數(shù)字萬用表的設(shè)計

1、天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院?？飘厴I(yè)論文單片機(jī)數(shù)字萬用表的設(shè)計一、引言數(shù)字萬用表是一種多用途電子測量儀器。它采用數(shù)字化測量技術(shù)，把實際測量的模擬量，轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字量進(jìn)行輸出顯示，主要用于物理、電氣、電子等測量領(lǐng)域，一般包含電流表（安培計）、電壓表（伏特計）、電阻表（歐姆計）等功能，也稱為萬用計、多用計、多用電表或萬用電表。萬用表是電子和電氣技術(shù)領(lǐng)域必備的測量儀器，用于測量電子電路中的各種物理量（電壓、電流、電阻等），常作為基本故障診斷的便攜式裝置，也有放置在工廠或?qū)嶒炇夜ぷ髋_上作為桌上型裝置。有的萬用電表分辨率能達(dá)到七、八位數(shù)，常用在實驗室，作為電壓或電阻的基準(zhǔn)，或用來調(diào)校多功能標(biāo)準(zhǔn)器的性能。相比傳

2、統(tǒng)的指針式萬用表，數(shù)字萬用表具有以下的主要優(yōu)點：（1）數(shù)字顯示直觀準(zhǔn)確，無視覺誤差，讀數(shù)準(zhǔn)確；（2）測量精度和分辨率都很高；（3）輸入阻抗高，減少對被測電路的工作影響；（4）電路集成度高，便于組裝和維修；（5）測量功能齊全，測量速率快；（6）保護(hù)功能齊全，有過壓、過流保護(hù)電路；（7）功耗低，抗干擾能力強(qiáng)；（8）便于攜帶，使用方便。本次設(shè)計的任務(wù)是制作一個數(shù)字萬用表，可實現(xiàn)如下的功能及要求：（1）可以測量直流電壓、直流電流和電阻；（2）能將測量得到的數(shù)值直觀、準(zhǔn)確地顯示出來，并標(biāo)明相應(yīng)的單位；（3）具有超量程時的報警提示。二、系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計數(shù)字萬用表的基本功能是，能夠測量直流電壓、電流以及電

3、阻的阻值，數(shù)字萬用表的基本組成由圖1所示，其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換是數(shù)字萬用表的核心：小數(shù)點驅(qū)動數(shù)值顯示屏（數(shù)碼管或液晶）基準(zhǔn)電壓數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)值輸出基準(zhǔn)電阻分壓器分流器過壓過流保護(hù)過壓過流保護(hù)譯碼驅(qū)動被測信號圖1. 數(shù)字萬用表的基本原理圖如圖2所示，本設(shè)計將由以下幾大部分組成。包括：復(fù)位電路、震蕩電路、A/D轉(zhuǎn)換和控制、測量值輸出、超量程報警和檔位選擇。其中，復(fù)位電路用于單片機(jī)上電復(fù)位使系統(tǒng)清零；震蕩電路為單片機(jī)提供精確的時鐘頻率，使電路工作更加穩(wěn)定；A/D轉(zhuǎn)換和控制部分負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換及輸入輸出信號的控制；測量值輸出則負(fù)責(zé)顯示待測物理量大小的數(shù)值；超量程報警用于超出量程范圍時的報警提示，提醒使用者更換量程

4、。 復(fù)位電路震蕩電路A/D輸入測量值顯示超量程報警A/D使能主控單元圖2. 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計框圖1、STC的89C52單片機(jī)的特點及功能介紹（1）89C52單片機(jī)的主要特點及功能特性89C52是一款低電壓，高性能的8位CMOS型單片機(jī)，片內(nèi)有8k字節(jié)以Flash閃存為介質(zhì)的，能擦寫的只讀程序存儲器及256字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器。89C52型單片機(jī)仍屬于51單片機(jī)家族群，都支持一個共同的指令集（MSC-51），但各自擁有不同的存儲器容量及端口設(shè)置等內(nèi)置資源，使其更符合成本效益的需要，滿足特定的場合的生產(chǎn)需求。該單片機(jī)在嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。89C52具有以下幾個主要特點：a體積小

5、但集成度高、可靠性較高：該單片機(jī)把各個功模塊集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，將各種信號的通道封裝在同一個芯片中，減少了與其他芯片之間的連線，大大提高了可靠性與線路的抗干擾能力。b控制能力較強(qiáng)：一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極為豐富的轉(zhuǎn)移指令、存儲器讀寫指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能，滿足工業(yè)控制的各種要求。c易于擴(kuò)展：單片機(jī)片內(nèi)已經(jīng)具有計算機(jī)正常運行時所必需的部件，但仍然預(yù)留了很多片外擴(kuò)展用的引腳（各種總線，并行/串行的輸入/輸出），易于組成更龐大計算機(jī)系統(tǒng)完成更復(fù)雜的任務(wù)。d內(nèi)部功能較強(qiáng)：單片機(jī)有著各種的內(nèi)部資源，功能強(qiáng)大。e低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。下面介紹89C52單片

6、機(jī)的主要功能特性：a兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的指令系統(tǒng)；b內(nèi)置8k字節(jié)可擦寫的閃存ROM（Read-Only Memory）；c4組共32個雙向I/O口；d256×8位大小的內(nèi)部RAM；e3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；f支持3.5-12/24/33MHz多種時鐘頻率；g1個全雙工可編程的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitte）串行口；h6個中斷源，4級優(yōu)先級中斷結(jié)構(gòu)；i2個W/R（Write/Read）讀寫中斷口，3級加密位；j低功耗空閑和掉電節(jié)省模式，帶有軟件設(shè)置睡眠及相應(yīng)的喚醒功能；k有PDIP及 PLCC兩種封裝形式。（

7、2）89C52單片機(jī)的引腳功能圖3. 89C52單片機(jī)微架構(gòu)圖圖4. 89C52單片機(jī)引腳圖下面介紹89C52單片機(jī)引腳主要功能：4組I/O口P0口：一組8位漏極開路的準(zhǔn)雙向并行I/O口，擴(kuò)展片外存儲時的地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。P0口與其他幾組I/O口的最大區(qū)別是其內(nèi)部不帶有上拉電阻。P1口：是一組帶內(nèi)置上拉電阻的8位雙向并行I/O 口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL 負(fù)載。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉至高電平后，可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，引腳被外部信號拉低時會輸出

8、電流。另外，P1的P1.0和P1.1口存在第二功能，見下表。表1. P1口的第二功能引腳號功能特性P1.0T2（定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時/計數(shù)器2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P2口：是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O并行 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。作輸入及輸出口時，情況與P1口相似。擴(kuò)展片外存儲時，作為低8位地址總線口。P3口：是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向并行I/O 口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。作為輸入及輸出口時，情況與P1口相似。P3 口還能接收一些用于Flash存儲器編程和程序校驗的控制信號。P3 口除了

9、作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，見表2。其他引腳RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。EA/VPP：外部訪問允許。要讓CPU只訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必需保持低電平（或接地）。當(dāng)EA端為高電平（接Vcc端）時，CPU會執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。VCC：接電源+5V。GND：接地端。表2. P3口的第二功能引腳號功能特性P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0（外部中斷0

10、）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫有效）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀有效）2、模數(shù)轉(zhuǎn)化電路實際的物理量都是幅值大小連續(xù)變化的模擬量，或稱為模擬信號。舊式的指針萬用表可以直接對模擬電壓、電流進(jìn)行測量并顯示。對于數(shù)字萬用表，則需要把模擬量（多是電壓量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的形式，通過相關(guān)的處理（包括存儲、傳輸、計算等）再進(jìn)行顯示。數(shù)字信號是量化的模擬信號，若將最小的量化單位記為，那么數(shù)字信號的大小一定為的整數(shù)倍。該倍數(shù)可以用二進(jìn)制數(shù)碼表示，但為了便于直觀地讀數(shù)，通常把數(shù)碼進(jìn)行譯碼后，由數(shù)碼管或液晶屏幕顯示。當(dāng)模

11、擬信號經(jīng)過量化之后，還需要進(jìn)行編碼處理，是用二進(jìn)制碼組表示固定電平的量化值。目前普遍使用的是非線性的8位二進(jìn)制編碼，可以將輸入的幅度范圍分成256個量化級。由此可知，數(shù)字萬用表測量的核心步驟是模數(shù)轉(zhuǎn)換以及譯碼顯示，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換又可以分為量化及編碼兩大步驟。（1）PCF8591芯片的主要功能特征PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗及8位CMOS工藝制造的AD-DA器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0、A1和A2可用于硬件地址編程。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的

12、方式進(jìn)行傳輸。 圖5. PCF8591的內(nèi)部原理圖PCF8591芯片的引腳功能圖6. PCF8591的引腳圖圖6所示為PCF8591的引腳圖。AIN0AIN3：模擬信號輸入端；A0A2：引腳地址端；VDD、VSS：電源端（2.5-6V）；SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線；OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端；EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，采用內(nèi)部時鐘時EXT接地；AGND：模擬信號地；AOUT：數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出端；VREF：基準(zhǔn)電源端。圖7. 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分原理圖圖7所示為模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。PCF8591芯片作為ADC芯片，使用I2C總線與單片機(jī)通訊，SCL是串行時鐘，SDA是串行數(shù)據(jù)線，輸

13、出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。待測模擬量從AIN0進(jìn)入，其余模擬輸入口因本設(shè)計不需使用而接地。AGND端是模擬地，接上0電阻，而VDD接上接地電容，有效分割模擬地和數(shù)字地，減少高頻數(shù)字信號的干擾。（2）多量程數(shù)字電壓表設(shè)計圖8. 分壓電路的原理如圖8所示，在基準(zhǔn)數(shù)字電壓表頭前加上一級電壓信號衰減電路（分壓電路），可以擴(kuò)展直流電壓測量的量程。圖中，Vo為輸出電壓，基準(zhǔn)電壓表的量程為2V，四個分壓電阻串聯(lián)值為10M，則第4個開關(guān)接入時輸入電壓Vi可以達(dá)到2000V，同理可得其他檔位量程分別為2V、20V、200V、200V。但基于測試安全性，第4檔測試電壓不應(yīng)高于500V。圖9.電壓衰減電路原理圖如圖9所示，

14、R1和R2是分壓電阻，其阻值均為按檔位需要計算后所得，可以將20V的直流電壓衰減為2V輸出，配合20V的直流電壓擋。（3）多量程數(shù)字電流表設(shè)計圖10. 分流電路的原理如圖10電路所示，萬用表測量電流的原理是，用合適的取樣電阻，將待測的電流量根據(jù)歐姆定律轉(zhuǎn)換為電壓量，才能進(jìn)行測量。若取樣電阻阻值為R，根據(jù)歐姆定律，可以獲得被測電流Ii的值。在基準(zhǔn)數(shù)字電流表頭前在加上電流信號衰減電路（分流電路），即可實現(xiàn)直流電流測量量程的擴(kuò)展。如上圖所示，四個電阻串聯(lián)值是1k，若選取第1擋，并使輸出電壓不超過2V，即可計算出Ii必須小于等于2mA。同理可計算出其他檔位的滿量程電流分別為20mA、200mA、2A。

15、圖11.電流衰減電路原理圖如圖11所示，R15和R16是分流電阻，其阻值均為按檔位需要計算后所得，可以將2A的直流電流衰減為200mA，并將電流變換成電壓以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量，配合2A的直流電流檔使用。（4）電阻測量設(shè)計圖12.電阻-電壓變換電路的原理數(shù)字萬用表通常采用電阻-電壓變換電路來測量電阻（歐姆檔）。如圖7所示電路，VDZ1是2.7V穩(wěn)壓管，是一種用特殊工藝制造的硅半導(dǎo)體二極管（康華光，2006）。VT1、VT2、VDZ1組成恒流源，保持V3的值恒定不變。V3的值等于V1電壓減去VDZ1上的電壓，約為2.3V。VT3的基極電壓亦保持不變，若VT3基極和發(fā)射極之間的電壓為0.5V，則可知V

16、2的值恒為2.8V左右，并可得出VT3集電極電流的IC3也是恒定的。其中，接在VT3的發(fā)射極上的一組電阻是基準(zhǔn)電阻，按檔位不同分別是：2.2k、22k、220k、2M。通過選擇不同的檔位開關(guān)，可以得到恒定的、不同倍率的電流IC3，它的電流分別是1mA、0.1mA、0.01mA、0.001mA。RX是待測電阻，接在VT3的集電極上，當(dāng)恒定電流IC3流經(jīng)時，產(chǎn)生電壓VX，測量VX則可推算出待測電阻的阻值。RW用于調(diào)整恒流源IC3的大小，VD3作為保護(hù)管，當(dāng)電阻檔所加的電壓過高時，VD3對VT3有保護(hù)作用。圖13.電阻-電壓變換電路原理圖圖13所示電路為電阻測量電路。其中，電阻R13和R14構(gòu)成一組

17、基準(zhǔn)電阻。電路工作時，PNP管Q3的集電極電流IC3是恒定的，R18和R19負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)IC3的大小。通過接入不同的電阻（R20或R21），可獲得不同的倍率的集電極電流IC3，電流通過待測電阻Rx形成電壓Vx。通過測量Vx即可獲得待測電阻的阻值。經(jīng)過計算，可知R20分支可測量的最大電阻值為2k，R21分支為20k。而P4端則是作為待測電阻的接口。3、電源模塊圖14.電源部分原理圖如圖14所示，POWER端接外部直流電源，另外可以利用USB（Universal Serial Bus）端口直接提供5V電壓。7805是三端穩(wěn)壓集成芯片，起穩(wěn)壓輸出的作用，通過外圍電路的組合，可以穩(wěn)定輸出5V直流電壓。圖中

18、的LED燈可以作為電源電路開始工作的提示器。4、報警模塊圖15.報警提示部分原理圖圖15所示為蜂鳴器驅(qū)動電路。當(dāng)出現(xiàn)測量值超出預(yù)定量程時，蜂鳴器會發(fā)出“嘀”聲報警。其實質(zhì)是通過編程使單片機(jī)的引腳輸出低電平，使Q1導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲。5、單片機(jī)最小系統(tǒng)圖16.單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖16所示，本次設(shè)計采用STC公司的89C52型單片機(jī)作為控制芯片，并采用RC上電復(fù)位電路用于單片機(jī)復(fù)位，配合頻率為11.0592MHz的外部震蕩電路，作為外部時鐘信號，提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)（張景璐等，2010）。P1.0-P1.3作為按鍵的輸入線，P1.4及P1.5分別作為ADC芯片I2C總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線。P

19、0口作為1602液晶的數(shù)據(jù)總線，P2.0和P2.1作為1602液晶的控制線，另外P3.7用作控制蜂鳴器。6、顯示輸出模塊圖17.顯示輸出部分原理圖如圖17所示，采用1602液晶作為輸出顯示器，讀數(shù)更加準(zhǔn)確和直觀，能顯示比數(shù)碼管更豐富的信息。其中RS和RE為液晶的控制線，DB0-DB7為液晶的數(shù)據(jù)線，均與單片機(jī)的相應(yīng)I/O口相連。Vo端接上一個10k的電位器再接地，通過調(diào)節(jié)電位器，可以調(diào)節(jié)液晶字符顯示的明暗度，防止“鬼影”現(xiàn)象的出現(xiàn)。7、開關(guān)及量程選擇模塊圖18.開關(guān)及量程選擇部分原理圖如圖18所示，撥碼開關(guān)S1的左側(cè)三個端口分別接上分壓器、分流器、電阻測量電路，使用時撥動不同開關(guān)，連通對應(yīng)的電

20、路，測量不同的物理量。而下面的4個按鍵，負(fù)責(zé)通知單片機(jī)當(dāng)前所選的待測物理量及檔位，改變液晶顯示器數(shù)值的輸出方式。8、電路工作描述將相應(yīng)的控制程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)是使電路各部分能協(xié)調(diào)工作，完成既定任務(wù)的前提。通過按鈕選取要測量的物理值（電壓、電流或電阻），然后通過選取合適的量程進(jìn)行測量，以獲得更準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過I2C總線控制PCF8591芯片，完成A/D轉(zhuǎn)換，并通過該總線讀取其輸出的數(shù)據(jù)。單片機(jī)根據(jù)所選檔位和量程對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，送至1602液晶處進(jìn)行輸出。若發(fā)生待測信號超出量程的情況，蜂鳴器會立即報警，提示使用者切換更高的量程進(jìn)行測量。另外，通過單片機(jī)的復(fù)位按鈕，可以對系統(tǒng)進(jìn)行清零。三、系

21、統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計的思路是：使用C語言，將各部分的驅(qū)動程序（1602液晶、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、按鍵、蜂鳴器等）分別編寫在不同子文件中，減少主文件的復(fù)雜度，增加可讀性。然后，在主函數(shù)中，先初始化液晶顯示器，然后進(jìn)入大循環(huán)。在大循環(huán)中，讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)，并根據(jù)按鍵的輸入情況，確定物理量和量程，如果發(fā)生超出量程的情況，調(diào)用蜂鳴器進(jìn)行報警，否則對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理，最后發(fā)送至液晶顯示器進(jìn)行輸出。主要程序模塊流程圖如下所示初始化系統(tǒng)開始結(jié)束初始化液晶獲取量程信息開始A/D轉(zhuǎn)換讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)超限？送液晶顯示報警YN圖19.軟件總流程圖Y開始電壓量程選擇選擇20V檔位選擇2V檔位結(jié)束是否超

22、過2V?N圖20.電壓測量流程圖開始電流量程選擇選擇200mA檔位選擇2A檔位結(jié)束是否超過2A?NY圖21.電流測量流程圖開始電阻量程選擇選擇2k檔位選擇20k檔位結(jié)束是否超過2k?NY 圖22.電阻測量流程圖四、仿真測試1、功能仿真（1）電壓表仿真如圖23所示，當(dāng)輸入的模擬直流電壓為1.6V時（2V電壓檔），系統(tǒng)測量后，液晶顯示輸出電壓值為1.6V。圖23. 2V電壓表仿真圖如圖24所示，當(dāng)輸入的模擬直流電壓為16V時（20V電壓檔），系統(tǒng)測量后，液晶顯示輸出電壓值為16V。圖24. 20V電壓表仿真圖（2）電流表仿真如圖25所示，當(dāng)輸入的模擬直流電壓為180mA時（200mA電流檔），系統(tǒng)

23、測量后，液晶顯示輸出為180mA。圖25. 200mA電流表仿真圖如圖26所示，當(dāng)輸入的模擬直流電壓為1.8A時（2A電流檔），系統(tǒng)測量后，液晶顯示輸出為1.8A。圖26. 2A電流表仿真圖（3）歐姆表仿真如圖27所示，當(dāng)接入的電阻阻值為1.5k時（2k歐姆檔），系統(tǒng)測量后，液晶顯示輸出阻值為1.39k。圖27. 2k電阻表仿真圖如圖28所示，當(dāng)接入的電阻阻值為15k時（20k歐姆檔），系統(tǒng)測量后，液晶顯示輸出阻值為13.9k。圖28. 20k電阻表仿真圖2、實際電路本次設(shè)計電路走線較多且比較復(fù)雜，雙面板比單片面板更適合用在復(fù)雜的電路上。如圖29所示，上層為紅色走線，底層為藍(lán)色走線。圖29.PCB布線圖圖30.PCB制版成品圖31.成品外觀3、測試結(jié)果表3.電壓測量數(shù)據(jù)穩(wěn)壓源輸出值（V）測量值（V）誤差（%）0.150.1500.550.51-7.31.000.97-31.501.500.01.701.700.01.901.86-2.13.303.52+6.