簡易數(shù)字萬用表的方案設(shè)計(jì)書

1、2013 年江西省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)簡易數(shù)字萬用表（ C 題）2013年 5月 28 日摘要 0一設(shè)計(jì)任務(wù)1二系統(tǒng)方案2三理論分析與計(jì)算33.1 器件的選擇與比較33.2 測量電路的設(shè)計(jì)和分析 33.2.1 模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路3.2.2 多量程數(shù)字電壓表原理33.2.3 多量程數(shù)字電流表原理43.2.4 電阻的測量原理53.2.5 電容測量原理6四電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)74.1 直流電壓測量電路74.2 直流電流測量電路74.3 電阻測量電路 84.4 測電容電路 84.5 最小系統(tǒng)電路9五測試方案105.1 硬件調(diào)試101 .測試儀器102 .測試方法105.2 軟件調(diào)試105.3

2、 硬件軟件聯(lián)合調(diào)試 10模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是： 105.4 測試流程 115.4.1 整體測試流程115.4.2 電壓測試流程115.4.3 電阻測量流程115.4.4 電流測試流程12參考文獻(xiàn) 13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)字萬用表，能夠測量直流電壓值、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)整體硬件更簡單，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 ST

3、C12C5A60S2 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)字萬用表；單片機(jī)； AD 轉(zhuǎn)換1 .設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)支持直流電壓、直流電流、電阻測量的數(shù)字萬用表。2 .測量范圍：直流電壓0.1V-100V;直流電流10mA-500mA;電阻lOOQ-IMQ。3 使用按鍵或者撥碼開關(guān)進(jìn)行測量類型選擇，并用數(shù)碼管顯示器顯示測量數(shù)值，發(fā)光二極管指示測量類型與單位。4 . 測量精度：±5%。二系統(tǒng)方案選用 STC12C5A60S2 單片機(jī)來制作

4、數(shù)字萬用表。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）,針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。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 作 電 壓 ： 5.5V- 3.3V （ 5V 單 片 機(jī) ）STC12LE5A60S2 系列工作

5、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)時(shí)鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 輸出時(shí)鐘，可

6、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（ 也可通過寄存器設(shè)置到 P4.2 ）, CCP1/P1.4 （也可通過寄存器設(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25萬次）18.通用全雙工異步串行口 （UART） ，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定時(shí)

7、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 ADC0809轉(zhuǎn)換芯片來對電壓的采集。方案2.選用STC12C5A60S2單片機(jī)，它有自帶的 AD ,操作起來硬件電路更方便。通過分析選擇方案 2.3.2 測量電路的設(shè)計(jì)和分析3.2.1 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路常見的物理量都是幅值（大?。┻B續(xù)變化的所謂模擬量（模擬彳t號(hào)）。指針式儀 表可以直接對模擬電壓、電流進(jìn)行顯示。而對數(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)算等 ）。數(shù)字信號(hào)與模 擬信號(hào)不同，其

8、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）為小，則數(shù)字信號(hào)的大小一定是的整數(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)過數(shù)碼變換（譯碼）后由數(shù)碼管顯示出來。例如，設(shè)i=0.1mV ,我們把被測電壓 U與比較，看U是的多少倍，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即可滿足測量精度要求 （量化誤差w 1/1000=0.1%）。最常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為1999,被稱為三位半（1 32 ）數(shù)字 表。對上述情況，我們把小數(shù)點(diǎn)定在最末位之前，顯示出來的就是以 mV為單位的被測電壓 U的大小。如：U是40

9、.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，就可以測量顯示-199.9199.9mV的電壓，顯示精度為0.1mVo由上可見，數(shù)字測量儀表的核心是模數(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分壓電路（分壓器），可以擴(kuò)展直流電壓測量的量程。如圖3.1所示，0U為電壓表頭的量程（如200mV）, r為其內(nèi)阻（如）,什、2r為分壓電阻， 10U為擴(kuò)展后的量程。由于r>>r2 ,所以分壓比為:擴(kuò)展后的量程為:ri數(shù)字電壓表頭圖3

10、.1電壓測量原理圖3.2.3多量程數(shù)字電流表原理測量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律,用合適的取樣電阻把待測電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測量。如圖 3.2,由于r»R,取樣電阻R上的電壓降為:即被測的電流為:圖3.2電流測量原理圖若數(shù)字表頭的電壓量程為Uo,欲使電流檔量程為Io,則該檔的取樣電阻（也稱分流電阻）為:如Uo=200mV ,則Io=200mA檔的分流電阻為 1R。3.2.4 電阻的測量原理方案一 ：R/U轉(zhuǎn)換測量法數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例測量法，給電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓，流過標(biāo)準(zhǔn)電阻Ro和被測電阻 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

11、A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓 Uref和輸入電壓Uin有如下關(guān)系:即：UnU jtEF因此，我們只要選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻并適當(dāng)?shù)貙π?shù)點(diǎn)進(jìn)行定位，就能得到不同的電 阻測量檔。方案二：R/f轉(zhuǎn)換測量法把電阻R轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f,轉(zhuǎn)換的原理分別是RC振蕩電路和555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，通過計(jì)數(shù)則可以計(jì)算出被測頻率，再通過該頻率，通過公式計(jì)算 出各個(gè)電阻參數(shù)。然后根據(jù)所測頻率來判斷是否轉(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)

12、換測量法該方法是給待測電阻提供一個(gè)恒定電流，利用單片機(jī)的 A/D采集其兩端的 電壓來確定其電阻值，方式為 R=U/I。3.2.5 電容測量原理把電容C轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f,轉(zhuǎn)換的原理分別是RC振蕩電路和555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，通過計(jì)數(shù)則可以計(jì)算出被測頻率，再通過該頻率，通過公式計(jì)算出各個(gè)電阻參數(shù)。然后根據(jù)所測頻率來判斷是否轉(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四.電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)4.1 直流電壓測量電路圖4.1直流電壓測量電路該電路功能為電

13、壓轉(zhuǎn)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（0-5v）再通過 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（即達(dá)到測量電壓的效果）。圖中 Vin：為被測電壓正輸入端；COM:為被測電壓地；A、B、C為MCU的I/O控制端，通通過 A、B、C三端電平組合狀態(tài)可以切換被測電壓范圍（分別是 0-5v、0- 30v、0-125v、0-255v）。4.2 直流電流測量電路圖4.2直流電流測量電路本電路功能是將被測直流電流或微直流電流放大并且轉(zhuǎn)換成電壓輸出。通過選擇不同 的電阻網(wǎng)絡(luò)可以改變放大倍數(shù)o4.3 電阻測量電路圖4.3電阻測量電路圖此電路通過測被測電阻兩端的電壓，然后將此

14、電壓與相應(yīng)檔位的電阻兩端的電壓的 比值，MCU控制四個(gè)檔位。4.4 測電容電路圖4.4電容測量電路圖通過T=0.693*R*C ,得C=T/(0.693*R),在被測端接入被測電容，根據(jù) 3腳輸出的脈沖周期求出電容的大小。4.5最小系統(tǒng)電路11 IIIIII圖4.5最小系統(tǒng)圖五測試方案5.1 硬件調(diào)試測試儀器與方法1.1 試儀器測試儀器包括數(shù)字萬用表、直流穩(wěn)壓電源等。1.2 試方法數(shù)字萬用表主要用來測試分立元件的電阻、壓降等參數(shù)，以檢測模塊是否可行。軟件 KEIL4 用于調(diào)試軟件。1.3 軟件調(diào)試本程序較大且復(fù)雜，因此采用 C 語言編寫，通過 keil 軟件的不斷調(diào)試修改，采自下而上的調(diào)試方法

15、，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。1.4 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)生對象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。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：單個(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)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便；模塊程序簡單性為觀察者帶來方便。1.5 測試流程1.5.1 整體測試流程5.4.2電壓測試流程圖5.2電壓測量流程圖5.4.3電阻測量流程圖5.3電阻測量流程圖5.4.4電流測試流程圖5.4電流測試流程圖1.6 測試結(jié)果5.5