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精品 感谢下载载 基于单片机的数字万用表 摘要 本次设计用单片机芯片 STC89c52 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 ICL7135AD 转换数据转换芯片 单片机系统设计采用 STC89c52 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 数字万用表 STC89c52 单片机 AD 转换与控制 Abstract The design used to design a single chip STC89c52 digital multimeter to measure AC and DC voltage DC current DC resistance and capacitance four digital display This system consists of shunt resistors voltage divider reference resistors capacitors circuit test chip the smallest single chip system 51 display parts alarm some AD converter and control components To make the system more stable allowing the system to ensure the overall accuracy of the circuit used ICL7135AD conversion data conversion chip single chip microcontroller system design using STC89c52 as a master chip together with the RC power on reset circuit and 11 0592MHZ oscillator circuit shown with the chip TEC6122 driver 8 bit digital tube display Each execution cycle time consuming process reduced to a minimum thus ensuring 精品 感谢下载载 that the system in real time Keyword digital multimeter STC89c52 microcontroller AD converter and control 目录 摘 要 1 1 绪 论 3 2 总体方案设计 4 3 单元模块设计 5 3 1 各单元模块功能介绍及电路设计 5 3 2 电路参数的计算及元器件的选择 10 3 3 特殊器件的介绍 16 精品 感谢下载载 3 4 各单元模块的联接 21 4 软件设计 22 4 1 说明软件设计原理及设计所用工具 22 4 2 画出软件设计结构图 说明其功能 22 4 3 画出主要软件设计流程框图 22 5 系统调试 23 6 系统功能 指标参数 24 6 1 说明系统能实现的功能 24 6 2 系统指标参数测试 说明测试方法 要求有测试参数记录表 24 6 3 系统功能及指标参数分析 与设计要求对比进行 24 7 结论 25 8 总结与体会 26 9 参考文献 27 10 附录 28 附录 1 相关设计图 包括原理图 PCB 板图 实物图等 28 附录 2 相关设计软件 28 精品 感谢下载载 1 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 准确度高 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 精品 感谢下载载 3 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 4 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 5 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 2 5 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 6 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 2 总体方案设计 用单片机 AT89S52 与 ICL7135AD 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 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 3 单元模块设计 3 1 各单元模块功能介绍及电路设计 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 电压衰减影响 精品 感谢下载载 比较小 输出稳定 电路如下图 图 3 1 模拟电源 图 3 2 数字电源 三 分流电阻 图 2 19 分流电阻电路 如上图 使用有一定规律的 R8 R12 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 四 分压电阻 精品 感谢下载载 图 2 20 分压电阻电路 如上图 使用有一定规律的 R2 R6 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 0 500V 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 21 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 500 500 精品 感谢下载载 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 22 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 精品 感谢下载载 图 2 23 ICL7135AD 转换电路 由于ICL7135AD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 八 报警部分 图 2 24 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 单片机最小系统 精品 感谢下载载 图 2 25 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 十 显示电路 精品 感谢下载载 图 2 26 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 十一 量程选择控制电路 图 2 27 物理量量程选择电路 精品 感谢下载载 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 十二 开关电路 图 2 28 开关电路 如上图 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 3 2 电路参数的计算及元器件的选择 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 精品 感谢下载载 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 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 1 3 2 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 U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 9 199 9 mV 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 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 0 U 为电压表头的量程 如 200mV r为其内阻 如 10M 1 r 2 r 为 分压电阻 10 U 为扩展后的量程 精品 感谢下载载 图 2 2 分压电路原理 图 2 3 多量程分压器原理 由于 r r2 所以分压比为 21 2 0 0 rr r U U i 扩展后的量程为 0 2 21 0 U r rr Ui 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 2000V 200V 20V 2V和 200mV 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 图 2 4 使用分压电路 精品 感谢下载载 例如 其中 200V档的分压比为 001 0 10 10 54321 54 M k RRRRR RR 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 MRRRRRR10 54321 总 再计算 2000V档的电阻 KRR10001 0 5 总 再逐档计算 4 R 5 R 2 R 1 R 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 精品 感谢下载载 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r R 取样电阻R上的电压降为 ii UI R 即被测电流 i i U I R 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 0 U 欲使电流档量程为 0 I 则该档的取样电阻 也称分流电阻 为 0 0 U R I 如 0 U 200mV 则 0 I 200mA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 5 R 1 0 2 2 0 5 0 m s I U R 图 2 7 实用分流器电路 精品 感谢下载载 再计算下一档的 4 R 9 01 0 2 0 2 0 5 4 0 4 R I U R m 依次可计算出 5 R 2 R 和 1 R 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 二极 管立即导通 两端电压被限制住 小于 0 7 V 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 图 2 8 AC DC 变换器原理简 图 图 2 9 电阻测量 原理 精品 感谢下载载 700V 有效值 5 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 9 由稳压管 ZD 提供测量基准电压 流过标准电阻 0 R 和被测电阻 X R 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 RFE U 和输入电压 IN U 有如下关系 xIN REF R R U U 0 即 0 R U U R REF IN x 根据所用 A D 转换器的特性可知 数字表显示的 是 IN U 与 RFE U 的比值 当 IN U RFE U 时显示 1000 IN U 0 5 RFE U 时显示 500 以此类 推 所以 当 0X RR 时 表头将显示 1000 当 0 0 5 X RR 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 01 R 100 小数点定在十位 上 当 X R 100 时 表头就会显示出 100 0 当 X R 变化时 显示值相应变化 可 以从 0 1 测到 199 9 图 2 10 电阻测量 精品 感谢下载载 又如对 2k 档 取 02 1Rk 小数点定在千位上 当 X R 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 10 由上分析可知 101 20201 30302 100 1000 100900 1019 RR RRR RRRkkk 图 2 10 中由正温度系数 PTC 热敏电阻 1 R 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T发射极将击穿从而限 制了输入电压的升高 同时 1 R 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 1 R 和T都能恢复正常 6 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 3 3 特殊器件的介绍 1 STC89C52 的功能介绍 STC89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可檫除只读存储器 FPEROM Flash Programable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 COMOS8 的 精品 感谢下载载 微处理器 俗称单片机 该器件采用 ATMEL 搞密度非易失存储器制造技术制造 与 工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 单片机总控制电路如下图 3 1 图 3 1 单片机总控制电路 STC89C52 具体介绍如下 主电源引脚 2 根 VCC Pin40 电源输入 接 5V 电源 GND Pin20 接地线 外接晶振引脚 2 根 精品 感谢下载载 XTAL1 Pin19 片内振荡电路的输入端 XTAL2 Pin20 片内振荡电路的输出端 控制引脚 4 根 RST VPP Pin9 复位引脚 引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位 ALE PROG Pin30 地址锁存允许信号 PSEN Pin29 外部存储器读选通信号 EA VPP Pin31 程序存储器的内外部选通 接低电平从外部程序存储器读指令 如果接高电平则从内部程序存储器读指令 可编程输入 输出引脚 32 根 STC89C52 单片机有 4 组 8 位的可编程 I O 口 分别位 P0 P1 P2 P3 口 每个 口有 8 位 8 根引脚 共 32 根 PO 口 Pin39 Pin32 8 位双向 I O 口线 名称为 P0 0 P0 7 P1 口 Pin1 Pin8 8 位准双向 I O 口线 名称为 P1 0 P1 7 P2 口 Pin21 Pin28 8 位准双向 I O 口线 名称为 P2 0 P2 7 P3 口 Pin10 Pin17 8 位准双向 I O 口线 名称为 P3 0 P3 7 STC89C52 主要功能如表二所示 表二 STC89C52 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统8K 可反复擦写 Flash ROM 32 个双向 I O 口256x8bit 内部 RAM 精品 感谢下载载 3 个 16 位可编程定时 计数器中 断 时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源共 6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 2 icl7135AD 转换的功能介绍 CI7135 是 4 位双积分 A D 转换芯片 可以转换输出 20000 个数字量 有 STB 选通控 制的 BCD 码输出 与微机接口十分方便 ICL7135 具有精度高 相当于 14 位 A D 转换 价格低的优点 其转换速度与时钟频率相关 每个转换周期均有 自校准 调零 正向积分 被测模拟电压积分 反向积分 基准电压积分 和过零检测四个阶段组成 其中自校准时 间为 10001 个脉冲 正向积分时间为 10000 个脉冲 反向积分直至电压到零为止 最大不 超过 20001 个脉冲 故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数 到反向积分为零 时停止计数 将计数的脉冲个数减 10000 即得到对应的模拟量 图 1 给出了 ICL7135 时 序 由图可见 当 BUSY 变高时开始正向积分 反向积分到零时 BUSY 变低 所以 BUSY 可 以用于控制计数器的启动 停止 图 1 1CL7135 时序 精品 感谢下载载 ICL7135 引脚图 ICL7135 为 DIP28 封装 芯片引脚排列如图 2 所示 图 2 1CL7135 芯片引脚 ICL7135 引脚功能及含义如下 1 与供电及电源相关的引脚 共 7 脚 V ICL7135 负电源引入端 典型值 5V 极限值 9V V ICL7135 正电源引入端 典型值 5V 极限值 6V DGND 数字地 ICL7135 正 负电源的低电平基准 REF 参考电压输入 REF 的地为 AGND 引脚 典型值 1V 输出数字量 10000 VIN VREF AC 模拟地 典型应用中 与 DGND 数字地 一点接地 INHI 模拟输入正 INLO 模拟输入负 当模拟信号输入为单端对地时 直接与 AC 相连 精品 感谢下载载 2 与控制和状态相关的引脚 共 12 脚 CLKIN 时钟信号输入 当 T 80ms 时 fcp 125kHz 对 50Hz 工频干扰有较大抑制能力 此时转换速度为 3 次 s 极限值 fcp 1MHz 时 转换速度为 25 次 s REFC 外接参考电容正 典型值 1 F REFC 外接参考电容负 BUFFO 缓冲放大器输出端 典型外接积分电阻 INTO 积分器输出端 典型外接积分电容 AZIN 自校零端 LOW 欠量程信号输出端 当输入信号小于量程范围的 10 时 该端输出高电平 HIGH 过量程信号输出端 当输入信号超过计数范围 20001 时 该端输出高电平 STOR 数据输出选通信号 负脉冲 宽度为时钟脉冲宽度的一半 每次 A D 转换结束时 该端输出 5 个负脉冲 分别选通由高到低的 BCD 码数据 5 位 该端用于将转换结果打到 并行 I O 接口 R H 自动转换 停顿控制输入 当输入高电平时 每隔 40002 个时钟脉冲自动启动下一次 转换 当输入为低电平时 转换结束后需输入一个大于 300ns 的正脉冲 才能启动下一次 转换 POL 极性信号输出 高电平表示极性为正 BUSY 忙信号输出 高电平有效 正向积分开始时自动变高 反向积分结束时自动变低 3 与选通和数据输出相关的引脚 共 9 脚 精品 感谢下载载 B8 B1 BCD 码输出 B8 为高位 对应 BCD 码 D5 万位选通 D4 D1 千 百 十 个位选通 ICL7135 主要参数 V 6V 温度范围 0 to 70 电源电压 V 9V 热电阻PDIP 封装qJA W 55 模拟输入电压 V to V 最大结温 150 参考输入电压 V to V 最高储存温度范围 65 to 150 时钟输入电压 GND to V 精品 感谢下载载 3 4 各单元模块的联接 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 图 2 1 数字万用表的基本组成 精品 感谢下载载 4 软件设计 4 1 说明软件设计原理及设计所用工具 4 2 画出软件设计结构图 说明其功能 4 3 画出主要软件设计流程框图 无码 精品 感谢下载载 5 系统调试 无码 精品 感谢下载载 精品 感谢下载载 6 系统功能 指标参数 6 1 说明系统能实现的功能 6 2 系统指标参数测试 说明测试方法 要求有测试参数记录表 6 3 系统功能及指标参数分析 与设计要求对比进行 无码 精品 感谢下载载 7 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 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 精品 感谢下载载 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 单片机最小系统 显示部分 报警部分 AD 转换和控制部 分组成 2 数字万用表属于一种测量工具 其本身的好坏直接影响到测量结果 因此上面 的设计只是设计用来测量电压电流电