基于单片机的数字万用表设计

1 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 摘 要 本次设计用单片机芯片 AT89C52 设计一个数字万用表 能够测量直流电压 值 直流电流 直流电阻 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 AT89C52 单片机作为主控 芯片 驱动液晶显示管显示 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 AT89C52 单片机 AD 转换与控制 AbstractAbstract This design is design a digital universal meter with chip AT89C52 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 AT89C52 one chip computer as the top management chip urge 4 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 Keyword Digital universal meter AT89S52 one chip computer AD changes and controls 2 1 设计背景设计背景 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 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 5V 20V 实现多级量程的直流电流测量 其量 程范围是 2mA 20mA 200mA 实现多级量程的电阻测量 其量程范围是 200 1k 10k 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 设计任务三 设计任务 3 1 设计目的 采用 8 位 8 路 A D 转换器 ADC0809 和 AT89S52 单片机 设计一台数字多 用表 能进行电压 电流和电阻的测量 测量结果通过液晶显示管显示 通过 按键进行测量功能转换 3 2 设计指标及要求 电压测量范围 0 5 0 20V 电流测量范围 1 2 1 20 1 200mA 电阻测 量范围 0 200 0 1K 0 10K 四 设计思路与总体框图四 设计思路与总体框图 4 1 设计思路 首先利用 P0 口数据地址复用 将地址通过 P0 口输入到单片机中 再利用 模数转换将模拟信号转换成数字信号 再次利用 P0 口将其输入到单片机 最后 充分利用单片机强大的运算转化功能将其转成适当的二进制信号控制数显以确 保正确的显示被测量的读数 4 2 总体框图 3 89S52 振荡电路 复位电路 ADC0809 液晶显示管 显示 待测电阻电路 阻 待测电流电路 待测电压电路 图 1 1 五 五 MCUMCU 主控制器的选择与论证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 六 六 A DA D 转换器的选择与论证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 方案二 此方案选用双积 A D 转换器 AD0809 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 4 ST ST EOC O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O0 OE clock OUT1 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF 12 VREF 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 OUT5 8 EOC 7 OE 9 CLOCK 10 OUT2 20 OUT7 14 OUT6 15 OUT8 17 OUT4 18 OUT3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 U3 ADC0808 5V GND av 图 2 1 AD 转换电路 七 七 测量电路的选择与论证测量电路的选择与论证 7 1 电阻测量 图 1 所示为数字多用表的电阻测量输入电路 运算放大器的反馈电阻 R 作 x 为待测量电阻 通过 R14 R2 R15 及多路开关接到电源 5V 假定运算放大器 理想 那么放大器的输出电压 RV 将 RV 送给 ADC0809 转换后得到 R Rx 5 数字量为 DV 单片机读取 A D 转换数据 再经过逆向运算可得 5 255 RV R 注意此时得到的 R 为二进制数 需要转化为十进制数后才能 x255 19 RDV x 送给液晶显示管显示 程序中采用 4 字节专利号除法 连续进行 4 次除以 10 的 除法 为使电路所求电阻更加精确 故采用了一个单刀三掷开关 当所测电阻 处于千欧级别时 闭合开关一 由所得电压得出待测电阻 当待测电阻处于 200 至一千欧时 如果再次以 10 千欧作为比例电阻 则所测待测电阻准确度大 大下降 顾此时应闭合开关二 以一千欧电阻作为比例电阻 可大大扩大所测 电阻精度 同理当所测电阻为 0 至 200 欧时 闭合开关三 此时所测电阻才能 更加精确 5 5V R2 1k 2 待测电阻 10k 12V 12V 88 8 Volts 3 2 1 411 U1 A LM324 R15 200 R14 10k 图 1 电阻测量原理图 7 2 电压测量输入电路 图 3 所示为数字多用表的电压测量输入电路 待测电压经过低通滤波器滤 除高频干扰 再送给 ADC0809 电压测量范围为 0 5 0 20V ADC0809 的分辨 率为 8 位 当待测电压为为 0 5V 关闭开关一 经过滤波电路后此时输出的电压 VV Vx 将 VV 送给 ADC0809 转换后得到数字量为 DV 单片机读 5 255 VV 取 A D 转换数据 再经过逆向运算可得 Vx 注意此时得到的 Vx 为二进制 255 VV 数 需要转化为十进制数后才能送给液晶管显示 当电压为 5 20V 时 因为 AD0809 的工作电压为 5V 所以需降压 闭合开关二 输出的电压为待测电压 的五分之一 6 VV R3 4k R4 1k R5 10k R6 10k R7 10k R3 1 C6 0 1uF C7 0 1uF 12V 12V 88 8 Volts 3 2 1 411 U1 A LM324 图二 直流电压的测量 7 3 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 如下图为直流电流的测量原理图 当输入一个电流 时 先判断待测电流大概在哪个范围内 然后根据下图中的开关 来控制待测 电流的精确度和准确度 如输入一个待测电流时 集成运放正相端电压即为 V R Ix 同时此电流也经过一个交流滤波电路 滤除交流成分 由于 V 最大 值为 0 2V 比较小 若直接输出 则误差较大 因此进行同相放大 4 倍 使输 出的电压大大提高 从而使输出的电流更加准确 从运放端输出的电压 IV V 4 将 IV 送给 ADC0809 转换后得到数字量为 DV 单片机读取 5 255 IV A D 转换数据 再经过逆向运算可得 Ix 注意此时得到的 Vx 为二进制数 255 VV 需要转化为十进制数后才能送给液晶显示管显示 根据不同的开关可得到在不 同范围内待测电流值 7 20mA200mA2mA AV R8 90 R9 9 R10 1 OFFON 1 2 3 4 5 DSW2 DIPSWC 4 10 9 8 411 U1 C LM324 12V 12V 88 8 Volts DSW2 NO C8 22 3pF R11 470K R12 4k R13 20k 7 4 蜂鸣器的设置 如下图所示 为报警部分 当万用表的外接部分短接时 则电路出现高电 平 此时蜂鸣器发出声音 P1 7 GND Q1 2N3053 LS1 SPEAKER 图四 蜂鸣器的设计 8 八 结论和体会八 结论和体会 8 1 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 3 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 4 在本次软件设计过程中 采用的是 c 语言 5 对于硬件的制作 由于布线麻烦等原因 做起来复杂 对 Proteus 仿真软件使用不熟练 使画仿真图时遇到不少问题 51 单片机基础知识不扎实 电路分析遇到比较多的问题 捍接也很难 以致未能完全实现设计报告要求 8 2 体会 这次课程设计暴露出了很多问题 但在做课程设计的过程中也学到了很多 东西 比如查阅资料 动手焊接万用板等等 这些都是平时很少做的 此次课 程设计让我对基于单片机的 c 语言有了新的认识 另外对于电子设计也有基本 的了解 这会让我在以后更能有效地去学习这方面的知识 对单片机学习有很 大的助益 也在激励我们多动手 从实践中去获取新知识 附录一附录一 电路图仿真图 图电路图仿真图 图 2 1 9 ST ST EOC O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O0 OE OE EOC ST P1 7 K1 K2 K3 K1 K2 K3 O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 VCC ale clock ale clock XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 U1 80C52 C1 33pF C2 33pF X1 CRYSTAL GND C3 10u R1 10k OUT1 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF 12 VREF 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 OUT5 8 EOC 7 OE 9 CLOCK 10 OUT2 20 OUT7 14 OUT6 15 OUT8 17 OUT4 18 OUT3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 U3 ADC0808 5V C4 0 1uF C5 10u VCC Q1 2N3053 LS1 SPEAKER 电压 电阻 电流 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 GND GND R3 4k R4 1k R5 10k R6 10k R7 10k R3 1 C6 0 1uF C7 0 1uF 12V 12V Volts 1 44 GND 5 6 7 411 U1 B LM324 D 2 Q 5 CLK 3 Q 6 S 4 R 1 U4 A 74LS74 D 12 Q 9 CLK 11 Q 8 S 10 R 13 U4 B 74LS74 GND GND GND av av 5V D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD1 LM016L A1 A2 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 B1 B2 B3 B2 B1 B3 20mA200mA GND SPEAKER 5V R2 1k 2 待测电阻 10k 12V 12V Volts 0 00 3 2 1 411 U1 A LM324 R15 200 R14 10k R8 90 R9 9 R10 1 10 9 8 411 U1 C LM324 12V 12V Volts 0 01 1 C8 22 3pF R11 470K R12 4k R13 20k 图 2 1 程序程序 include include include include define define uintuint unsignedunsigned intint define define ucharuchar unsignedunsigned charchar 10 ucharuchar codecode table vAmA table vAmA uintuint i j i j sbitsbit ST P2 0 ST P2 0 sbitsbit EOC P2 1 EOC P2 1 sbitsbit OE P2 2 OE P2 2 sbitsbit k1 P1 0 k1 P1 0 sbitsbit k2 P1 1 k2 P1 1 sbitsbit k3 P1 2 k3 P1 2 sbitsbit x1 P2 4 x1 P2 4 sbitsbit x2 P2 5 x2 P2 5 sbitsbit x3 P2 6 x3 P2 6 sbitsbit E P1 5 E P1 5 sbitsbit RS P1 4 RS P1 4 sbitsbit RW P1 3 RW P1 3 voidvoid delay delay nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop voidvoid Delay uintDelay uint i i uintuint x j x j for j 0 j i j for j 0 j i j for x 0 x 148 x for x 0 x 148 x bitbit Busy void Busy void 11 bitbit busy flagbusy flag 0 0 RSRS 0 0 RWRW 1 1 E E 1 1 Delay 5 Delay 5 busy flagbusy flag bit P3 bit P3 0 x80 E E 0 0 returnreturn busy flag busy flag voidvoid wcmd ucharwcmd uchar del del while Busy while Busy RSRS 0 0 RWRW 0 0 E E 0 0 Delay 5 Delay 5 P3P3 del del Delay 5 Delay 5 E E 1 1 Delay 5 Delay 5 E E 0 0 voidvoid wdata ucharwdata uchar del del while Busy while Busy RSRS 1 1 RWRW 0 0 E E 0 0 Delay 5 Delay 5 P3P3 del del Delay 5 Delay 5 E E 1 1 Delay 5 Delay 5 E E 0 0 voidvoid L1602 init void L1602 init void wcmd 0 x38 wcmd 0 x38 12 Delay 5 Delay 5 wcmd 0 x38 wcmd 0 x38 Delay 5 Delay 5 wcmd 0 x38 wcmd 0 x38 Delay 5 Delay 5 wcmd 0 x38 wcmd 0 x38 wcmd 0 x08 wcmd 0 x08 wcmd 0 x0c wcmd 0 x0c wcmd 0 x04 wcmd 0 x04 wcmd 0 x01 wcmd 0 x01 voidvoid L1602 char ucharL1602 char uchar hang ucharhang uchar lie charlie char sign sign ucharuchar a a if hangif hang 1 1 a a 0 x80 0 x80 if hangif hang 2 2 a a 0 xc0 0 xc0 a a a a lielie 1 1 wcmd a wcmd a wdata sign wdata sign voidvoid main main uintuint a1 a2 a3 a4 a1 a2 a3 a4 ucharuchar add add while 1 while 1 ST 0 ST 0 OE 0 OE 0 P0 0 xff P0 0 xff ST 1 ST 1 nop nop nop nop nop nop ST 0 ST 0 nop nop nop nop nop nop nop nop while EOC 0 while EOC 0 OE 1 add P0 OE 1 add P0 nop nop OE 0 OE 0 Delay 30 Delay 30 L1602 init L1602 init if k2 0 if k2 0 13 Delay 10 Delay 10 if k2 0 if k2 0 if x1 0 if x1 0 Delay 10 Delay 10 if x1 0 if x1 0 a1 add 20 1000 a1 add 20 1000 a2 add 20 1000 100 a2 add 20 1000 100 a3 add 20 100 10 a3 add 20 100 10 a4 add 20 10 a4 add 20 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 9 table a3 if x2 0 if x2 0 a1 add 10 1000 a1 add 10 1000 a2 add 10 1000 100 a2 add 10 1000 100 a3 add 10 100 10 a3 add 10 100 10 a4 add 10 10 a4 add 10 10 L1602 char 2 8 table 10 L1602 char 2 8 table 10 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 7 table a2 L1602 char 2 7 table a2 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 9 table a3 if k3 0 if k3 0 if x1 0 if x1 0 a1 add 2 1000 a1 add 2 1000 a2 add 2 1000 100 a2 add 2 1000 100 a3 add 2 100 10 a3 add 2 100 10 a4 add 2 10 a4 add 2 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 6 table a1 14 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 10 table a4 L1602 char 2 10 table a4 if x2 0 if x2 0 a1 add 5 1000 a1 add 5 1000 a2 add 5 1000 100 a2 add 5 1000 100 a3 add 5 100 10 a3 add 5 100 10 a4 add 5 10 a4 add 5 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 9 table a3 if x3 0 if x3 0 a1 add 50 1000 a1 add 50 1000 a2 add 50 1000 100 a2 add 50 1000 100 a3 add 50 100 10 a3 add 50 100 10 a4 add 50 10 a4 add 50 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 10 table a4 L1602 char 2 10 table a4 if k1 0 if k1 0 if x1 0 if x1 0 a1 add 2 5 1000 a1 add 2 5 1000 a2 add 2 5 1000 100 a2 add 2 5 1000 100 a3 add 2 5 100 10 a3 add 2 5 100 10 a4 add 2 5 10 a4 add 2 5 10 L1602 char 2 8 table 10 L1602 char 2 8 table 10 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 7 table a2 L1602 char 2 7 table a2 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 9 table a3 if x2 0 if x2 0 15 a1 add 4 1000 a1 add 4 1000 a2 add 4 1000 100 a2 add 4 1000 100 a3 add 4 100 10 a3 add 4 100 10 a4 add 4 10 a4 add 4 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 7 table 10 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 8 table a2 L1602 char 2 9 table a3 L1602 char 2 9 table a3 if x3 0 if x3 0 a1 add 80 1000 a1 add 80 1000 a2 add 80 1000 100 a2 add 80 1000 100 a3 add 80 100 10 a3 add 80 100 10 a4 add 80 10 a4 add 80 10 L1602 char 2 9 table 10 L1602 char 2 9 table 10 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 6 table a1 L1602 char 2 7 table a2 L1602 char 2 7 table a2 L1602 char 2 8 table a3 L1602 char 2 8 table a3 L1602 char 2 10 table a4 L1602 char 2 10 table a4 附录二 主要元器件功能介绍附录二 主要元器件功能介绍 1 AT89S52 芯片功能特性描述芯片功能特性描述 AT89S52 引脚框图 16 图 2 12 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 0Hz 33Hz 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 9 全双工 UART 串行通道 10 低功耗空闲和掉电模式 l 1 掉电后中断可唤醒 l2 看门狗定时器 13 双数据指针 l 4 掉电标识符 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 17 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 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p1 输出缓冲 器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉 高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部 电阻的原因 将输出电流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的 外部计数输 P1 0 T2 和时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 具体如下表 所示 在 flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 表 2 1 P1 口的第二功能 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲 器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉 高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部 电阻的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外 部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种 应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P