所有功能。2.1 课程设计的基本思路 由万用表的功能需求可知,本课题设计的这款数字万用表,主要由硬件和软件两部分组成。硬件是以AT89S52与ADC0809转换器为核心,加之其它电路组成。软件即为该表的下位机软件,不包括上位机。用单片机AT89S52与ADC0809转换器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。2.2 测量原理及电路平台1 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2.1所示,U0为电压表头的量程如200mV,r为其内阻,r1、r2为分压电阻,U2为扩展后的量程。图2.1分压电路原理 图2.2多量程分压器原理由于rr2,所以分压比为: 2-1扩展后的量程为: 2-2 多量程分压器原理电路见图2.2,5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2000V、200V、20V、2V和200mV。采用图2.3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2.3所示,它能在部降低输入电阻的情况下,达到同样的分压效果。例如:其中200V档的分压比为: 2-3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: 2-4再计算2000V档的电阻R50.0001 R总1k再逐档计算R4、R5、R2、R1。 尽管上述最高量程档的理论量程是2000V,但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑,规定最高电压量限为1000V。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。2 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2.4,取样电阻R上的电压降为: 2-5即被测电流: 2-6图2.4电流测量原理 图2.5多量程分流器电路若数字表头的电压量程为U0,欲使电流档量程为I1,则该档的取样电阻:(2-7) 如 U0200mV,则I0200mA档的分流电阻为R1。多量程分流器原理电路见图2.5。 图2.5中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2.5所示。图2.6 实用分流器 图2.6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R5:(2-8)再计算下一档的R4: (2-9)依次可计算出R5、R2和R1。 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。 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2.7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。 图2.7 A/D转换3 电阻测量原理 数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法,其原理电路见图2.8。 由稳压管ZD提供测量基准电压,流过标准电阻R0和被测电阻RX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UREF和输入电压UIN有如下关系: 2-10根据所用A/D转换器的特性可知,数字表显示的是UIN与UREF的比值,当UINUREF时显示“1000”, UIN0.5UREF时显示“500”,以此类推。所以,当RXR0时,表头将显示“1000”,当RX0.5R0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档。如对200档,取R01100,小数点定在十位上。当RX100时,表头就会显示出100.0。当RX变化时,显示值相应变化,可以从0.1测到199.9。又如对2K档,小数点定在千位上。当Rx变化时,显示值相应变化,可以从0.001K测到1.999K。其余各档道理相同,同学们可自行推演。数字万用表多量程电阻档电路见图2.8。 图2.8 电阻测量由上分析可知: 2-11 由正温度系数PTC热敏电阻R1与晶体管T组成了过压保护电路,以防误用电阻档去测高电压时损坏集成电路。当误测高电压时,晶体管发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。同时R1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,R1和T都能恢复正常。4 电容测量原理 电容测量是根据电容充电原理其充电电压与时间成一定的指数关系。根据电压和时间可以计算出电容的值。2.3 数字万用表的硬件系统设计总体框架图 由万用表的功能需求可知,本课题设计的这款数字万用表,主要由硬件和软件两部分组成。硬件是以AT89S52单片机与ADC0809转换器为核心,加之其它电路组成。 如下图2.9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。 图2.9 总体电路设计框图2.4 硬件电路设计方案及选用芯片介绍 硬件电路包括模拟电路与数字电路两大部分。模拟电路主要有开关网络、缓冲器、积分器、比较器,AC/DC转换运算放大器等。数字电路主要有开关网络控制器、自动量程逻辑、计数器、译码驱动器,时钟振荡器等。控制逻辑按照一定的时序发出控制信号,自动选定芯片外围电路的相应标准电阻,接通模拟开关,实现电路切换。其主要部分由前端模拟采集部分和后端数字控制处理部分构。前端模拟采集部分:主要完成前端模拟量的采集,以及模拟量数字化的功能。后端数字控制处理部分:主要完成对整个下位机的硬件控制,以及数字处理。模拟部分设计内容分为以下几部分:1 功能切换模块:主要完成各测量模块之间的切换。2 欧姆电流源模块:主要可以提供一个高精度的电流源。3 DCV放大模块:主要完成直流电压的放大。4 ACV放大模块:主要完成交流电压的放大。5 交流变直流转化模块:主要完成交流转化为直流量。6 CPLD计数模块:主要完成频率及电容的测量。7 电源模块:完成对模拟器件和数字器件的供电。 数字部分主要由MCU、AD、FLASH、SDRAM,USB等部分组成。软件设计方案: 系统软件设计包括管理程序和控制程序两部分,管理程序包括液晶屏幕显示的动态刷新、处理键盘的扫描和响应。进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等。控制程序是对被控对象进行采样、数据处理、根据控制算法进行计算和输出等。控制程序包括A/D转换,数据采样,数字处理、中值滤波,越限报警处理等。 本章介绍了系统的硬件设计框架,以及电路原理图的设计。本文选择AT89S52作为核心芯片。2.4.1 AT89S52芯片功能特性描述AT89S52引脚框图: 图2.10 AT89S52芯片引脚图AT89S52 主要性能:(1)与MCS-51 单片机产品兼容(2)8K 字节在系统可编程Flash 存储器(3)1000 次擦写周期(4)全静态操作:0Hz33Hz (5)三级加密程序存储器(6)32 个可编程I/O 口线(7)三个16 位定时器/计数器(8)八个中断源2.4.2 模数转换模块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U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,1000即可满足测量精度要求量化误差1/10000.1%。最常见的数字表头的最大示数为1999,被称为三位半数字表。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为单位的被测电压的大小。如:U是 0.1mV的1234倍,即N1234,显示结果为123.4mV。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-199.9199.9mV的电压,显示精度为0.1mV。由上可见,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 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。图2.11 ADC0809的内部逻辑结构 由上图可知,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。ADC0809引脚结构 图2.12 ADC0809引脚结构图 IN0-IN7:8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求:信号单极性,电压范围是0-5V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线:4条 ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A,B和C为地址输入线,用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 表2-1 地址输入线的通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 数字量输出及控制线:11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行A/D转换;在转换期间,ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1,输出转换得到的数据;OE=0,输出数据线呈高阻状态。D7-D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ, VREF(+),VREF(-)为参考电压输入。 2.4.3 显示模块 显示模块主要是用TEC6122共阴极8X8段LED数码管来实现。TEC6122简述1 概述2 特点 工作电压:+4V+6V 位扫描驱动电流80mA(VDD+5V) 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显示管脚间距2.54mm ,标准24pin窄塑封双列直插封装3 位扫描共阴极LED显示原理位扫描共阴极LED显示原理图及位扫描波形如附图。位扫描信号接S1,S2,S8顺序依次出现,循环反复。S1显示第一位(个位),S2显示第二位(十位),依次地S8显示第八位(千万位)。要显示的段码A,B,DP是由S1S8依次分别选通送出,S1送A1,B1,DP1,显个位,其它位不显示。同样地S8送出A8,B8,DP8,显千万位,其它位不显示,这就是位扫描共阴极LED显示原理。2.4.4 电源模块 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,电压衰减影响比较小,输出稳定,电路如下图。图2.13 电源电路2.5 数字万用表的硬件设计1 输入端图2.14 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。2 分流电阻图2.15 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。3 分压电阻 图2.16 分压电阻电路 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。4 基准电阻图2.17 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*500500 ,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。5 交直流处理电路 图2.18 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。6 ADC部分图2.19 ADC0809转换电路 由于ADC0809的参考电压VREF=VCC,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*VREF7报警部分图2.20报警原理图 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。8 量程选择控制电路图2.21 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。9 开关电路 图2.22 开关电路 如图2.22,类似于常用的万用表开关,可以根据需要手动转换测量量的量程,根据所需要测量的量选择合适的量程。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2.5.9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。对AT89S52的P0口作为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。10 单片机最小系统 图2.23 单片机最小系统电路 本次设计采用ATMEL公司的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,使系统稳定运行。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。同时P1.0-P1.7 作为8255的信号输入端,使单片机能检测到所测量的物理量和量程。11 显示电路 图2.24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表面走线提高系稳定性。第三章 系统软件设计流程图及仿真过程3.1 软件设计整体思路 软件是整个系统的灵魂,软件的质量对系统的功能,性能指标等有很大的影响。良好的软件设计往往能弥补硬件设计的不足。1 系统设计目标 该手持万用表软件的主要功能是:对电压、电流信号进行采样,得到的实时数据保存到内存中;调整测量量程与通道的切换,把得到的数据进行处理,再送入LCD中显示。系统能根据不同的键值进入,并显示相应的测量功能。2 软件设计思想 单片机应用系统的软件设计和一般的程序设计不同,软件必须在熟悉硬件的基础上进行设计。 本系统采用模块化结构设计,每个模块被设计成只负责单独的一项功能。采用模块化结构设计的优点在于:有利于移植和修改。利用现有的通用软件包,可得到事半功倍的效果;方便调试和连接;有利于今后实现功能扩展。 在主程序中仿Windows消息驱动的原理进行设计,即:在中断服务程序以及相关程序中里面完成消息的触发,完成一些标志的置位,而在主循环中对这些标志进行判断,进而完成相应功能。比如在定时器中断里面完成一些时间标志的置位,如分钟标志,小时标志等;这些标志均在主循环中加以判断,从而在某种条件下完成某种功能,等到处理完之后再复位此标志。仿Windows消息驱动原理设计主模块的优点在于:易于实现相关功能模块间的通信;便于系统功能的扩展;结构简单、易读。3.2 系统总流程图 图3.2系统总流程图 流程图主要介绍了整个系统的工作过程,数字万用表开机后系统先开始初始化,同时LED显示初始化。无论是测量电阻电压还是电流,单片机要输出一个信号允许数模转换,这样数模转换模块工作,并把转换结果送回单片机,当检测的超限时报警,没超限的话所测结果由单片机输出给显示模块显示。3.3 物理采集流程图 图3.3物理采集流程图 物理采集流程图主要介绍了测量的一个大概的过程,看测的是什么值相应的选择相应的档位,开始测量后数模转换模块开始工作,转换测量的值,之后再把所测结果送单片机,由单片机把最终结果送显示模块显示。3.4系统仿真过程 在总电路图做好之后我用proteus软件对它进行了仿真,电路用到了89C51、ADC0809、74HC164、74 HC595等芯片。在仿真的过程中我遇到了很多困难问题,比如:TEC6122在proteus器件库里面都没有,查了他的功能之后就用两片74HC595级联代替;由于这个设计的硬件电路很复杂,在proteus上画图的时候非常的麻烦,说有好多连线我是用标号代替的。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,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。AT89c52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,接上去只是满足芯片的8位驱动。由于系统比较庞大,硬件和软件都比较复杂,只实现了部分仿真。之后还要多看些这方面的书,争取把这个设计给完全弄懂。 结论 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,频率电容,电感.或做信号发生器等等。本文详细介绍了基于AT89S52单片机的便携式数字万用表的工作原理及流程,根据其特点与要求采取了相应的硬件结构,软件流程及算法。该表的各功能模块独立可靠,处理流畅,充分发挥AT89S52单片机的优点。论文主要的研究方向和特点如下:1 简要介绍了数字万用表的发展应用与国内外研究动态及发展趋势。2 从本数字万用表的功能出发,对该设计的硬件与软件加以总体的规划。3 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、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。4 系统是将直流电压和电流测量、交流电压和电流有效值测量、电阻测量等功能于一体的高精度数字万用表测量系统,克服了同类产品的缺陷,具有测量准确度高、测量频带宽、功能完善和实时性好等诸多优点。5 单片机部分跟AD转换部分是整个设计的核心,ADC0809的参考电压VREF=VCC,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;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,使系统稳定运行。6 对于硬件的制作,由于布线麻烦,零件买不到,还有成本太高等原因,做起来复杂,捍接也很难,以致未能做出实物。致谢 在四年的大学生活里,我有幸遇到了很多好老师、好同学是他们给予我鼓励和支持,伴我一起走过我人生中最灿烂的岁月。论文搁笔之际,首先要感谢我的指导老师李琪。论文工作中,从论文的选题和研究工作的开展,到论文的审阅修改,均得到李老师的悉心指导。李老师是知识渊博、造诣深厚的专家和长者,她严谨求实的治学态度和一丝不苟的敬业精神,还有平易近人的态度令我永志难忘。在此,我向李琪老师表示衷心的感谢和崇高的敬意!在此也要感谢我身边得同学在我大学四年的生活中对我的帮助和鼓励,正是有了他们我的大学生活才如此丰富多彩,在我做设计的这么长时间里也是他们给我悉心的帮助,真的谢谢你们了。 同时由于自己所掌握的知识有限、实践不足,设计难免会有不完美的地方,虽然设计不是那么出色,但是毕竟这是自己认认真真做出来的。希望各位老师给予指正。同时感谢多有教过我的老师对我四年来的教育和关心,在这里我不仅学到了专业知识,还学到了很多做人的道理。也要感谢我的母校安阳工学院,在这里我明确了以后的方向,树立了良好的价值观,在这里学到的一切都使我终身受益。参考文献l沙占友.新型数字万用表M.北京:机械工业出版社,20062赵茂泰.智能仪器原理及应用M.北京:电子工业出版社,20023杨乐平.虚拟仪器技术概论M.北京:电子工业出版社,20034雷勇.虚拟仪器设计与实践M.北京:电子工业出版社,20055卢胜利.智能仪器设计与实现M.重庆大学出版社,20036魏相华,张士文.虚拟仪器的发展现状和前景J.