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。关键词数字万用表AT89C52单片机AD转换与控制ABSTRACTTHISDESIGNISDESIGNADIGITALUNIVERSALMETERWITHCHIPAT89C52OFONECHIPCOMPUTER,CANMEASUREANDHANDIN,DIRECTCURRENTPRESSINGVALUE,DIRECTCURRENTFLOW,THEDIRECTCURRENTISHINDERED,FOURNUMBERSSHOWTHISSYSTEMISSHUNTEDRESISTANCE,RESISTANCEOFPARTIALPRESSURE,BASICRESISTANCE,MINIMUMSYSTEMOF51ONECHIPCOMPUTERS,SHOWNTHATSOME,WARNINGPART,ADCHANGEANDCONTROLMAKINGUPPARTLYINORDERTOMAKETHESYSTEMMORESTEADY,MAKETHEWHOLEPRECISIONOFTHESYSTEMBEENSURED,THISCIRCUITHASUSEDAD0809DATATOCHANGETHECHIP,THEONECHIPCOMPUTERSYSTEMISDESIGNEDTOADOPTAT89C52ONECHIPCOMPUTERASTHETOPMANAGEMENTCHIP,URGE4NUMBERSTOBEINCHARGEOFSHOWINGTHEEVERYEXECUTIONCYCLECONSUMINGTIMEOFPROCEDURECONTRACTSTOGETSHORTEST,INTHISWAYTHEREALTIMECHARACTEROFTHESECURITYSYSTEMKEYWORDDIGITALUNIVERSALMETERAT89S52ONECHIPCOMPUTERADCHANGESANDCONTROLS21、设计背景数字万用表亦称数字多用表,简称DMMDIGTIALMULTIMETER。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31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。32设计指标及要求电压测量范围05，020V，电流测量范围12，120，1200MA，电阻测量范围0200,01K,010K。四、设计思路与总体框图41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。42总体框图389S52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11五、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MCS51指令集完全兼容的CIP51内核，但其同样时钟下运行速度和抗干扰能力军比普通80518位单片机要高，而且开发环境是我们很熟悉的KEILC51,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、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。4STSTEOCO1O2O3O4O5O6O7O0OECLOCKOUT121ADDB24ADDA25ADDC23VREF12VREF16IN31IN42IN53IN64IN75START6OUT58EOC7OE9CLOCK10OUT220OUT714OUT615OUT817OUT418OUT319IN228IN127IN026ALE22U3ADC08085VGNDGNDAV图21AD转换电路七、测量电路的选择与论证71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RX5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52RVR，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X219DX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。55VR21K2待测电阻10K12V12V88VOLTS32141U1ALM324R1520R1410K图1电阻测量原理图72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05,020V，ADC0809的分辨率为8位当待测电压为为05V,关闭开关一，经过滤波电路后此时输出的电压VVVX,将VV送给ADC0809，转换后得到数字量为DV。单片机读52V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25数，需要转化为十进制数后才能送给液晶管显示。当电压为520V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。6VR34KR41KR510KR610KR710KR31C601UFC701UF12V12V88VOLTS32141U1ALM324图二直流电压的测量73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VRIX,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02V，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IVV4，将IV送给ADC0809，转换后得到数字量为DV。单片机读取52IVA/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，25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。720MA20MA2MAAVR890R99R101OFON12345DSW2DIPSWC_4109841U1CLM32412V12V88VOLTSDSW2NOC823PFR1470KR124KR1320K74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。P17GNDQ12N3053LS1SPEAKER图四蜂鸣器的设计8八、结论和体会81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VREFVCC，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/256VREF；AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和110592MHZ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。82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。附录一电路图仿真图（图21）9STSTEOCO12O34O56O70OEOECSTP17K12K3K1K2K3O01O23O45O67VCALECLOCKALECLOCKXTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0/AD0391/18P02/AD2373/36P04/AD4355/54P06/AD637/72P27/A1528P20/A8211/9P2/A0233/14P24/A2255/1366/47P10/T2/EXP1234P14556P16778P30/RXD101/TP32/IN012/IT13P34/014P37/RD176/W65/T15U180C52C13PFC23PFX1CRYSTALGNDC310UR110KOUT121ADB24A5C3VREF126IN31I42IN53I64IN75START6OUT58EOC7OE9CLOCK1020OUT714658741OUT39I228IN17I026ALE2U3ADC085VC401UFC510UVCQ12N3053LS1SPEAKER电压电阻电流234567891RP1ESACK8GNDGNDR34KR41KR510KR610KR710KR31C601UFC701UF12V12VVOLTS14GND56741U1BLM324D2Q5CLK3Q6S4R1U4A74LS74D12Q9CLK1Q8S10R13U4B74LS74GNDGNDGNDAVAV5VD71463D5124D31029D1807E6RW5S4VS1D2VE3LCD1LM016LA12A87A65A43A12A34A56A78B1B2B3B21B320MA20MAGNDLS1SPEAKER5VR21K2待测电阻10K12V12VVOLTS032141U1ALM324R520R1410KR890R99R101109841U1CLM32412V12VVOLTS011C823PFR1470KR124KR320K图21程序INCLUDEINCLUDEDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHAR10UCHARCODETABLE“0123456789VAMA“UINTI,JSBITSTP20SBITEOCP21SBITOEP22SBITK1P10SBITK2P11SBITK3P12SBITX1P24SBITX2P25SBITX3P26SBITEP15SBITRSP14SBITRWP13VOIDDELAY_NOP_NOP_NOP_NOP_NOP_VOIDDELAYUINTIUINTX,JFORJ0JIJFORX0X148XBITBUSYVOID11BITBUSY_FLAG0RS0RW1E1DELAY5BUSY_FLAGBITP3E0RETURNBUSY_FLAGVOIDWCMDUCHARDELWHILEBUSYRS0RW0E0DELAY5P3DELDELAY5E1DELAY5E0VOIDWDATAUCHARDELWHILEBUSYRS1RW0E0DELAY5P3DELDELAY5E1DELAY5E0VOIDL1602_INITVOIDWCMD0X3812DELAY5WCMD0X38DELAY5WCMD0X38DELAY5WCMD0X38WCMD0X08WCMD0X0CWCMD0X04WCMD0X01VOIDL1602_CHARUCHARHANG,UCHARLIE,CHARSIGNUCHARAIFHANG1A0X80IFHANG2A0XC0AALIE1WCMDAWDATASIGNVOIDMAINUINTA1,A2,A3,A4UCHARADDWHILE1ST0OE0P00XFFST1_NOP_NOP_NOP_ST0_NOP_NOP_NOP_NOP_WHILEEOC0OE1ADDP0_NOP_OE0DELAY30L1602_INITIFK2013DELAY10IFK20IFX10DELAY10IFX10A1ADD20/1000A2ADD201000/100A3ADD20100/10A4ADD2010L1602_CHAR2,7,TABLE10L1602_CHAR2,6,TABLEA1L1602_CHAR2,8,TABLEA2L1602_CHAR2,9,TABLEA3IFX20A1ADD10/1000A2ADD101000/100A3ADD10100/10A4ADD1010L1602_CHAR2,8,TABLE10L1602_CHAR2,6,TABLEA1L1602_CHAR2,7,TABLEA2L1602_CHAR2,9,TABLEA3IFK30IFX10A1ADD2/1000A2ADD21000/100A3ADD2100/10A4ADD210L1602_CHAR2,7,TABLE10L1602_CHAR2,6,TABLEA114L1602_CHAR2,8,TABLEA2L1602_CHAR2,9,TABLEA3L1602_CHAR2,10,TABLEA4IFX20A1ADD/5/1000A2ADD/51000/100A3ADD/5100/10A4ADD/510L1602_CHAR2,7,TABLE10L1602_CHAR2,6,TABLEA1L1602_CHAR2,8,TABLEA2L1602_CHAR2,9,TABLEA3IFX30A1ADD/50/1000A2ADD/501000/100A3ADD/50100/10A4ADD/5010L1602_CHAR2,7,TABLE10L1602_CHAR2,6,TABLEA1L1602_CHAR2,8,TABLEA2L1602_CHAR2,9,TABLEA3L1602_CHAR2,10,TABLEA4IFK10IFX10A1ADD2/5/1000A2ADD2/51000/100A3ADD2/5100/10A4ADD2/510L1602_CHAR2,8,TABLE10L1602_CHAR2,6,TABLEA1L1602_CHAR2,7,TABLEA2L1602_CHAR2,9,TABLEA3IFX2015A1ADD4/1000A2ADD41000/100A3ADD4100/10A4ADD410L1602_CHAR2,7,TABLE10L1602_CHAR2,6,TABLEA1L1602_CHAR2,8,TABLEA2L1602_CHAR2,9,TABLEA3IFX30A1ADD80/1000A2ADD801000/100A3ADD80100/10A4ADD8010L1602_CHAR2,9,TABLE10L1602_CHAR2,6,TABLEA1L1602_CHAR2,7,TABLEA2L1602_CHAR2,8,TABLEA3L1602_CHAR2,10,TABLEA4附录二主要元器件功能介绍1、AT89S52芯片功能特性描述AT89S52引脚框图16图212AT89S52芯片引脚图AT89S52主要性能1、与MCS51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0HZ33HZ5、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L1、掉电后中断可唤醒L2、看门狗定时器13、双数据指针L4、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172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，P10和P12分别作定时器/计数器2的外部计数输（P10/T2）和时器/计数器2的触发输入（P11/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21P1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MOVXDPTR）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MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口P3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P3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）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在FLASH编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。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