简易数字万用表的设计

20132013 年江西省大学生电子设计年江西省大学生电子设计 简易数字万用表 C 题 2013 年 5 月 28 日 1 目 录 摘 要 0 一 设计任务 1 二 系统方案 2 三 理论分析与计算 3 3 1 器件的选择与比较 3 3 2 测量电路的设计和分析 3 3 2 1 模数 A D 转换与数字显示电路 3 3 2 2 多量程数字电压表原理 3 3 2 3 多量程数字电流表原理 4 3 2 4 电阻的测量原理 5 3 2 5 电容测量原理 5 四 电路设计与程序设计 6 4 1 直流电压测量电路 6 4 2 直流电流测量电路 6 4 3 电阻测量电路 7 4 4 测电容电路 7 4 5 最小系统电路 8 五 测试方案 9 5 1 硬件调试 9 1 测试仪器 9 2 测试方法 9 5 2 软件调试 9 5 3 硬件软件联合调试 9 模块程序设计法的主要优点是 9 5 4 测试流程 10 5 4 1 整体测试流程 10 5 4 2 电压测试流程 10 5 4 3 电阻测量流程 11 2 5 4 4 电流测试流程 11 参考文献 12 摘 要 本次设计用单片机芯片 STC12C5A60S2 设计一个数字万用表 能够测量直流电压值 直流电流 直流电阻以及电容和电感 四位数码显示 此系统由分流电阻 分压电阻 基 准电阻 555 振荡电路 51 单片机最小系统 显示部分 AD 转换和控制部分组成 为使 系统更加稳定 使系统整体硬件更简单 本电路使用了 STC12C5A60S2 自带的 AD 它单 片机系统设计采用 STC12C5A60S2 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 显示用四位数码管 程序每执行周期耗时缩到最短 这样保证了 系统的实时性 关键字 数字万用表 单片机 AD 转换 1 1 一 设计任务 1 设计并制作一台支持直流电压 直流电流 电阻测量的数字万用表 2 测量范围 直流电压 0 1V 100V 直流电流 10mA 500mA 电阻 100 1M 3 使用按键或者拨码开关进行测量类型选择 并用数码管显示器显示测量 数值 发光二极管指示测量类型与单位 4 测量精度 5 2 2 二 系统方案 选用 STC12C5A60S2 单片机来制作数字万用表 STC12C5A60S2 AD PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟 机器周期 1T 的单片机 是高速 低功耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 2 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转换 250K S 针 对电机控制 强干扰场合 1 增强型 8051 CPU 1T 单时钟 机器周期 指令代码完全兼容传统 8051 2 工作电压 STC12C5A60S2 系列工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 STC12LE5A60S2 系列工作电压 3 6V 2 2V 3V 单片机 3 通用 I O 口 36 40 44 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 可 设置成四种模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏每个 I O 口驱动 能力均可达到 20mA 但整个芯片最大不要超过 55mA 4 共 4 个 16 位定时器两个与传统 8051 兼容的定时器 计数器 16 位定时器 T0 和 T1 没 有定时器 2 但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上 2 路 PCA 模块可再 实现 2 个 16 位定时器 5 2 个时钟输出口 可由 T0 的溢出在 P3 4 T0 输出时钟 可由 T1 的溢出在 P3 5 T1 输 出时钟 6 外部中断 I O 口 7 路 传统的下降沿中断或低电平触发中断 并新增支持上升沿中断的 PCA 模块 Power Down 模式可由外部中断唤醒 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 RxD P3 0 CCP0 P1 3 也可通过寄存器设置到 P4 2 CCP1 P1 4 也可通过寄存器设置到 P4 3 7 A D 转换 10 位精度 ADC 共 8 路 转换速度可达 250K S 每秒钟 25 万次 18 通用 全双工异步串行口 UART 由于 STC12 系列是高速的 8051 可再用定时器或 PCA 软件实 现多串口 3 3 三 理论分析与计算 3 1 器件的选择与比较 方案 1 选用 AT89S52 和 ADC0809 芯片 通过 ADC0809 转换芯片来对电压的采集 方案 2 选用 STC12C5A60S2 单片机 它有自带的 AD 操作起来硬件电路更方便 通过分析选择方案 2 3 2 测量电路的设计和分析 3 2 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 32 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 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 3 2 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 3 1 所示 0U 为电压表头的量程 如 200mV r 为其内阻 如 10M于 1r 2r 为分压电 阻 10U 为扩展后的量程 4 4 图 3 1 电压测量原理图 由于 r r2 所以分压比为 扩展后的量程为 3 2 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 3 2 由于 r R 取样电阻 R 上的电压降为 即被测的电流为 图 3 2 电流测量原理图 5 5 若数字表头的电压量程为 Uo 欲使电流档量程为 Io 则该档的取样电阻 也称分流电 阻 为 如 Uo 200mV 则 Io 200mA 档的分流电阻为 1R 3 2 4 电阻的测量原理 方案一 R U 转换测量法 数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法 给电路 提供一个基准电压 流过标准电 阻 Ro 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 即 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 方案二 R f 转换测量法 把电阻 R 转换成频率信号 f 转换的原理分别是 RC 振荡电路和 555 电路 单片机根据所选通道 向模拟开关送两路地址信号 取得振荡频率 作为单片 机的时钟源 通过计数则可以计算出被测频率 再通过该频率 通过公式计算 出各个电阻参数 然后根据所测频率来判断是否转换量程 或者是把数据处理 后 把电阻的值送到显示部分显示出相应的参数值 利用编程实现量程自动转 换 公式为 T 0 693 R C 方案三 基于恒流源法的转换测量法 该方法是给待测电阻提供一个恒定电流 利用单片机的 A D 采集其两端的 电压来确定其电阻值 方式为 R U I 6 6 3 2 5 电容测量原理 把电容 C 转换成频率信号 f 转换的原理分别是 RC 振荡电路和 555 电路 单片机根据所选通道 向模拟开关送两路地址信号 取得振荡频率 作为单片 机的时钟源 通过计数则可以计算出被测频率 再通过该频率 通过公式计算 出各个电阻参数 然后根据所测频率来判断是否转换量程 或者是把数据处理 后 把电阻的值送到显示部分显示出相应的参数值 利用编程实现量程自动转 换 公式为 T 0 693 R C 7 7 四 电路设计与程序设计 4 1 直流电压测量电路 R4 10K R6 47K R7 1K R8 100K R5 2K GND L1L3 L2 R1 4K7 R2 4K7 R3 4K7 5V COM Vin A B C Vout Q1 9012 Q2 9012 Q3 9012 1 2 3 4 5 6 7 P1 Header 7 图 4 1 直流电压测量电路 该电路功能为电压转换电路 主要功能是将较大的电压按一定比例转换成小电压 0 5v 再通过 Vout 将电压值转换成数字信号送到 MCU 处理并且显示出来 即达到测量电压 的效果 图中 Vin 为被测电压正输入端 COM 为被测电压地 A B C 为 MCU 的 I O 控制端 通通过 A B C 三端电平组合状态可以切换被测电压范围 分别是 0 5v 0 30v 0 125v 0 255v 4 2 直流电流测量电路 R2 5 R3 10 R1 100K 8550 1K GND VCC 1 2 3 4 5 6 P1 Header 6 A Uo Ii 5V Ii GND 图 4 2 直流电流测量电路 本电路功能是将被测直流电流或微直流电流放大并且转换成电压输出 通过选择不同 的电阻网络可以改变放大倍数 8 8 4 3 电阻测量电路 1 2 P1 Header 2 VCC L1 relay L2 relay L3 relay L4 relay 1K R1 Res2 10K R2 Res2 100K R3 Res2 R4 1M D1 4148 D4 4148 D3 4148 D2 4148 1 2 P2 Header 2 VR4 VR VR3 VR VR2 VR VR1 VR GND 1 2 3 4 P3 Header 4 Q1 9012 Q2 9012 Q3 9012 Q4 9012 1K R5 Res2 1K R6 Res2 1K R7 Res2 1K R8 Res2 D8 R D7 R D6 R D5 R 图 4 3 电阻测量电路图 此电路通过测被测电阻两端的电压 然后将此电压与相应档位的电阻两端的电压的比 值 MCU 控制四个档位 4 4 测电容电路 TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVOLT 5 THR 6 DISC 7 VCC 8 GND 1 U NE555N R 10 1 2 P Header 2 10K R Res2 C 0 1uF 1 2 P Header 2 1 2 3 4 P Header 4 图 4 4 电容测量电路图 通过 T 0 693 R C 得 C T 0 693 R 在被测端接入被测电容 根据 3 脚输出的脉冲 周期求出电容的大小 9 9 4 5 最小系统电路 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 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 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U1 STC12C560s2 a 14 b 13 c 12 d 11 e 10 f 9 g 8 dp 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 D1 R1 1K A0 1 A1 2 A2 3 OE2 4 OE3 5 OE1 6 Y7 7 GND 8 Y6 9 Y5 10 Y4 11 Y3 12 Y2 13 Y1 14 Y0 15 VDD 16 U2 MC54HC138AJ GND VCC VCC VCC a b c d e f g dp a b c d e f g dp 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 Y1 12M C2 33 C3 33 GND X1 X2 X1 X2 R2 10K C1 10uF GND VCC S1 RST RST 图 4 5 最小系统图 10 10 五 测试方案 5 1 硬件调试 测试仪器与方法 1 测试仪器 测试仪器包括数字万用表 直流稳压电源等 2 测试方法 数字万用表主要用来测试分立元件的电阻 压降等参数 以检测模块是否可行 软件 KEIL4 用于调试软件 5 2 软件调试 本程序较大且复杂 因此采用 C 语言编写 通过 keil 软件的不断调试修改 采自下而 上的调试方法 先调试功能模块电路 再调试整个系统 在调试的过程中与硬件的调试相 结合 提高了调试的效率 程序参考附录一 5 3 硬件软件联合调试 当软件和硬件的基本功能分别调试后 进行软硬件联合调试及优化 在进行微机控制系统设计时 除了系统硬件设计外 大量的工作就是如何根据每个产 生对象的实际需要设计应用程序 因此 软件设计在微机控制系统设计中占重要地位 对 于本系统 软件更为重要 在单片机控制系统中 大体上可分为数据处理 过程控制两个 基本类型 数据处理包括 数据的采集 数字滤波 标度变换等 过程控制程序主要是使 单片机按一定的方法进行计算 然后再输出 以便控制生产 为了完成上述任务 在进行 软件设计时 通常把整个过程分成若干个部分 每一部分叫做一个模块 所谓 模块 实质上就是所完成一定功能 相对独立的程序段 这种程序设计方法叫模块程序设计法 模块程序设计法的主要优点是 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试 模块可以共存 一个模块可以被多个任务在不同条件下调用 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序 为设计者提供方便 模块程序简单性为观察者带来方便 11 11 5 4 测试流程 5 4 1 整体测试流程 于 于 于 于 于