參考基于單片機的數(shù)字萬用表設計課程設計

1、 課程設計課程設計題目題目 基于單片機的數(shù)字萬用表設計基于單片機的數(shù)字萬用表設計 姓 名 周軍 學 號 201303120070系 （院）電子電氣工程學院 班 級 p13 電氣二班指 導 教師 祝木田 職 稱 二 o 一五年四月十八日目錄目錄摘 要 .1abstract .2引言 .3一、 數(shù)字萬用表設計背景 .4（一）數(shù)字萬用表的設計目的和意義.4（二）數(shù)字萬用表的設計依據(jù).4（三）數(shù)字萬用表設計重點解決的問題.4二、數(shù)字萬用表總體設計方案 .5（一）數(shù)字萬用表的基本原理.5（二）數(shù)字萬用表的硬件系統(tǒng)設計總體框架圖.6（三）硬件電路設計方案及選用芯片介紹.6（四）數(shù)字萬用表的硬件設計.9三、

2、 系統(tǒng)軟件與流程圖 .16（一） 電路功能模塊.16（二）顯示模塊的設計.17（三）整體電路設計.18結束語 .19致 謝 .20參考文獻： .21 摘摘 要要本次設計用單片機芯片 at89s52 設計一個數(shù)字萬用表，能夠測量交、直流電壓值、直流電流、直流電阻以及電容，四位數(shù)碼顯示。此系統(tǒng)由分流電阻、分壓電阻、基準電阻、電容測試芯片電路、51 單片機最小系統(tǒng)、顯示部分、報警部分、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)整體精度得以保障，本電路使用了ad0809 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，單片機系統(tǒng)設計采用 at89s52 單片機作為主控芯片，配以 rc上電復位電路和 11.0592mhz 震蕩電

3、路，顯示芯片用 tec6122，驅(qū)動 8 位數(shù)碼管顯示。程序每執(zhí)行周期耗時縮到最短，這樣保證了系統(tǒng)的實時性。關鍵詞關鍵詞 數(shù)字萬用表 ；at89s52 單片機 ；ad 轉(zhuǎn)換與控制abstractthis design is design a digital universal meter with chip at89s52 of one-chip computer, can measure and hand in , direct current pressing value , direct current flow , the direct current is hindered, fou

4、r 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 en

5、sured, 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 tec

6、6122, 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. keywordkeyword: digital universal meter ；at89s52 one-chip computer ；ad changes and controls . 引言引言數(shù)字萬用表亦稱數(shù)字多用表

7、,簡稱 dmm。它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式萬用表功能單精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片的數(shù)字萬用表，精度高、抗干擾能力強，可擴展尾強、集成方便，目前，由各種單片機芯片構成的數(shù)字電萬用表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，顯示出強大的生命力。數(shù)字萬用表是當前電子、電工、儀器、儀表和測量領域大量使用的一種基本測量，已被廣泛應用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，示出強大的生命力。隨著時代科技的進步，數(shù)字萬用表的功能越來越強大，把電量及非電量的測量技術

8、提高到嶄新水平。一、一、 數(shù)字萬用表設計數(shù)字萬用表設計背景背景（一）數(shù)字萬用表的設計目的和意義（一）數(shù)字萬用表的設計目的和意義數(shù)字萬用表是當前電子、電工、儀器、儀表和測量領域大量使用的一種基本測量，已被廣泛應用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，示出強大的生命力。隨著時代科技的進步，數(shù)字萬用表的功能越來越強大，把電量及非電量的測量技術提高到嶄新水平。（二）數(shù)字萬用表的設計依據(jù)（二）數(shù)字萬用表的設計依據(jù)根據(jù)數(shù)字萬用表的原理，結合以下的設計要求：“設計一個數(shù)字萬用表，能夠測量交、直流電壓值，直流電流、直流電阻，四位數(shù)碼顯示。實現(xiàn)多級量程的直流電壓測量，其量程范圍是 20

9、0mv、2v ,20v,200v 和 500v.實現(xiàn)多級量程的交流電壓測量，其量程范圍是 200mv、2v ,20v,200v 和 500v.實現(xiàn)多級量程的直流電流測量，其量程范圍是 2ma ，20ma，200ma、2a 和 20a.實現(xiàn)多級量程的電阻測量，其量程范圍是 200、2k ,20k,200k 和 2m。 ”以及電容測量電路。由此設想出以下的解決方法，即數(shù)字萬用表的系統(tǒng)由分流電阻、分壓電阻、基準電阻、電容測試芯片電路、51 單片機最小系統(tǒng)、顯示部分、報警部分、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)整體精度得以保障。（三）數(shù)字萬用表設計重點解決的問題（三）數(shù)字萬用表設計重點

10、解決的問題 本設計重點要解決的問題是對不同量程的各種測量內(nèi)容的轉(zhuǎn)換，還有就是各部分電路組合成一個完整的數(shù)字萬用表，而難點解決的問題就是程序的設計，要保正其可行性從而保證設計的正確性。二、數(shù)字萬用表總體設計方案二、數(shù)字萬用表總體設計方案（一）數(shù)字萬用表的基本原理（一）數(shù)字萬用表的基本原理數(shù)字萬用表的核心是它的 a/d 轉(zhuǎn)換器，也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將被測量的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號給 lcd 液晶屏顯示。數(shù)字萬用表表有三個轉(zhuǎn)換電路： i/v 轉(zhuǎn)換電路（電流轉(zhuǎn)換電壓電路） r/v 轉(zhuǎn)換電路（電阻轉(zhuǎn)換電壓電路） c/v 轉(zhuǎn)換電路（電容轉(zhuǎn)換電壓電路） ，也就是說，不過測量什么信號始終要把這個信號轉(zhuǎn)換為直流電壓

11、信號來給 a/d 處理顯示。測量電阻，將被測量的電阻值轉(zhuǎn)換為直流電壓信號給 a/d 處理顯示。測量電流，將被測量的電流值轉(zhuǎn)換為直流電壓信號給 a/d 處理顯示。測量電容，將被測量的電容量轉(zhuǎn)換為直流電壓信號給 a/d 處理顯示。在一般數(shù)字表中，直流電壓擋（dcv）最高量程是 1000v 交流電壓擋（acv）最高量程是 750v 或 700v 量程，但數(shù)字表是如何測量比較高的電壓信號呢？如果數(shù)字表測量 1000v 直流電壓，1000v 直流電壓輸入進萬用表經(jīng)過衰減器以后將1000v 直流電壓衰減到 200mv 以下送入 a/d 處理顯示，不管測量的信號有多大始終要把這個信號衰減到 200mv 以下

12、送給 a/d 處理。數(shù)字萬用表的最基本功能是能夠測量交直流電壓，交直流電流，還有能夠測量電阻，數(shù)字萬用表的基本組成見圖 2-1。圖 2-1 數(shù)字萬用表的基本組成（二）數(shù)字萬用表的硬件系統(tǒng)設計總體框架圖（二）數(shù)字萬用表的硬件系統(tǒng)設計總體框架圖如下圖 2-2 所示，本萬用表由以下幾部分功能組成，復位電路、震蕩電路、adc輸入、被測量顯示、超限報警、adc 使能控制。復位電路用來清零，進行下一次的測量；震蕩電路用來消除一些外來干擾，使電路工作更加穩(wěn)定；adc 輸入則是將輸入量進行 ad 轉(zhuǎn)換；測量顯示就是顯示測量的數(shù)值；超限報警部分則是用作當測量量超出量程范圍時發(fā)出警報，以便提醒用戶更改大量程；ad

13、c 使能控制則用來對輸入量進行控制，允許輸入或者不允許。復位電路復位電路震蕩電路震蕩電路adc 輸入輸入被測量顯示被測量顯示超限報警超限報警adc 使能控制使能控制89s52圖 2-2 總體電路設計原理圖（三）硬件電路設計方案及選用芯片介紹（三）硬件電路設計方案及選用芯片介紹2.3.1 設計方案用單片機 at89s52 與 adc0809 設計一個數(shù)字萬用表，配合分流電阻、分壓電阻、基準電阻可以測量交、直流電壓值，直流電流、直流電阻，四位數(shù)碼顯示。實現(xiàn)四級量程的直流電壓測量，其量程范圍是 2v ,20v,200v 和 500v.實現(xiàn)四級量程的交流電壓測量，其量程范圍是 2v ,20v,200v

14、 和 500v.實現(xiàn)四級量程的直流電流測量，其量程范圍是 2ma ,20ma,200ma 和 2a.實現(xiàn)四級量程的電阻測量，其量程范圍是 2k ,20k,200k 和 2m.，并且有超出量程的情況發(fā)生時，蜂鳴器發(fā)聲報警。2.3.2 芯片選擇及功能簡介一、at89s52 芯片功能特性描述at89s52 是一種低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用 atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 cpu 和在系統(tǒng)

15、可編程 flash，使得 at89s52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。at89s52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) flash， 256 字節(jié) ram，32 位 i/o 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可降至 0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，cpu 停止工作，允許 ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止at89s

16、52 引腳框圖：圖 2-3 at89s52 芯片引腳圖二、at89s52 主要性能：a) 與 mcs-51 單片機產(chǎn)品兼容b) 8k 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 flash 存儲器c) 1000 次擦寫周期d) 全靜態(tài)操作：0hz33hz e) 三級加密程序存儲器f) 32 個可編程 i/o 口線g) 三個 16 位定時器/計數(shù)器h) 八個中斷源i) 全雙工 uart 串行通道j) 低功耗空閑和掉電模式三、adc0809 介紹adc0809 是帶有 8 位 a/d 轉(zhuǎn)換器、8 路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的cmos 組件。它是逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。（1）adc0809

17、 的內(nèi)部邏輯結構 圖 2-4 adc0809 的內(nèi)部邏輯結構上圖可知，adc0809 由一個 8 路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個 a/d轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 a/d 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 a/d 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當 oe 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。（2） 引腳結構 圖 2-5 adc0809 引腳結構圖四、tec6122 簡述位掃描驅(qū)動電流80ma（vdd=+5（1）概述tec6122 共陰極 8x8 段 led 數(shù)碼管（8x8 點陣）顯示驅(qū)動電路是全定制專用集成電路

18、。該電路由開機自清電路、振蕩電路、位掃描驅(qū)動電路、8x8 bit 移位寄存器電路、8x8 bit 數(shù)據(jù)鎖存器電路、段多路選擇器驅(qū)動電路組成。它可與各種型號的微處理器串行口或并行口 interface,專供驅(qū)動 8 位 x8 段共陰極 led 數(shù)碼管（8x8led 點陣） 。（2）特點工作電壓：+4v+6v段掃描驅(qū)動電流10ma（vdd=+5v）可驅(qū)動高彩色 led 管可通過 n 個 tec6122 級聯(lián)實行 nx8 位 led 顯示。（四）數(shù)字萬用表的硬件設計（四）數(shù)字萬用表的硬件設計2.4.1 分模塊詳述系統(tǒng)各部分的實現(xiàn)方法一、電源部分 由于高壓交流電會對弱電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，

19、而電池之類的電源又存在維護不方便和電壓電流衰減等的缺點，所以本次設計采用外部穩(wěn)壓電源供電，這里選用普通 12v 500ma 輸出的交流穩(wěn)壓電源輸入，該電池容量大，電壓衰減影響比較小，輸出穩(wěn)定，電路如下圖。70pfc301000pfc29100pfc6200r407805u478059v220v+5v圖 2-6 電源電路二、輸入端圖 2-7 萬用表正表筆輸入端電路被測量的量的輸入端經(jīng)過表筆流經(jīng)保險絲，這樣做是為了起到保護作用,防止過壓過流而燒壞元器件后面接 2 個二極管。三、分流電阻圖 2-8 分流電阻電路如上圖，使用有一定規(guī)律的 r8r12 電阻組合構成精密的電阻分流器，能夠?qū)崿F(xiàn)分流大電流的目

20、的，即 20a 的電流一律衰減到 200ma.通過測量參考電壓經(jīng)過計算得到實際的電流值。四、分壓電阻圖 2-8 分壓電阻電路如上圖，使用有一定規(guī)律的 r2r6 電阻組合構成精密的電阻分壓器，能夠?qū)崿F(xiàn)分流大電壓的目的，即 0500v 的電壓一律衰減到 200mv 以下，通過測量參考電壓經(jīng)過計算得到實際的電壓值。五、基準電阻圖 2-9 基準電阻電路測量電阻與測量電流或者電壓一樣重要，俗稱“三用表” ，利用數(shù)字電壓表做成的多量程電阻表，采用的是“比例法”測量，因此，它比起指針萬用表的電阻測量來具有非常準確的精度，而且耗電很小，上圖示中所配置的一組電阻就叫“基準電阻” ，就是通過切換各個接點得到不同的

21、基準電阻值，再由 ad0809 的參考電壓 vref與被測電阻上得到的電壓v 測進行“比例讀數(shù)” ，當兩者電壓相等時，顯示就是 v 測/vref*500=500 ，按照需要再由 ad0809 控制轉(zhuǎn)換送 at89c52 控制點亮 led 屏幕上的小數(shù)點，就可以直接讀出被測電阻的阻值來了。在產(chǎn)品數(shù)字萬用表中，為了節(jié)省成本和簡化電路，測量電流的分流電阻和測量電壓的分壓電阻以及測量電阻的基準電阻往往就是同一組電阻。六、交直流處理電路圖 2-10 交直流處理電路通過該電路達到控制交直流的目的，并且通過調(diào)節(jié)可變電阻又可以有效地減少電壓的損耗。七、adc 部分圖 2-11 adc0809 轉(zhuǎn)換電路由于 a

22、dc0809 的參考電壓 vrefvcc，所以轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在數(shù)碼管上顯示出電壓值。實際顯示的電壓值(d/256*vref)八、報警部分圖 2-12 報警電路當檢測到被測量超出預定的值蜂鳴器發(fā)出“嘀”聲。具體的實現(xiàn)過程是單片機p3.3 腳輸出高電平，使得 q1 導通。使得 ls1 對地導通，蜂鳴器發(fā)出響聲。九、顯示電路圖 2-13 顯示電路采用 spi 總線 led 驅(qū)動器 tec6122 驅(qū)動 8 位數(shù)碼管，使得整個系統(tǒng)響應時間最快，顯示精度更高。采用 4 合 1 數(shù)碼管，減少 pcb 表面走線提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。十、量程選擇控制電路圖-14 物理量量程選擇電路通過 8255 的

23、控制與傳輸，使單片機就檢測到所測量的物理量及其量程。十一、開關電路 圖 2-15 開關電路2.4.2 電路的工作過程描述此工作當然是要求在正確的程序都寫入了各個芯片中才能完成工作，如上圖3.12 所示，當開關要測量電壓、電流或者電阻時，則根據(jù)不同的量程需要分別選擇不同的量程開關，于便得到最準確的測量數(shù)據(jù)。at89s52 的 p0 口做為 adc0809 的數(shù)據(jù)總線，p2.4、p2.5、p2.6 作為顯示芯片的 spi 總線輸出。p1.0、p1.1、p1.2、p3.2作為 adc0809 的控制線。adc0809 將測量的量轉(zhuǎn)換成單片機能識別的量之后由所給程序控制輸出，再送到顯示芯片滿足芯片的

24、8 位驅(qū)動。顯示。顯示芯片根據(jù)顯示程序顯示內(nèi)容。本設計的原來要求是 4 位數(shù)碼顯示，但考慮到芯片 tec6122 是驅(qū)動 8位數(shù)碼顯示的，所以上面圖中數(shù)碼管 typ2 不接上也是滿足設計要求的。三、三、 系統(tǒng)軟件與系統(tǒng)軟件與流程圖流程圖（一）（一） 電路功能模塊電路功能模塊由總體設計框圖 3-1，本萬用表由以下幾部分功能模塊組成，復位電路、震蕩電路、adc 輸入、adc 使能控制、被測量顯示、超限報警、等電路組成。程序中的子程序 功能模塊主要分成 3 個，延時、adc 轉(zhuǎn)換、和顯示，延時子程序在整個程序中多次被調(diào)用，adc 轉(zhuǎn)換則是每次測量都會需要用到的，當進行測量時，adc0809 將被測量

25、轉(zhuǎn)換為 2 進制數(shù)發(fā)給單片機然后單片機根據(jù)軟件協(xié)議送顯示，顯示子程序則包括一個 8 位字節(jié)的發(fā)送程序和一個 tec6122 的驅(qū)動程序。復位電路震蕩電路adc 輸入被測量顯示超限報警adc 使能控制89s52圖 3-1 功能模塊設計框圖（二）顯示模塊的設計（二）顯示模塊的設計如圖 3-2 所示，顯示部分采用普通的共陽數(shù)碼管顯示，采用動態(tài)掃描，以減少硬件路。年月日時分秒星期共需要六位數(shù)碼顯示，考慮到一次掃描六位數(shù)碼管顯示時會出現(xiàn)閃爍情況，故采用動態(tài)掃描，可將數(shù)碼管數(shù)量減少至 3 位，也就是兩個三位一體八段 led 顯示數(shù)碼管設計時數(shù)碼管同時掃描，顯示時采用并行輸入并行輸出且?guī)в惺鼓芏丝诘?74h

26、c573 驅(qū)動數(shù)碼管。圖 3-2 顯示模塊（三）整體電路設計（三）整體電路設計圖 3-3 整體電路結束語結束語數(shù)字式萬用表內(nèi)部采用了多種振蕩，放大，分頻，保護等電路所以功能較多，比如可以測量溫度，頻率(在一個較低的范圍)，電容,電感.或做信號發(fā)生器等等。由于內(nèi)部結構多用集成電路所以過載能力較差.(不過現(xiàn)在有些已能自動換檔.自動保護等.但使用較復雜).損壞后一般也不易修復。數(shù)字式萬用表輸出電壓較低(通常不超過 1 伏).對于一些電壓特性特殊的元件的測試不便(如,可控硅,發(fā)光二極管等)，由于數(shù)字萬用表的測量范圍很大，廣泛應用于工業(yè)領域。本電路的設計剛比較簡單，不過也有它的優(yōu)點：高精度、低功耗、量程寬、可擴展性強等。設計結果綜述：（1） 、數(shù)字萬用表完成的功能主要是對電壓、電流、電阻的測量，它主要由分流電阻、分壓電阻、基準電阻、51 單片機最小系統(tǒng)、顯示部分、報警部分、ad 轉(zhuǎn)換和控制部分組成。（2） 、數(shù)字萬用表屬于一種測量工具，