簡(jiǎn)易數(shù)字萬(wàn)用表的方案設(shè)計(jì)書11

1、目錄摘要 1一設(shè)計(jì)任務(wù) 2二系統(tǒng)方案 3 三理論分析與計(jì)算 43.1 器件的選擇與比較 43.2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)和分析 43.2.1模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路 43.2.2多量程數(shù)字電壓表原理 43.2.3多量程數(shù)字電流表原理 53.2.4電阻的測(cè)量原理 63.2.5電容測(cè)量原理 7 四電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì) 84.1直流電壓測(cè)量電路 84.2直流電流測(cè)量電路 84.3電阻測(cè)量電路 94.4測(cè)電容電路 94.5測(cè)試切換指示電路 104.6最小系統(tǒng)電路 10 五測(cè)試方案及結(jié)果 115.1 硬件調(diào)試 111.測(cè)試儀器 112.測(cè)試方法 115.2 軟件調(diào)試 115.3 硬件軟件聯(lián)合調(diào)試 11 模

2、塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是： 115.4測(cè)試流程 125.4.1 整體測(cè)試流程 125.4.2 電壓測(cè)試流程 125.4.3 電阻測(cè)量流程 135.4.4 電流測(cè)試流程 135.5 測(cè)試結(jié)果 135.5.1 電流測(cè)試結(jié)果 135.5.2 電阻測(cè)試結(jié)果 145.5.3 電壓測(cè)試結(jié)果 14參考文獻(xiàn) 14附錄一： 15摘要本次設(shè)計(jì)用單片機(jī)芯片 STC12C5A60S2 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表，能夠測(cè)量直流電壓值、 直流電流、直流電阻以及電容和電感，四位數(shù)碼顯示。此系統(tǒng)由分流電阻、分壓電阻、基 準(zhǔn)電阻、 555 振蕩電路、 51單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示部分、 AD 轉(zhuǎn)換和控制部分組成。為使系 統(tǒng)更加穩(wěn)定，使系統(tǒng)

3、整體硬件更簡(jiǎn)單，本電路使用了 STC12C5A60S2 自帶的 AD ，它單片 機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用 STC12C5A60S2 單 片機(jī)作 為主控芯 片，配 以 RC 上電復(fù) 位電路 和 11.0592MHZ 震蕩電路，顯示用四位數(shù)碼管。程序每執(zhí)行周期耗時(shí)縮到最短，這樣保證了 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 關(guān)鍵字：數(shù)字萬(wàn)用表；單片機(jī)； AD 轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)任務(wù)1.設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)支持直流電壓、直流電流、電阻測(cè)量的數(shù)字萬(wàn)用表。2測(cè)量范圍：直流電壓 0.1V-100V;直流電流10mA-500mA ;電阻100Q -1M Q。3使用按鍵或者撥碼開關(guān)進(jìn)行測(cè)量類型選擇，并用數(shù)碼管顯示器顯示測(cè) 量數(shù)值，發(fā)光二極管指示測(cè)量類型與單

4、位。4.4.測(cè)量精度：土 5%5%二系統(tǒng)方案選用 STC12C5A60S2 單片機(jī)來(lái)制作數(shù)字萬(wàn)用表。STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期 （1T） 的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快 8-12 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 （250K/S）, 針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。1增強(qiáng)型8051 CPU , 1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512. 工 作 電 壓 ： STC12C5A60S2 系 列 工

5、作 電 壓 ： 5.5V- 3.3V （ 5V 單 片 機(jī) ） STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V- 2.2V （ 3V單片機(jī)）3通用I/O 口（ 36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通 8051傳統(tǒng)I/O 口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏每個(gè)I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)55mA。4.共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒(méi) 有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè) 16 位定時(shí)器。5.2個(gè)

6、時(shí)鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 輸出時(shí)鐘，可由 T1 的溢出在 P3.5/T1 輸 出時(shí)鐘。6.外部中斷 I/O 口 7 路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA 模塊， Power Down 模式可由外部中斷喚醒， INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3（ 也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 P4.2 ）, CCP1/P1.4 （也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 P4.3）。7.A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S（每秒鐘25萬(wàn)次）18.通用全 雙工異步串行口（UART

7、），由于STC12系列是高速的 8051,可再用定時(shí)器或 PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口。三.理論分析與計(jì)算3.1器件的選擇與比較方案1選用AT89S52和ADC0809芯片，通過(guò) ADC0809轉(zhuǎn)換芯片來(lái)對(duì)電壓的采集。方案2選用STC12C5A60S2單片機(jī)，它有自帶的 AD，操作起來(lái)硬件電路更方便。通過(guò)分析選擇方案 2.3.2測(cè)量電路的設(shè)計(jì)和分析3.2.1模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路常見(jiàn)的物理量都是幅值（大?。┻B續(xù)變化的所謂模擬量（模擬信號(hào)）。指針式儀 表可以直接對(duì)模擬電壓、電流進(jìn)行顯示。而對(duì)數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號(hào)（通常是電壓信號(hào)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行顯示和處理 （如存儲(chǔ)、傳輸、打印、運(yùn)

8、算等 ）。數(shù)字信號(hào)與模 擬信號(hào)不同，其幅值（大?。┦遣贿B續(xù)的。這種情況被稱為是“量化的”。若最小量化單位（量化臺(tái)階）為二，則數(shù)字信號(hào)的大小一定是 二的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進(jìn)制數(shù)碼表示。但為了能直觀地讀出信號(hào)大小的數(shù)值，需經(jīng)過(guò)數(shù)碼變換（譯碼）后由數(shù)碼管顯示出來(lái)。例如，設(shè) -0.1mV，我們把被測(cè)電壓 U與厶比較，看U是厶的多少倍，并把結(jié)果四 舍五入取為整數(shù) N （二進(jìn)制）。一般情況下，N 1000即可滿足測(cè)量精度要求 （量化誤差w 1/1000=0.1%）。最常見(jiàn)的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為1999,被稱為三位半（1 32 ）數(shù)字 表。對(duì)上述情況，我們把小數(shù)點(diǎn)定在最末位之前，顯示出來(lái)的就是以mV為單

9、位的被測(cè)電壓 U的大小。如：U是（0.1mV）的1234倍，即 N=1234，顯示結(jié)果為 123.4（mV）。這樣的數(shù)字表頭，再加上電壓極性判別顯示電路，就可以測(cè)量顯示-199.9199.9mV的電壓，顯示精度為0.1mV。由上可見(jiàn)，數(shù)字測(cè)量?jī)x表的核心是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、譯碼顯示電路。A/D轉(zhuǎn)換一般又可分為量化、編碼兩個(gè)步驟。3.2.2多量程數(shù)字電壓表原理在基準(zhǔn)數(shù)字電壓表頭前面加一級(jí)分壓電路（分壓器），可以擴(kuò)展直流電壓測(cè)量的量程。如圖3.1所示，0U為電壓表頭的量程（如200mV） , r為其內(nèi)阻（如1r、2r為分壓電阻， 10U為擴(kuò)展后的量程。0L1數(shù)宇電壓表頭圖3.1電壓測(cè)量原理圖由于r

10、r2，所以分壓比為：擴(kuò)展后的量程為:r. +匚廠 _! _rr3.2.3多量程數(shù)字電流表原理測(cè)量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測(cè)電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測(cè)量。如圖 3.2，由于rR,取樣電阻R上的電壓降為：即被測(cè)的電流為:(7.圖3.2電流測(cè)量原理圖阻）為:如Uo=200mV，則lo=200mA檔的分流電阻為 1R。324電阻的測(cè)量原理方案一 ：R/UR/U轉(zhuǎn)換測(cè)量法數(shù)字萬(wàn)用表中的電阻檔采用的是比例測(cè)量法，給電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓，流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻Ro和被測(cè)電阻 Rx的電流基本相等（數(shù)字表頭的輸入阻抗很高，其取用的電流可忽略不計(jì)）。所以A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓 Uref和輸入電壓

11、Uin有如下關(guān)系：即:U科U d因此，我們只要選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻并適當(dāng)?shù)貙?duì)小數(shù)點(diǎn)進(jìn)行定位，就能得到不同的電 阻測(cè)量檔。方案二：R/fR/f轉(zhuǎn)換測(cè)量法把電阻R R轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f f,轉(zhuǎn)換的原理分別是RCRC振蕩電路和555555電路， 單片機(jī)根據(jù)所選通道，向模擬開關(guān)送兩路地址信號(hào)，取得振蕩頻率，作為單片 機(jī)的時(shí)鐘源，通過(guò)計(jì)數(shù)則可以計(jì)算出被測(cè)頻率，再通過(guò)該頻率，通過(guò)公式計(jì)算 出各個(gè)電阻參數(shù)。然后根據(jù)所測(cè)頻率來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)處理 后，把電阻的值送到顯示部分顯示出相應(yīng)的參數(shù)值，利用編程實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn) 換公式為：T=0.693*R*C。方案三：基于恒流源法的轉(zhuǎn)換測(cè)量法該方法是給待測(cè)電阻

12、提供一個(gè)恒定電流，利用單片機(jī)的A/DA/D采集其兩端的 電壓來(lái)確定其電阻值，方式為 R=U/IR=U/I3.2.5 電容測(cè)量原理把電容C C轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f f,轉(zhuǎn)換的原理分別是 RCRC振蕩電路和555555電路,單片機(jī)根據(jù)所選通道，向模擬開關(guān)送兩路地址信號(hào)，取得振蕩頻率，作為單片 機(jī)的時(shí)鐘源,通過(guò)計(jì)數(shù)則可以計(jì)算出被測(cè)頻率,再通過(guò)該頻率,通過(guò)公式計(jì)算 出各個(gè)電阻參數(shù)。然后根據(jù)所測(cè)頻率來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)換量程,或者是把數(shù)據(jù)處理 后,把電阻的值送到顯示部分顯示出相應(yīng)的參數(shù)值,利用編程實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn) 換0-的0-四.電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)4.1直流電壓測(cè)量電路圖4.14.1直流電壓測(cè)量電路該電路功能為電壓轉(zhuǎn)

13、換電路，主要功能是將較大的電壓按一定比例轉(zhuǎn)換成小電壓（5v）再通過(guò) Vout將電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到 MCU處理并且顯示出來(lái)（即達(dá)到測(cè)量電壓 的效果）。圖中 Vin :為被測(cè)電壓正輸入端； COM:為被測(cè)電壓地；A、B、C為MCU I/O控制端，通通過(guò) A、B、C三端電平組合狀態(tài)可以切換被測(cè)電壓范圍（分別是0-5v、 30v、0-125v、0-255v ）。4.2直流電流測(cè)量電路圖4.2直流電流測(cè)量電路本電路功能是將被測(cè)直流電流或微直流電流放大并且轉(zhuǎn)換成電壓輸出。通過(guò)選擇不同 的電阻網(wǎng)絡(luò)可以改變放大倍數(shù)。4.3電阻測(cè)量電路圖4.3電阻測(cè)量電路圖此電路通過(guò)測(cè)被測(cè)電阻兩端的電壓，然后將此電壓與相

14、應(yīng)檔位的電阻兩端的電壓的 比值，MCU控制四個(gè)檔位。4.4測(cè)電容電路圖4.4電容測(cè)量電路圖通過(guò)T=0.693*R*C，得C=T/(0.693*R),在被測(cè)端接入被測(cè)電容，根據(jù)3腳輸出的脈沖周期求出電容的大小。B.0.0.0.0.S.11 I III II4.5測(cè)試切換指示電路圖4.5測(cè)試切換指示電路該電路模塊主要用于指示萬(wàn)用表的測(cè)量模式。圖中A端為電壓檢測(cè)控制端，當(dāng)A點(diǎn)為低電平時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)繼電器使得U-與R/U/I接通，即為測(cè)電壓，同時(shí)電壓測(cè)試指示燈亮，對(duì)應(yīng)在 PCB板濕印層標(biāo)有（V）的字樣。同理，B點(diǎn)、C點(diǎn)分別為電流和電阻的測(cè)試 允許控制端。4.6最小系統(tǒng)電路圖4.6最小系統(tǒng)圖五測(cè)試方案及

15、結(jié)果5.1硬件調(diào)試測(cè)試儀器與方法1.測(cè)試儀器測(cè)試儀器包括數(shù)字萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源等。2.測(cè)試方法數(shù)字萬(wàn)用表主要用來(lái)測(cè)試分立元件的電阻、壓降等參數(shù)，以檢測(cè)模塊是否可行。軟件 KEIL4 用于調(diào)試軟件。5.2軟件調(diào)試本程序較大且復(fù)雜，因此采用 C語(yǔ)言編寫，通過(guò) keil軟件的不斷調(diào)試修改，采自下而上的調(diào)試方法，先調(diào)試功能模塊電路，再調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)。在調(diào)試的過(guò)程中與硬件的調(diào)試 相結(jié)合，提高了調(diào)試的效率。程序參考附錄一。5.3硬件軟件聯(lián)合調(diào)試當(dāng)軟件和硬件的基本功能分別調(diào)試后，進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試及優(yōu)化。在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)產(chǎn) 生對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序

16、。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì) 于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè) 基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使 單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行 軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”， 實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。 模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)蝹€(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫及調(diào)試；模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用；模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)

17、和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便；模塊程序簡(jiǎn)單性為觀察者帶來(lái)方便。5.4測(cè)試流程541整體測(cè)試流程圖5.1整體測(cè)試流程圖542電壓測(cè)試流程圖5.2電壓測(cè)量流程圖543電阻測(cè)量流程圖5.3電阻測(cè)量流程圖544電流測(cè)試流程圖5.4電流測(cè)試流程圖5.5測(cè)試結(jié)果5.5.1電流測(cè)試結(jié)果表一待測(cè)電流測(cè)量電流誤差10mA10mA10mA10mA0 050mA50mA52mA52mA4%4%100mA100mA101mA101mA1%1%5.5.2電阻測(cè)試結(jié)果表待測(cè)電阻（Q ）R1R2R3R4R5R5實(shí)際值52201k5.1k100k9M測(cè)量值4.82209994.9k99k9.1M誤差4%0%0.1%3.9

18、%1%0.1%5.5.3電壓測(cè)試結(jié)果表三待測(cè)電壓（V）V1V2V3V4V5V6實(shí)際值0.01210203050測(cè)量值0.012.019.819.929.850誤差0%0.5%2%0.5%0.7%0%參考文獻(xiàn)1.李昌喜 智能儀表原理與設(shè)計(jì) 化學(xué)工業(yè)出版社2005年2月2. 林家儒 電子電路基礎(chǔ)（第二版） 北京郵電大學(xué)出版社 2006年 5月3.郭天祥 51單片機(jī) C 語(yǔ)言教程 電子工業(yè)出版社4.閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 1998 年 12 月5.丁元杰 單片微機(jī)原理及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 2005年 7 月6.李昌喜 智能儀表原理與設(shè)計(jì) 化學(xué)工業(yè)出版社 2005年 2 月附錄一：AD 轉(zhuǎn)換程序：* *ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)*/選擇 8路 ADC 。/清空數(shù)值寄存器/讀取標(biāo)志位，判斷是否轉(zhuǎn)換完畢