2022年简易数字万用表的方案设计书2.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录摘要 1 一设计任务 2 二系统方案 3 三理论分析与运算 4 3.1 器件的挑选与比较 4 3.2 测量电路的设计和分析 4 3.2.1 模数 A/D 转换与数字显示电路 4 3.2.2 多量程数字电压表原理 4 3.2.3 多量程数字电流表原理 5 3.2.4 电阻的测量原理 6 3.2.5 电容测量原理 7 四电路设计与程序设计 8 4.1 直流电压测量电路 8 4.2 直流电流测量电路 8 4.3 电阻测量电路 9 4.4 测电容电路 9 4.5 测试切换指示电路 10 4.6 最小系统电路 10 五测试方案及结果 11 5.1 硬件调试 11 1.测试仪器 11 2.测试方法 11 5.2 软件调试 11 名师归纳总结 5.3 硬件软件联合调试11 11 第 1 页,共 19 页模块程序设计法的主要优点是：5.4 测试流程12 5.4.1 整体测试流程12 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 5.4.2 电压测试流程 12 5.4.3 电阻测量流程 13 5.4.4 电流测试流程 13 5.5 测试结果 13 5.5.1 电流测试结果 13 5.5.2 电阻测试结果 14 5.5.3 电压测试结果 14 参考文献 14 附录一： 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 转换和掌握部分组成；为使系名师归纳总结 统更加稳固,使系统整体硬件更简洁,本电路使用了STC12C5A60S2 自带的AD ,它单片第 4 页,共 19 页机 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- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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.测量范畴：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挑选,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；名师归纳总结 4. 测量精度：±5%；第 5 页,共 19 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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,针对电机掌握,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（一般 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 口驱动才能均可达到 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；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 三理论分析与运算3.1 器件的挑选与比较方案 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便利；通过分析挑选方案 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；而对数字式外表,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 如储备、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；这种情形被称为是“ 量化的” ；如最小量化单位量化台阶 为,就数字信号的大小肯定是 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 ；一般情形下,N1000 即可满意测量精度要求 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；对上述情形,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 123.4mV ；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,数字测量外表的核心是模数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,1r、 2r 为分压电阻,10U 为扩展后的量程；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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：依据欧姆定律,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 rR,取样电阻R 上的电压降为：即被测的电流为：图 3.2 电流测量原理图名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 如数字表头的电压量程为Uo,欲使电流档量程为Io,就该档的取样电阻也称分流电阻为：如 Uo=200mV ,就 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纳的是比例测量法,给电路 供应一个基准电压,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,其取用的电流可忽视不计；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,单片机依据所选通道,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,通过计数就可以运算出被测频率,再通过该频率,通过公式运算出各个电阻参数；然后依据所测频率来判定是否转换量程,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名师归纳总结 该方法是给待测电阻供应一个恒定电流,利用单片机的A/D 采集其两端的第 9 页,共 19 页电压来确定其电阻值,方式为R=U/I；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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,单片机依据所选通道,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,通过计数就可以运算出被测频率,再通过该频率,通过公式运算 出各个电阻参数；然后依据所测频率来判定是否转换量程,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 换名师归纳总结 公式为：T=0.693*R*C 第 10 页,共 19 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 四电路设计与程序设计4.1 直流电压测量电路图 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肯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（即达到测量电压的成效）；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 掌握端,通通过 A、B、 C 三端电平组合状态可以切换被测电压范畴（分别是 0-5v 、0-30v、0-125v、 0-255v）；4.2 直流电流测量电路图 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；通过挑选不同的电阻网络可以转变放大倍数；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.3 电阻测量电路图 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 掌握四个档位；4.4 测电容电路图 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,依据 3 脚输出的脉冲周期求出电容的大小；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.5 测试切换指示电路图 4.5 测试切换指示电路该电路模块主要用于指示万用表的测量模式；图中 A 端为电压检测掌握端,当 A 点为低电平常,三极管驱动继电器使得 U- 与 R/U/I 接通,即为测电压,同时电压测试指示灯亮,对应在 PCB 板湿印层标有（V）的字样；同理,B 点、 C 点分别为电流和电阻的测试答应掌握端；4.6 最小系统电路图 4.6 最小系统图名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 五测试方案及结果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,因此采纳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；在进行微机掌握系统设计时,除了系统硬件设计外,大量的工作就是如何依据每个产 生对象的实际需要设计应用程序；因此,软件设计在微机掌握系统设计中占重要位置；对 于本系统,软件更为重要；在单片机掌握系统中,大体上可分为数据处理、过程掌握两个 基本类型；数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等；过程掌握程序主要是使 单片机按肯定的方法进行运算,然后再输出,以便掌握生产；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如干个部分,每一部分叫做一个模块；所谓“ 模块” ,实质上就是所完成肯定功能,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；模块程序答应设计者分割任务和利用已有程序,为设计者供应便利；模块程序简洁性为观看者带来便利；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5.4 测试流程5.4.1 整体测试流程图 5.1 整体测试流程图5.4.2 电压测试流程图 5.2 电压测量流程图名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5.4.3 电阻测量流程图 5.3 电阻测量流程图5.4.4 电流测试流程图 5.4 电流测试流程图5.5 测试结果5.5.1 电流测试结果表 一名师归纳总结 待测电流测量电流误差第 16 页,共 19 页10mA 10mA 0 50mA 52mA 4% 100mA 101mA 1% - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 5.5.2 电阻测试结果表 二待测电阻（ ）R1R2R3R4R5R5实际值5 220 1k 5.1k 100k 9M 测量值4.8 220 999 4.9k 99k 9.1M 误差4% 0% 0.1% 3.9% 1% 0.1% 5.5.3 电压测试结果表 三待测电压（ V）V 1V 2V 3V 4V 5V 6实际值0.01 2 10 20 30 50 测量值0.01 2.01 9.8 19.9 29.8 50 误差0% 0.5% 2% 0.5% 0.7% 0% 参考文献名师归纳总结 1.李昌喜 智能外表原理与设计化学工业出版社 2005 年 2 月第 17 页,共 19 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2.林家儒 电子电路基础（其次版）北京邮电高校出版社 2006 年 5 月3. 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 电子工业出版社4. 阎石 数字电子技术基础 高等训练出版社 1998 年 12 月5. 丁元杰 单片微机原理及应用 机械工业出版社 2005 年 7 月6. 李昌喜 智能外表原理与设计 化学工业出版社 2005 年 2 月附录一：AD 转换程序：名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - void initADC /ADC 运用初始化； P1ASF=0X07 ；AUXR1=0Xfb&AUXR1； /挑选 8 路 ADC ；ADC_RES=0 ；ADC_RESL=0 ； /清空数值寄存器 /*ADC 转换函数 * */ uint GetADCuchar ch /写入相应IO 口并且返回一个转换值； uint dat；ADC_CONTR=0X88|ch ； /设置ADC_CONTR寄存器相应的开关,ch 为选择哪路；delay_ms2；while.ADC_CONTR&0X10；/读取标志位,判定是否转换完毕；ADC_CONTR&=0x7f；/清除标志位；dat=ADC_RES ；dat=dat<<2|ADC_RESL ；/取出 10 位转换值；return dat；/返回值； 名师归纳总结 - 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