萬(wàn)用表課程設(shè)計(jì)報(bào)告

PAGE23電子測(cè)量課程設(shè)計(jì)題目數(shù)字萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)與制作學(xué)院名稱電氣工程學(xué)院指導(dǎo)老師班級(jí)電子3班學(xué)號(hào)學(xué)生姓名二0一二年一月摘要本文介紹的是數(shù)字萬(wàn)用表的發(fā)展背景和利用單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換芯片結(jié)合的方法設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表。它的具體功能是：測(cè)量直流電壓5V擋和50V擋，測(cè)量電阻1k歐姆，10k歐姆，100k歐姆，1M歐姆，測(cè)量電流。單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)集成了具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)。隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種單片機(jī)蜂擁而至，單片機(jī)技術(shù)已成為一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化科技水平的重要標(biāo)志。本課程設(shè)計(jì)的課題是“數(shù)字萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)”。主要考核我們對(duì)單片機(jī)技術(shù)，編程能力等方面的情況。觀察獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)單片機(jī)的能力，以及實(shí)際編程技能。本課程設(shè)計(jì)主要解決電阻、交直流電流、交直流電壓的測(cè)量，被測(cè)量最后都是以電壓的形式送入AD進(jìn)行測(cè)量的、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等六個(gè)模塊。控制系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0804,顯示部分用1602液晶。關(guān)鍵字：數(shù)字萬(wàn)用表A/D轉(zhuǎn)換與控制ADC0804單片機(jī)ABSTRACTThisarticleintroducedadigitalwatchmillioninthedevelopmentofthebackgroundandtheuseofamonolithicintegratedcircuits,theconversionofawaydchipdesignanumberofschedule.itsfunctionisadcvoltage5v,tomeasurethegearand50v,measuredinohm.resistance1k10ktheohm,theohm,100k1mohms,thecurrentmonolithicintegratedcircuits.acomputerchip,technicalintegrationVLSIadataprocessingcapabilityas(arithmetic,logicanddata,networkinterrupthandling)microprocessor(cpu)monolithicintegratedcircuits.astechnologyevolved.monolithicintegratedcircuitstomonolithicintegratedcircuitstechnologyhasbecomeamoderncountryleveloftechnology.thiscourseoftheimportantissueof"digitaldesignamillioninthedesignofthe"monolithicintegratedcircuits.themainexaminationinourabilityintechnicalandprogrammatic.Programmingabilitytoobservethesituation.anindependentanalysis,designingmonolithicintegratedcircuits,andpracticalskillsinprogramming.thiscourseisdesignedmainlytosolvethecurrent,voltage,stc89c52monolithicintegratedcircuits,theuseofADC0804thatwasliquidcrystal.keyword：DigitaluniversalmeterADchangsandcontrolsADC0804One-chipcomputer目錄一．課程設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)目的1.2設(shè)計(jì)指標(biāo)與要求二．?dāng)?shù)字萬(wàn)用表、STC89C52單片機(jī)及ADC0804芯片簡(jiǎn)介2.1數(shù)字萬(wàn)用表簡(jiǎn)介2.2STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介2.3ADC0804芯片簡(jiǎn)介三.數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)的兩種方案介紹3.1由數(shù)字電路及芯片構(gòu)造3.2由單片機(jī)系統(tǒng)及AD轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)造四．硬件電路系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2AD轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的連接4.3單片機(jī)與LCD1602的連接4.44.54.64.74.84.94.10系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)總結(jié)參考文獻(xiàn)附錄附錄1：實(shí)物圖附錄2：元件清單課程設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)目的采用8位8路A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804和STC89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)字多用表，能進(jìn)行電壓、電流和電阻的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果通過(guò)LED數(shù)碼管顯示，通過(guò)按鍵進(jìn)行測(cè)量功能轉(zhuǎn)換。1.2設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求電壓測(cè)量范圍0~5V，測(cè)量誤差約為0.02V，電流測(cè)量范圍1~100mA，測(cè)量誤差約為0.5mA，電阻測(cè)量范圍0~1000Ω，測(cè)量誤差約為2Ω。二．?dāng)?shù)字萬(wàn)用表、STC89C52單片機(jī)及ADC0804芯片簡(jiǎn)介2.1數(shù)字萬(wàn)用表簡(jiǎn)介數(shù)字萬(wàn)用表采用的是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后再通過(guò)顯示器件顯示。這種電子測(cè)量的儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用逐漸推廣到系統(tǒng)的自動(dòng)控制信實(shí)驗(yàn)研究的領(lǐng)域，提出了將各種被觀察量或被控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)碼的要求，即為了實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)處理的需要；另一方面，也是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，帶動(dòng)了脈沖數(shù)字電路技術(shù)的進(jìn)步，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測(cè)量?jī)x表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展是密切相關(guān)的；同時(shí)，為革新電子測(cè)量中的繁瑣和陳舊方式也催促了它的飛速發(fā)展，如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。 如今，數(shù)字萬(wàn)用表已絕大部分已取代了傳統(tǒng)的模擬指針式萬(wàn)用表。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的模擬指針式萬(wàn)用表功能單一，精度低，讀數(shù)的時(shí)候也非常不方便，很容易出錯(cuò)。而采用單片機(jī)的數(shù)字萬(wàn)用表由于測(cè)量精度高，速度快，讀數(shù)時(shí)也非常的方便，抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛的應(yīng)用于電子及電工的測(cè)量，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，顯示出強(qiáng)大的生命力。目前實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用數(shù)字化測(cè)量的方法仍然模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的方法。而數(shù)字萬(wàn)用表種類繁多，型號(hào)新異，目前國(guó)際仍未有統(tǒng)一的分類方法。而常用的分類方法有如下幾種：按用途來(lái)分：有直流數(shù)字萬(wàn)用表，交、直流數(shù)字萬(wàn)用表，交直流萬(wàn)用表等。按顯示位數(shù)來(lái)分：有4位，5位，6位，7位，8位等。按測(cè)量速度來(lái)分：有低準(zhǔn)確度，中準(zhǔn)確度，高準(zhǔn)確度等。按測(cè)量速度來(lái)分：有低速，中速，高速，超高速等。在電量的測(cè)量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)量。其中，電壓量的測(cè)量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測(cè)量高精度的電壓，所以數(shù)字萬(wàn)用表就成為一種必不可少的測(cè)量?jī)x器。另外，由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)而倍受用戶青睞，數(shù)字式萬(wàn)用表就是基于這種需求而發(fā)展起來(lái)的，是一種必不可少的電子測(cè)量?jī)x表。2.2STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介51系列STC89C52，它是低電壓、低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，并與MCS-51系列單片機(jī)兼容。在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)起著連接硬件電路與程序運(yùn)行及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的任務(wù)，一方面，它將A/D轉(zhuǎn)換器、顯示器等通過(guò)I/O口地址線和數(shù)據(jù)線連接起來(lái)；另一方面，它將用戶下載的程序通過(guò)控制總線控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)電壓的功能。2.3ADC0804芯片簡(jiǎn)介ADC0804芯片引腳圖ADC0804工作原理ADC0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D轉(zhuǎn)換器，這類型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價(jià)錢便宜的優(yōu)點(diǎn)，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計(jì)上。以輸出8位的ADC0804動(dòng)作來(lái)說(shuō)明“連續(xù)漸進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器”的轉(zhuǎn)換原理，動(dòng)作步驟如下表示（原則上先從左側(cè)最高位尋找起）。第一次尋找結(jié)果：10000000（若假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）第二次尋找結(jié)果：11000000（若假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）第三次尋找結(jié)果：11000000（若假設(shè)值>輸入值，則尋找位＝該假設(shè)位＝0）第四次尋找結(jié)果：11010000（若假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）第五次尋找結(jié)果：11010000（若假設(shè)值>輸入值，則尋找位＝該假設(shè)位＝0）第六次尋找結(jié)果：11010100（若假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）第七次尋找結(jié)果：11010110（若假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）第八次尋找結(jié)果：11010110（若假設(shè)值>輸入值，則尋找位＝該假設(shè)位＝0）這樣使用二分法的尋找方式，8位的A/D轉(zhuǎn)換器只要8次尋找，12位的A/D轉(zhuǎn)換器只要12次尋找，就能完成轉(zhuǎn)換的動(dòng)作，其中的輸入值代表圖1的模擬輸入電壓Vin。分辨率與內(nèi)部轉(zhuǎn)換頻率的計(jì)算對(duì)8位ADC0804而言，它的輸出準(zhǔn)位共有28＝256種，即它的分辨率是1/256，假設(shè)輸入信號(hào)Vin為0～5V電壓范圍，則它最小輸出電壓是5V/256＝0.01953V，這代表ADC0804所能轉(zhuǎn)換的最小電壓值。表1列出的是8～12位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和最小電壓轉(zhuǎn)換值。表1A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和最小電壓值位數(shù)目分辨率最小電壓轉(zhuǎn)換值81/2560.01953V101/10240.00488V121/40960.00122V圖2ADC0804與CPLD&FPGA、8051單片機(jī)等典型連接圖頻率計(jì)算方式是：fCK＝1/(1.1×R×C)若以圖2的R＝10KΩ、C＝150PF為例，則內(nèi)部的轉(zhuǎn)換頻率是fCK＝1/（1.1×10KΩ×150PF）＝606KHz三.數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)的兩種方案介紹設(shè)計(jì)數(shù)字萬(wàn)用表有多種的設(shè)計(jì)方法，方案是多種多樣的，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導(dǎo)致對(duì)模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進(jìn)而又使對(duì)數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實(shí)的工作生活中，萬(wàn)用表的測(cè)量范圍是比較大的，所以必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減，而各個(gè)數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹兩種數(shù)字萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)方案。3.1由數(shù)字電路及芯片構(gòu)造這種設(shè)計(jì)方案是由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓源；數(shù)字部分包括計(jì)數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，A/D轉(zhuǎn)換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是相互聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號(hào)，按規(guī)定的時(shí)序?qū)/D轉(zhuǎn)換器中各組模擬開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)，保證A/D轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)計(jì)數(shù)譯碼電路變換成段碼，最后驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出相應(yīng)的數(shù)值。此方案設(shè)計(jì)其優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)計(jì)成本低，能夠滿足一般的電壓測(cè)量。但設(shè)計(jì)不靈活，都是采用純硬件電路。很難將其在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。3.2由單片機(jī)系統(tǒng)及AD轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)造這種方案是利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。由于單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出來(lái)。此方案的原理是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，被測(cè)量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測(cè)電壓。模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片將被測(cè)量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來(lái)采集這些數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定的算法計(jì)算出被測(cè)量電量的值。最后單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好了的被測(cè)電量值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示。此方案不僅能夠繼承上一種方案的各種優(yōu)點(diǎn)，還能改進(jìn)上一種設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)不靈活，難與在原基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展等不足。根據(jù)上述，我選擇單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換芯片結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)。使用的基本元器件是：STC89C51單片機(jī)，TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，LM339電壓比較器，CD4051模擬開(kāi)關(guān)，1602液晶顯示器，開(kāi)關(guān)，按鍵，電容，電阻，晶振，標(biāo)準(zhǔn)電源等等。硬件電路系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2AD轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)的連接4.3單片機(jī)與LCD1602的連接4.44.54.64.74.8PCB圖4.9交流電壓和電阻測(cè)量模塊交流電壓和電阻測(cè)量模塊的電路原理圖如下所示：交流電壓和電阻測(cè)量模塊的電路PCB圖如下所示：4.10峰值檢波器電路原理峰值檢波器工作原理：峰值檢波器，它是一個(gè)能記憶信號(hào)峰值的電路，其輸出電壓的大小，一直追隨輸入信號(hào)的峰值，而且保持在輸入信號(hào)的最大峰值。

峰值檢波器電路

當(dāng)V1〉V時(shí)，信號(hào)由（+）端加入，OPA的輸出Va為正電壓，二級(jí)管D導(dǎo)通，于是輸出電流經(jīng)D對(duì)電容C充電一直充至與Vi相等之電壓。（當(dāng)D導(dǎo)電時(shí)此電路作用如同—電壓跟隨器）。當(dāng)V1〈V。時(shí)：OPA的輸出Va為逆向偏壓，相當(dāng)于開(kāi)路，于是電容C既不充電也不放電，維持于輸入之最大值電壓。下圖為輸出與輸入的充放電情形，其中輸出波形V。，一直保持在輸入波形Vi的最大峰值。峰值檢波、準(zhǔn)峰值檢波和平均值檢波的區(qū)別采用準(zhǔn)峰值檢波是民用電磁騷擾發(fā)射測(cè)試特點(diǎn)，由于民用的電磁兼容產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)都是從CISPR標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的，這些標(biāo)準(zhǔn)都是為了保證通信和廣播的暢通而編制的，因此騷擾對(duì)通信和廣播的影響最終是有人的主觀聽(tīng)覺(jué)效果來(lái)判斷，平均值檢波和峰值檢波都不足以描述脈沖的幅度，寬度和頻度對(duì)視覺(jué)造成的影響，而必須用準(zhǔn)峰值檢波，只有準(zhǔn)峰值檢波才比較符合人耳對(duì)聲音的反應(yīng)規(guī)律。幾種檢波方式的各自特點(diǎn)：

1.平均值檢波：其最大特點(diǎn)是檢波器的充放電時(shí)間常數(shù)相同，特別適用于對(duì)連續(xù)波的測(cè)量。2.峰值檢波：它的充電時(shí)間常數(shù)很小，即使是很窄的脈沖也能很快充電到穩(wěn)定值，當(dāng)中頻信號(hào)消失后，由于電路的放電時(shí)間常數(shù)很大，檢波的輸出電壓可在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持在峰值上。峰值檢波的特點(diǎn)首先在軍用設(shè)備的騷擾發(fā)射試驗(yàn)中被優(yōu)先采用，因?yàn)楹枚嘬娪醚b備只要單次脈沖的激勵(lì)就可以造成爆炸或數(shù)字設(shè)備的誤動(dòng)作，而無(wú)需像音響設(shè)備那樣講究時(shí)間的積累。

3.準(zhǔn)峰值檢波：這種檢波器的沖放點(diǎn)時(shí)間常數(shù)介于平均值于峰值之間，在測(cè)量周期內(nèi)的檢波器輸出既與脈沖幅度有關(guān)，又與脈沖重復(fù)頻率有關(guān)，其輸出與干擾對(duì)聽(tīng)覺(jué)造成的效果相一致。4．準(zhǔn)峰值測(cè)試的主要問(wèn)題與改進(jìn)措施

用準(zhǔn)峰值檢波方式進(jìn)行測(cè)試的主要問(wèn)題是測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。表1是準(zhǔn)峰值檢波和峰值檢波的測(cè)試時(shí)間比較。

采由于準(zhǔn)峰值測(cè)量占用的時(shí)間比較長(zhǎng)，測(cè)試的效率比較低，作為改進(jìn)，實(shí)用中常用峰值檢波作第一輪測(cè)試，因?yàn)槿N檢波當(dāng)中，用峰值檢波得到的測(cè)值應(yīng)當(dāng)最高，如果首輪測(cè)值比標(biāo)準(zhǔn)給定的準(zhǔn)峰值和平均值都要來(lái)得低的話，則以后的試驗(yàn)不用進(jìn)行，便能判定試驗(yàn)已經(jīng)通過(guò)。如果峰值測(cè)試中有部分測(cè)值高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定準(zhǔn)峰值和平均值，則就取超過(guò)部分的頻段補(bǔ)做準(zhǔn)峰值和平均值的測(cè)試，即使這樣，整個(gè)測(cè)試時(shí)間也短于全部用準(zhǔn)峰值和平均值檢波的測(cè)試。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)電壓表程序如下：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitADCS=P3^2;sbitADRD=P3^7;sbitADWR=P3^6;sbitlcdrs=P2^6;sbitlcdrw=P2^5;sbitlcden=P2^4;voiddelay(uintxms){uinti,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}voidwrite_com(ucharcom){lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;_nop_(); _nop_();P0=com;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();lcden=1;_nop_();_nop_();_nop_();lcden=0;}voidwrite_data(uchardate){lcdrs=1;lcden=0;lcdrw=0;P0=date;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();lcden=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();lcden=0;}voidlcd_init(){write_com(0x38);delay(1);write_com(0x0c);delay(1);write_com(0x06);delay(1);write_com(0x01);delay(1);}voidlcd_pos(ucharpos){ write_com(pos|0x80); //設(shè)定顯示位置}voiddis1(uchari){ switch(i) { case0: write_data(0x30); break; case1: write_data(0x31); break; case2: write_data(0x32); break; case3: write_data(0x33); case4: write_data(0x34); break; case5: write_data(0x35); break; case6: write_data(0x36); break; case7: write_data(0x37); break; case8: write_data(0x38); break; case9: write_data(0x39); break; case10: write_data(0x55); break; case11: write_data(0x3a); break; case12: write_data(0x2e); break; case13: write_data(0x76); break; case14: write_data(0x3e); break; case15: write_data(0x3e); break; case16: write_data(0x57); break; case17: write_data(0x65); break; case18: write_data(0x6c); break; case19: write_data(0x63); break; case20: write_data(0x6f); break; case21: write_data(0x6d); break; case22: write_data(0x65); break; }}voiddisplay(ucharbai,ucharshi,ucharge){