基于1單片機(jī)的數(shù)字萬用表

1、 基51單片機(jī)的數(shù)字萬用表設(shè)計(jì) 摘要 本文介紹一種以AT89S52單片機(jī)為核心的智能型數(shù)字式多用表,該系統(tǒng)采用AD0808為采樣元件，對(duì)待測(cè)交直流電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，數(shù)據(jù)處理，輸出顯示，并可以直流電流和電阻，且具有鍵盤選擇測(cè)量對(duì)象、量程和自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)，模擬開關(guān)，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換 第一章 前言功能：實(shí)現(xiàn)交直流測(cè)量，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，過電壓自動(dòng)報(bào)警。仿真及編譯軟件：Proteus，Keil ，Wave主要元件：AT89C52，CD4511，AD0808，7段數(shù)碼管（8個(gè)），蜂鳴器預(yù)定性能指標(biāo)：直流電壓：范圍-40+50V，精度20mv，實(shí)時(shí)無間斷測(cè)量，4%。交流信號(hào)：測(cè)

2、量范圍-5+5V，頻率范圍：300Hz到100Khz誤差5%。初步方案及進(jìn)展：小組成員及任務(wù)分配：組長：陳文豹 硬件電路設(shè)計(jì)參數(shù)確定與調(diào)試組員：龐 明 軟件程序設(shè)計(jì) 鄧玉龍 資料查詢并輔助電路設(shè)計(jì)數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)分析本設(shè)計(jì)可以分為直流電壓測(cè)量電路；交流/直流轉(zhuǎn)換電路；電流/電壓轉(zhuǎn)換電路；電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路；功能控制和數(shù)據(jù)顯示電路這五個(gè)的主要電路模塊。在設(shè)計(jì)直流電壓測(cè)量電路時(shí)，利用反相比例運(yùn)算電路，加上自己設(shè)計(jì)的四選一模擬開關(guān)，組成了一個(gè)直流電壓測(cè)量電路。但該電路在實(shí)踐中存在問題，不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。做了適當(dāng)?shù)男薷模臑橛呻娮琛⒛M開關(guān)和運(yùn)放組成放大倍數(shù)可調(diào)的比例電路。由于無論是指針式萬用表還是普

3、通的真有效值或平均值響應(yīng)的數(shù)字萬用表，其交流電壓檔的頻率特性都較差，一般只能測(cè)量幾十赫茲到幾千赫茲的低頻電壓。我發(fā)現(xiàn)對(duì)于指針式萬用表造成頻率特性較差的原因主要是萬用表的分壓電阻采用精密電阻器，其本身的分布電容較大，在對(duì)高頻電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于分布電容的容抗大為減少使得測(cè)量值明顯低于實(shí)際電壓值，而對(duì)于數(shù)字萬用表除上述原因以外，另一主要原因是受平均值響應(yīng)，轉(zhuǎn)換器本身頻率特性的限制。但此缺陷可通過采用寬頻帶運(yùn)算放大器加以改善。因此，消除分壓電阻器分布電容的影響就可以提高萬用表工作頻率的上限，大大改善其頻率特性。數(shù)字萬用表簡介數(shù)字萬用表（DMM）亦稱數(shù)字多用表，是目前在電子檢測(cè)及維修工作中最常用、

4、最得力的一種工具類數(shù)字儀表。它采用的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，通過對(duì)連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）的采樣將其轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字量，并以十進(jìn)制數(shù)字形式顯示出來。由于內(nèi)部采用了運(yùn)放電路,內(nèi)阻可以做得很大,往往在1M歐或更大(即可以得到更高的靈敏度)。這使得對(duì)被測(cè)電路的影響可以更小，測(cè)量精度較高。傳統(tǒng)的指針式萬用表功能單一、精度低，已經(jīng)不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求，而采用單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字萬用表，具有讀數(shù)方便、精度高，測(cè)試功能強(qiáng)、集成度高、微功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，另外帶有單片機(jī)的智能型數(shù)字萬用表更是具有自動(dòng)校準(zhǔn)，自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)通訊等多種功能。目前，數(shù)字萬用表已被廣泛用于電子及電工測(cè)量

5、、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等智能化測(cè)量領(lǐng)域，示出強(qiáng)大的生命力。與此同時(shí)，由DMM擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測(cè)量技術(shù)提高到嶄新水平。 第二章 電路設(shè)計(jì)§2.1 系統(tǒng)整體方案選擇系統(tǒng)整體框圖如下：系統(tǒng)框圖下圖為系統(tǒng)整體硬件電路： 總原理圖§2.2 AD轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)采用直通方式如下圖： AD0808連接圖其中v0，v1，v2，v3分別作為待測(cè)信號(hào)，通過ABC選通并輸入AD。§2.3 信號(hào)及其處理2.3.1直流電壓測(cè)量電路：由于待測(cè)電壓范圍太大，高的可到500v，而AD只能參考輸入為+-5V，所以對(duì)于未知信號(hào)，可以先衰減再測(cè)量。 信號(hào)分壓

6、與放大電路由于輸入信號(hào)幅值未知，所以考慮安全因素，盡可能的將待測(cè)信號(hào)Vx經(jīng)電阻分壓后輸入放大器進(jìn)行范圍判斷。因此，應(yīng)盡可能大的使用大功率的分壓電阻。V1是VI經(jīng)U3放大十倍后的信號(hào)，v2是VI經(jīng)U5放大后的信號(hào)。V0即為VI。VI是待測(cè)信號(hào)衰減一百倍的信號(hào)，將VI輸入給電壓比較電路，進(jìn)行范圍判斷。 電壓比較陣列電路衰減后的信號(hào)經(jīng)過以上比較器，可以大致劃分為：05V，550V和50V以上等三個(gè)范圍，即可以組成1檔，10檔，100檔三個(gè)檔位，將比較器的結(jié)果輸入到單片機(jī)中，進(jìn)行判斷處理，當(dāng)比較器C輸出為邏輯0時(shí)，可以確定待測(cè)范圍為05V，將v2送入AD測(cè)量。當(dāng)比較器C輸出為1，比較器B輸出為0時(shí)，可

7、以確定待測(cè)信號(hào)范圍為550V，將v1送入AD測(cè)量。當(dāng)比較器C和B輸出為1時(shí)，可以確定待測(cè)信號(hào)范圍為50v以上，將v0送入AD測(cè)量。在處理數(shù)據(jù)時(shí)候，分別對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果乘以1,10和100，即可還原真實(shí)值。大電壓衰減測(cè)量：經(jīng)單片機(jī)判斷后，需對(duì)AD0808 的ABC引腳進(jìn)行操作，選擇通道輸入。對(duì)于05V信號(hào)，選擇v2作為輸入對(duì)于550V電路，選擇v1作為輸入對(duì)于50V以上的信號(hào)，選擇v0作為輸入對(duì)于50V以上信號(hào)可將輸入比較器陣列的VI信號(hào)作為輸入進(jìn)行測(cè)量。2.3.2交流電壓測(cè)量電路：交流/直流轉(zhuǎn)換電路方案一：半波整流電路。利用二極管的單向?qū)щ娦裕梢院苋菀椎牡玫街绷麟妷?，且能滿足設(shè)計(jì)要求。方案二：采用

8、真有效值轉(zhuǎn)換芯片,性能參數(shù)方面也都能滿足設(shè)計(jì)要求,并且還能測(cè)量非正弦波，但一般真有效值轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格比較貴。鑒于此，故采用方案一。如圖所示所示,這個(gè)電路是利用低漂移單運(yùn)算放大器741與二極管D1N4148組成平均值精密半波整流電路。該電路可避免二極管在小信號(hào)整理時(shí)所引起的非線性誤差，使交流/直流轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓與輸出電壓成線性關(guān)系，適合測(cè)量40-400Hz的正弦電壓，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%。 交直流轉(zhuǎn)換電路仿真圖： 精密半波檢波仿真結(jié)果將信號(hào)進(jìn)行半波整理，然后進(jìn)行峰值檢波，求出信號(hào)峰值，根據(jù)波峰因素等電路原理，進(jìn)行處理，通過軟件方式，求出有效值，進(jìn)行顯示。2.3.3電流/電壓轉(zhuǎn)換電路如

9、圖2.3所示，普通模擬開關(guān)可以通過的電流很微小，所以通過單片機(jī)控制繼電器來控制線路導(dǎo)通斷開，將被測(cè)電流信號(hào)（0-500mA）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)（0-200mV），然后經(jīng)過OP07將信號(hào)放大10倍，最后輸入A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的Vin端。1A/250V的熔絲管FU為限流保護(hù)電路，兩個(gè)二極管1N4007構(gòu)成保護(hù)為過壓保護(hù)電路。阻值為90、9的電阻采用誤差為±0.5%的精密金屬膜電阻，而阻值為0.4、0.6的電阻通過的電流很大必須采用誤差為±0.5%的精密繞線電阻。圖2.3 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖1 2.3.4 電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路方案一：利用運(yùn)算放大器采用反相比例運(yùn)算的方法

10、進(jìn)行測(cè)量。該方法實(shí)現(xiàn)比較簡單，且能滿足設(shè)計(jì)要求。方案二：采用分壓原理，利用流過標(biāo)準(zhǔn)電阻R0和被測(cè)電阻Rx的電流基本相等來得到電壓與電阻的關(guān)系，但當(dāng)電阻很小時(shí)電流過大。鑒于此，故采用方案一。如圖2.4所示。穩(wěn)壓二極管1N4730A的穩(wěn)壓值為3.9V（即B點(diǎn)處電壓值），采用運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算的方法，將B點(diǎn)處的電壓值衰減到2V（即A點(diǎn)處電壓值），單片機(jī)通過控制模擬開關(guān)MAX4618（超低導(dǎo)通電阻）選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)參照電阻R1 ，再利用運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算的方法，將被測(cè)電阻RX的阻值轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電壓量，輸入A/D轉(zhuǎn)換電路。電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路的計(jì)算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R

11、1* Uin/ UA。圖2.4 電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路圖212圖參考湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 鄭嬌 畢業(yè)論文數(shù)字萬用表設(shè)計(jì) §2.4 單片機(jī)控制與顯示電路2.4.1單片機(jī)及其外電路單片機(jī)及其外圍電路主要是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源和復(fù)位操作，詳細(xì)電路如圖： 單片機(jī)及其外圍電路2.4.2顯示電路4511用于對(duì)輸出的數(shù)字信號(hào)譯碼，傳送給4個(gè)共陰數(shù)碼管，以進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。§2.5 報(bào)警及電源端電路2.5.1報(bào)警電路： 蜂鳴器報(bào)警電路 單片機(jī)經(jīng)判斷后，如果超過待測(cè)信號(hào)范圍（即比較器ABC輸出為111），用P37腳控制三極管的截止與開通，從而引發(fā)蜂鳴器開啟，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。2.5.2直流正負(fù)電壓判斷電路： 正負(fù)

12、電壓判斷電路 將VI輸入過零比較器比較器，輸出結(jié)果給P00口，實(shí)現(xiàn)正負(fù)號(hào)判斷，并顯示 第三章 主要元器件介紹 3.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808ADC0808是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)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(jī)直接接口。1.ADC0808的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 由下圖可知，ADC0808由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的

13、數(shù)據(jù)。2 ADC0808引腳結(jié)構(gòu) ADC0808各腳功能如下：D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。A、B、C：地址輸入線。 ADC0808對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是05V，若信號(hào)太小，必須

14、進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。數(shù)字量輸出及控制線：11條 VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。 AD0808時(shí)序圖3.2主控芯片AT89C52 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 事項(xiàng)注意：由于本設(shè)計(jì)，在純軟件壞境中完成，所以對(duì)干擾等因素考慮較少，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中

15、，這些因素不可避免，對(duì)一些小的方面注意事項(xiàng)，總結(jié)如下：對(duì)于數(shù)字電源端，需在電源與地之間加一個(gè)去耦電容，如下圖：數(shù)字電源端對(duì)于模擬電源端：對(duì)于接地端，應(yīng)采用，數(shù)字地接在一起，模擬地接在一起，最后同時(shí)接在公共地上，并且公共地線應(yīng)盡量粗一些。數(shù)字芯片電源及地引腳：由于在proteus環(huán)境下，各種芯片電源及地端配置為為默認(rèn)值，因此在原理圖上部分引腳未標(biāo)明。小結(jié)本系統(tǒng)預(yù)計(jì)完成任務(wù)書的所有內(nèi)容，如下：1、測(cè)量對(duì)象、范圍及誤差范圍：電壓 DC：020V 誤差<±4%±2個(gè)字AC：0.220V （正弦信號(hào)）誤差<±5 %±2個(gè)字 電流 DC：0500mA 誤

16、差<±2 %±2個(gè)字 電阻0200K 誤差<±3 %±2個(gè)字 2、采用LED數(shù)碼顯示，分辨率優(yōu)于0.05%，具有符號(hào)判別和過量程顯示3、直流電壓檔最小輸入阻抗1M。 4、具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。由于條件和時(shí)間有限，設(shè)計(jì)里并未將數(shù)字智能萬用表做的很復(fù)雜。在proteus仿真環(huán)境下，庫元件不夠齊全，導(dǎo)致器件選型受到限制，如AD只用到了8位，直接影響設(shè)計(jì)的分辨率和精度，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以考慮采用精度更高的ADC，提高分辨率，而交流測(cè)量中，由于沒有交直流轉(zhuǎn)換芯片庫元件，本設(shè)計(jì)采用了簡單的半波整理電路，對(duì)交流信號(hào)的精確測(cè)量會(huì)有一定影響。總體來說，整個(gè)設(shè)計(jì)

17、正能算是一個(gè)簡易萬用表，如若作為應(yīng)用，方案仍需改進(jìn)。進(jìn)展情況：以上電路以及基本程序設(shè)計(jì)完成，經(jīng)Proteus仿真，結(jié)果如下：原信號(hào)為5V，經(jīng)分壓（電阻器50%）后本為2.5V作為待測(cè)信號(hào)，顯示結(jié)果如圖，2.49V（第二個(gè)小數(shù)點(diǎn)問題解決中）?？蓽y(cè)得最小值如圖（分壓比為1%時(shí)），0.058V。參考文獻(xiàn)1 吳金戌、沈慶陽、郭庭吉 8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，2002年；2 楊立、鄧振杰、荊淑霞 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)M.中國鐵道出版社，2006年；3 高峰，單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)M.北京：科學(xué)出版社，2003；4 華成英、童詩白 主編，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）M.高等教育

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