基于单片机的数字万用表设计-电气自动化毕业设计.doc

xx职业学院 毕业设计（论文）题 目： 系 部： 电子工程系 专 业： 电气自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲师 二O一四年一月八日摘 要本设计采用单片机芯片AT89S52设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值、直流电流值、电阻值。并以四位数码显示数值。此系统由分流部分、分压部分、基准电阻部分、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD转换部分组成。本设计使用AD0809进行模数转换，采用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，采用芯片TEC6122驱动8位数码管显示。关键词：数字万用表，AT89S52，单片机，AD转换与控制AbstractThis design is design a digital universal meter with chip AT89s51 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 AT89S52 one-chip computer as the top management chip, the electricity is restored to the throne the circuit and 11.0592MHZ and shaken the circuit to match on RC, show that the chip uses TEC6122, urge 8 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 目 录1 绪论12 数字万用表总体设计方案22.1数字万用表的硬件系统设计总体框架图22.2数字万用表的基本原理33 硬件电路设计方案73.1数字万用表的硬件设计83.2 数字万用表控制硬件144 系统软件与流程图144.1 系统流程总图144.2物理量采集处理流程155 结论156 致谢16参考文献171 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，采用单片机的数字万用表，精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字万用表，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）显示位数数字万用表的显示位数通常为3位半到8位半。3）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定差距，也反映了测量误差的大小，准确度越高，测量误差越小。数字万用表的准确度远远优于指针万用表。4）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。5）测试功能强数字万用表不仅仅可以测量直流电压（DCV）、交流电压（ACV）、直流电流（DCA）、交流电流（ACA）、电阻（）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。6）测量范围宽数字万用表可满足常规电子测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。7）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。8）输入阻抗高数字万用表电压挡具有很高的输入阻抗，通常为10-10000M，从被测电路上吸取的电流小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。9）集成度高，微功耗新型数字万用表普遍采用CMOS大规模集成电路的A/D转换器，整机功耗很低，3位半，4位半手持式数字万用表的整机功耗仅几十毫瓦，可用9V叠层电池供电。10）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。 数字万用表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量，已被广泛应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，示出强大的生命力。随着时代科技的进步，数字万用表的功能越来越强大，把电量及非电量的测量技术提高到崭新水平。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，能够测量交、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200mv、2v ,20v,200v和500v.实现多级量程的交流电压测量，其量程范围是200mv、2v ,20v,200v和500v.实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是2mA ，20mA，200mA、2A和20A.实现多级量程的电阻测量，其量程范围是200、2k ,20k,200k和2M。”以及电容测量电路。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。本设计重点要解决的问题是对不同量程的各种测量内容的转换，还有就是各部分电路组合成一个完整的数字万用表，而难点解决的问题就是程序的设计，要保正其可行性从而保证设计的正确性。2 数字万用表总体设计方案 2.1数字万用表的硬件系统设计总体框架图如下图1所示，本万用表由以下几部分功能组成，复位电路、震荡电路、ADC输入、被测量显示、超限报警、ADC使能控制。复位电路用来清零，进行下一次的测量；震荡电路用来消除一些外来干扰，使电路工作更加稳定；ADC输入则是将输入量进行AD转换；测量显示就是显示测量的数值；超限报警部分则是用作当测量量超出量程范围时发出警报，以便提醒用户更改大量程；ADC使能控制则用来对输入量进行控制，允许输入或者不允许。 复位电路震荡电路AD输入被测量显示超限报警ADC使能控制89S52图1 总体电路设计原理图 2.2数字万用表的基本原理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。图2数字万用表的基本组成下面我们分别介绍各个部分的组成：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，N1000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(3.5)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-199.9199.9 mV的电压，显示精度为0.1 mV。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。实际数字万用表的直流电压档电路为图3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3 使用分压电路例如：其中200V档的分压比为(R4+R5)/ (R1+R2+R3+R4+R5)=10k/10M=0.001 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R总=R1+R2+R3+R4+R5=10M （1） 再计算2000V档的电阻R5=0.0001R总=1K （2） 再逐档计算R4、R5、R2、R1。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。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。多量程分流器原理电路见图4。 图4多量程分流器原理电路图4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R5R5=U0/Im5=0.2/2=1() 再计算下一档的R4R4=U0/Im4-R5=0.2/0.2-0.1=0.9() （3）依次可计算出R5、R2和R1图5 AC-DC变换器原理简图图中的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0.7V)，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9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6。 由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻R0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URFE和输入电压UIN图6 电阻测量电路有如下关系： Uref/Uin=R0/Rx即Rx=Uref*R0/Uin （4） 根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与URFE的比值，当Uin =Uref时显示“1000”， Uin=0.5UrefE时显示“500”，以此类推。所以，当RX=R0时，表头将显示“1000”，当Rx=0.5R0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R01=100，小数点定在十位上。当Rx=100时，表头就会显示出100.0。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.1测到199.9。又如对2K档，取R02=1K，小数点定在千位上。图7万用表多量程电阻档电路当Rx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7。由上分析可知，R1=R01=10 （5）R2=R02-R01=1000-100=9 （6）R3=R03-R02=10k-1k=9k （7）图7中由正温度系数（PTC）热敏电阻R1与晶体管T组成了过压保护电路，以防误用电阻档去测量高电压时损坏集成电路。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 硬件电路设计方案用单片机AT89S52与ADC0809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。3.1数字万用表的硬件设计1). 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，电压衰减影响比较小，输出稳定，电路如下图。图8 电源电路在图8的电路里稳压器7805的压降是2.5V，偏移电流是6mA，我们需要的电压是5V，电路提供的电压是9V，则电阻承担的电压为1.5V，由此得 R=U/I=(9-5-2.5)V/6mA=200 （8）2). 输入端图9 万用表正表笔输入端电路被测量的量的输入端经过表笔流经保险丝，这样做是为了起到保护作用,防止过压过流而烧坏元器件后面接2个二极管。3). 分流电阻图10 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。4).分压电阻图11 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。5). 基准电阻图12 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 ，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。6). 交直流处理电路图13 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。7). ADC部分图14 ADC0809转换电路由于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/256*Vref)8). 报警部分图15 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。9). 单片机最小系统 图16 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。10). 显示电路图17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。11). 量程选择控制电路图18 物理量量程选择电路通过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。12). 开关电路图19 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 数字万用表控制硬件此工作当然是要求在正确的程序都写入了各个芯片中才能完成工作，如上图3.12所示，当开关要测量电压、电流或者电阻时，则根据不同的量程需要分别选择不同的量程开关，于便得到最准确的测量数据。AT89s52的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。ADC0809将测量的量转换成单片机能识别的量之后由所给程序控制输出，再送到显示芯片显示。显示芯片根据显示程序显示内容。本设计的原来要求是4位数码显示，但考虑到芯片TEC6122是驱动8位数码显示的，所以上面图中数码管TYP2不接上也是满足设计要求的，接上去只是满足芯片的8位驱动。4 系统软件与流程图在系统软件与流程图里主要论述了，软件结构，软件设计等。4.1 系统流程总图图20系统总流程图4.2物理量采集处理流程 图21物理量采集处理流程5 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。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阻，其它量的测量则要添加扩展功能。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/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，采用的是汇编语言。5）. 对于硬件的制作，由于布线麻烦，零件买不到，还有成本太高等原因，做起来复杂，焊接也很难，以致未能做出实物。6 致谢经过几个月的努力，毕业设计基本完成了。在毕业设计的实践中，学到很多有用的知识，也积累了宝贵的经验。在此要特别感谢指导老师，在做设计期间得到老师的精心指导，他对我们要求非常严格。毕业设计的顺利完成离不开老师的帮助的。同时感谢身边的同学，他们为我提供了很多宝贵的资料。本次毕业设计自始至是在他们的指导和帮助下完成的,在此再一次向他们致以深深的敬意和感谢!同时由于自己本身对一些知识的掌握不是很深刻，设计难免会出现一些漏洞，虽然设计做的不是很完美，但是毕竟这是自己认认真真做出来的。希望各位老师给予指正。同时感谢母校对我四年来的教育和关心，在这里我不仅学到了专业知识，还学到了很多做人的道理。使我明确了以后的方向，树立了良好的价值观，在这里学到的一切都使我终身受益。再次衷心感谢所有关心和帮助过我的老师和同学，谢谢你们! 参考文献1 丁元杰. 单片微机原理及应用【M】.北京： 机械工业出版社 2005年7月2 张伟, 王力. protel2004入门与提高【M】.北京： 人民邮电出版社 2005年11月3 常健生.检测与转换技术【M】.北京： 机械工业出版社 2000年2月4 阎石. 数字电子技术基础【M】. 北京：高等教育出版社 1998年12月5 童诗白. 模拟电子技术基础【M】. 北京：高等教育出版社 2001年6 李伯成. 微型计算机原理与接口技术【M】.北京：清华大学出版社 2005年1月7 李昌喜. 智能仪表原理与设计【M】.北京： 化学工业出版社 2005年2月8 Luke Welling, (2002) Delphi and MySQL Web Development, Third Edition 9 Roberto Cristi,(2003) Modern Digital Signal Processing10AhoAV,HopcroftJE,UllmanJD.DataStructuresandAlgorithms.Addison-WeslePublishing Company,inc.,198611 Boerstler D W.A low-jitter PLL clock generator for microprocessors with lock range of 340 612MHz. 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