数字万用表毕业设计论文..

1、摘要本次设计用单片机芯片 AT89s52 设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值、 直流电流、直流电阻以及电容，四位数码显示。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电 阻、电容测试芯片电路、 51单片机最小系统、显示部分、报警部分、 AD 转换和控制部 分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路使用了 AD0809 数据转 换芯片，单片机系统设计采用AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和 11.0592MHZ震荡电路，显示芯片用 TEC6122，驱动8位数码管显示。程序每执行周期 耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。关键词 ：数字万用表；AT89S52单片机；A

2、D转换与控制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, four numbers show. This system is shunted resistance, resistance of partial pressure,

3、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 ensured, this circuit has used AD0809 data to change the chip, the one-chip computer

4、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 TEC6122, urge 8 numbers to be in charge of showing. The every execution cycle consumin

5、g time of procedure contracts to get shortest, in this way the real-time character of the security system.Keyword： Digital universal meter； AT89S52 one-chip computer AD changes andcontrols目录摘要 1Abstract 2绪论 1第一章数字万用表设计背景 31.1 数字万用表的设计目的和意义 31.2 数字万用表的设计依据 31.3数字万用表设计重点解决的问题 3第二章数字万用表总体设计方案 52.1 数字万用

6、表的基本原理 52.2 数字万用表的硬件系统设计总体框架图 1 12.3硬件电路设计方案及选用芯片介绍 1 12.3.1 设计方案 1 22.3.2 芯片选择及功能简介 1 22.4数字万用表的硬件设计 252.4.1 分模块详述系统各部分的实现方法 252.4.2 数字万用表控制硬件整体结构图 312.4.3 电路的工作过程描述 32第三章系统软件与流程图 333.1 电路功能模块 333.2 系统总流程图 343.3 物理量采集处理流程 353.4电压测量过程流程图 353.5 电流的测量过程流程图 363.6电阻的测量过程流程图 373.7电容测量过程流程图 38结 论 40致 谢 41

7、参考文献 42第一章 绪 论数字万用表亦称数字多用表 ,简称 DMM（Digtial Multimeter） 。它是采用数字化测量 技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指 针式万用表功能单精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片的数字万用表，精度 高、抗干扰能力强，可扩展尾强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字电万 用表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领 域，显示出强大的生命力。数字万用表具有以下几点特点：1）显示清晰直观，计数准确 为了提高观察的清晰度，新型的手持式数字用用表（ HDMM ）已普遍采用字高为

8、 26mm 的大屏幕LCD （液晶显示器）。有些数字万用表还增加了背光源， 以便于夜间观察读数。2）显示位数数字万用表的显示位数通常为 3 位半到 8 位半。3）准确度高 准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度， 也反映了测量误差的大小，准确度愈高，测量误差愈小。数字万用表的准确度远优于指 针万用表。4）分辨力高 数字万用表在最低电压量程上末位 1 个字所代表的电压值，称作仪表的分辨力，宏观世 界反映了仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。5）测试功能强数字万用表不公可以测量直流电压（DCV ）、交流电压（ACV ）、直流电流（DCA ）、交 流电

9、流（ACA ）、电阻（Q）、二极管正向压降（Uf）、等等。新型数字万用表大多增加 了下述测试功能：读数保持（HOLD ）、逻辑（LOGIC ）测试等等。6）测量范围宽 数字万用表可满足常规电子测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。7）测量速率快数字万用表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率，单位是“次/秒”。它主要取决于 A/D 转换器的转换速率。一般数字万用表的测量速率为25 次/秒。有的能达到 20次/秒以上，另有的一些比这个还要高得多。 数字万用表可满足不同用户对测量速率的需 要。8）输入阻抗高数字万用表电压挡具有很高的输入阻抗， 通常为1010000MQ ,从被测电路上吸取的电

10、 流小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。9）集成度高，微功耗新型数字万用表普遍采用 CMOS 大规模集成电路的 A/D 转换器，整机功耗很低， 3 位 半，4位半手持式数字万用表的整机功耗仅几十毫瓦，可用 9V 叠层电池供电。10）保护功能完善，抗干扰能力强 数字万用表具有比较完善的保护电路，过载能力强，新型数字万用表还增加了高压保护 器件，能防止浪涌电压。本设计就是基于这个基础设计一个基于单片机的数字万用表。 该设备具有直观简单的优 点。并且能深入的说明万用表的测量原理。能直观的了解万用表各个部分的结构和测试 原则。31. 数字万用表设计背景自从 1977 年

11、世界上首台手持式数字万用表问世以来，研究者在万用表的功能和设 计上不断创新，新品迭出。 数字万用表是电测技术中的一种常用仪表，它把电子技术、 计算技术、自动化技术的成果和电测技术结合在一起，以其操作方便、读数准确、体积 小巧、携带方便等优点成为现代测量中不可缺少的仪器，它可以测量直流电流、交流电 流、直流电压、交流电压、电阻、电容、二极管的正向压降等，正在许多领域取代模拟 式（即指针式 ）万用表。具有使用方便、灵敏度高、测量速度快、量程宽、过载能力强、 输人阻抗高、指示值具有客观性 （不存在视觉误差 ） 、扩展能力强等优点。1.1 数字万用表的设计目的和意义数字万用表是当前电子、电工、仪器、仪

12、表和测量领域大量使用的一种基本测量， 已被广泛应用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域， 示出强大的生命力。随着时代科技的进步，数字万用表的功能越来越强大，把电量及非 电量的测量技术提高到崭新水平。1.2 数字万用表的设计依据根据数字万用表的原理，结合以下的设计要求： “设计一个数字万用表，能够测量 交、直流电压值，直流电流、直流电阻，四位数码显示。 实现多级量程的直流电压测量， 其量程范围是200mv、2v ,20v,200v和500v.实现多级量程的交流电压测量，其量程范围 是200mv、2v ,20v,200v和500v.实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是

13、2mA ,20mA, 200mA、2A和20A.实现多级量程的电阻测量，其量程范围是 200、2k ,20k,200k 和2M。以及电容测量电路。由此设想出以下的解决方法，即数字万用表的系统由分流 电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、 51 单片机最小系统、显示部分、报警 部分、 AD 转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障。1.3 数字万用表设计重点解决的问题本设计重点要解决的问题是对不同量程的各种测量内容的转换， 还有就是各部分电 路组合成一个完整的数字万用表，而难点解决的问题就是程序的设计，要保正其可行性 从而保证设计的正确性。2013 届湖北汽车工业学院毕

14、业设计（论文 ）2数字万用表总体设计方案2.1数字万用表的基本原理数字万用表的最基本功能是能够测量交直流电压，交直流电流，还有能够测量电阻,b电阻弋寸|井压器虫整T. _交滬宜流变棋器过压过流保护分流器蛊思转换图2.1数字万用表的基本组成数字万用表的基本组成见图2.1。过乐过谎愎护f分档电阻（量程转换）下面我们分别介绍各个部分的组成：2.1模数（A/D）转换与数字显示电路常见的物理量都是幅值（大小）连续变化的所谓模拟量（模拟信号）。指针式仪表可以 直接对模拟电压、电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号（通常是电压信号）转换成数字信号，再进行显示和处理（如存储、传输、打印、运算等）。数字

15、信号与模拟信号不同，其幅值（大小）是不连续的。这种情况被称为是“量化的” C 若最小量化单位（量化台阶）为二，则数字信号的大小一定是 二的整数倍，该整数可以用 二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换（译码）后由数码管或液晶屏显示出来。例如，设 =0.1 mV，我们把被测电压U与丄比较，看U是人的多少倍，并把结果 四舍五入取为整数N（二进制）。一般情况下，N 1000即可满足测量精度要求（量化误差r2，所以分压比为U i0扩展后的量程为Ui0鱼u2多量程分压器原理电路见图 2.3， 5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为

16、2000V、200V、20V、2V 和 200mV。采用图3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程， 但在小量程档明显降低了电压表 的输入阻抗，这在实际使用中是所不希望的。所以，实际数字万用表的直流电压档电路 为图2.4所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。丄_O2VO900k-T-20V90k200 V1口9k12000V200mVIk+压老头-IN图2.4使用分压电路例如：其中200V档的分压比为= 0.001民 +R510kRi R2 R3 R4 R5 10M其余各档的分压比可同样算出。实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定尺总=R-i R2 R3

17、 R4 R5 - 10M再计算2000V档的电阻R =0.0001R 总=1K再逐档计算、&、民、R。尽管上述最高量程档的理论量程是 2000V，但通常的数字万用表出于耐压和安全考 虑，规定最高电压量限为1000V。换量程时，多刀量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便 地直读出测量结果。3）、多量程数字电流表原理测量电流的原理是:根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压,再进行测量。如图2.5,由于L R，取样电阻R上的电压降为即被测电流数字电压護头 r JJN_20020mA o_0200mAP1.SC iMiso Fi.er SCK-PV7C RSTC

18、PXC.P3.0C (TXDP3.1E (NTQP3-2C 0Vn)P3.3E (TUJP3.4C CHIP3.9E 丽 P3b匚 5Pj7C XTAL2 匚 TAJ_1 C MJD匚 -.cc F： : i A.Z: i 二| FC H .AC 1 FC ：卫匚二 PQ(AD3| Pt - iAt4iJ F. f PteiA!h.詩吞输出鐵存務 +.詩k.rh.h-_FOEVKEFi；+)图2.14 ADC0809的内部逻辑结构上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时 输入，共用

19、A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D转换完的数字量，当 OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。爺VCLN1TT4OARCAT IL（2）.引脚结构27262524222120T817To图2.15 ADC0809引脚结构图IN0 IN7 : 8条模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0 5V，若信号太小，必须 进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变， 如若模拟量变化太快，则需在 输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址

20、线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进 转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0 IN7上的一路模拟量输252013 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文 ）入。通道选择表如下表所示。表2.3地址输入线的通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电 平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D转换。OE为输出允许信号，

21、用于控 制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE= 1，输出转换得到的数据；OE=0,输出数据线呈高阻状态。D7 D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外 界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF ( + ), VREF ()为参考电压输入。ADC0809应用说明：(1) .ADC0809内部带有输出锁存器，可以与 AT89S51单片机直接相连。(2) .初始化时，使ST和OE信号全为低电平。(3) .送要转换的哪一通道的地址到 A，B，C端口上。(4) .在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）.是否转换完

22、毕，我们根据EOC信号来判断。（6）.当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3、TEC6122 简述（1）概述TEC6122共阴极8X8段LED数码管（8X8点阵）显示驱动电路是全定制专用集成电 路。该电路由开机自清电路、振荡电路、位扫描驱动电路、8X8 bit移位寄存器电路、8X8 bit数据锁存器电路、段多路选择器驱动电路组成。它可与各种型号的微处理器 串行口或并行口 in terface专供驱动8位X8段共阴极LED数码管（8X8LED点阵）。特点工作电压：+4V+6V位扫描驱动电流80mA （VDD=+5V ）段扫描驱动电流10mA （VDD=+5V ）

23、可驱动高彩色LED管可通过N个TEC6122级联实行NX8位LED显示管脚间距2.54mm标准24pin窄塑圭寸双列直插圭寸装（3）位扫描共阴极LED显示原理位扫描共阴极LED显示原理图及位扫描波形如附图。位扫描信号接一S1, S2, , S8顺序依次出现，循环反复。一S1显示第一位（个位），一S2显示第二位（十位），依次地一S8显示第八位（千万位）。要显示的 段码A，B，DP是由S1sS8依次分别选通送出，S1送A1，B1，DP1, 显个位，其它位不显示。同样地 S8送出A8，B8，DP8，显千万位，其它位不 显示，这就是位扫描共阴极LED显示原理。字形A B C D E F G DP16进

24、制代码（无小数点）16进制代码（有小数点）011111100FCHFDH10110000060H61H211011010DAHDBH311110010F2HF3H40110011066H67H510110110B6HB7H610111110BEHBFH711100000E0HE1H811111110FEHFFH911110110F6HF7HA11101110EEHEFHB001111103EH3FHC100111009CH9CHD011110107AH7BHE100111109EH9FHF100011108EH8FHP11001110CEHCFHH011011106EH6FH不显示000000

25、0000H01H表2.4字符段码表(4) 逻辑简要说明272013 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文 ）31VCC ( +5V) S I SCP LCP S8 S7 S 6 S5 S 4 S3 S 2 S1L JIJL JTEC6122SOAB(DEFGDPOENdOSCTEC6122管脚配置图S 1S2S3S4S5S6S7S8SISCPX11位1 11 1I|高电平数据稳定 上升沿数据右移一低电平数据准备允许数据变化高电平数据稳定上升沿数据右移一低电平数据准备 位允许数据变化TEC6122 位扫描波形图TEC6122 数据移位时序图图2.16 TEC6122逻辑图加电自清电路：片内加电自清电

26、路使8X8bit段移位寄存器,8X8Bit段数据锁存器，振荡时钟分频电路 清“0”，清“0”期间LED不显示，开机自清后LED显示“ 0”。振荡电路，位扫描驱动电路：振荡电路是RC振荡器,R在电路内部，只需外加电容470PF到GND（地）就构成RC振 荡器，振荡脉冲经分频组合成一 S1s S8位扫描驱动信号。一S1驱动第一位（个 位）， ,S8驱动第八位（千万位）。一S1s S8是开路输出，LED是这它的负 载。一S1s S8输出受OEN控制，OEN=1，允许输出，OEN=0, S1sS8输出 为高阻状态（三态）。8X8bit串行移位寄存器: 8X8bit串行移位寄存器SI为数据输入，SO为数

27、据输出，SCP为移位脉冲。送入串行 移位寄存器中的数是A , B,DP段数据，不是BCD码数据。每次送入8bit段 码数据A、B、C、D、E、F、G、DP, DP是最低位，最先送入。A是高位，最后送入。 移入串行移位寄存器中的段码数据最先进入的是第一位（十进制个位） ，最后 进入的是第八位（十进制千万位） ，上述这种约定，是用户编程时必须遵循的。 段数据锁存器，多路选择器，段驱动器：移入 8X8 bit 串行移位寄存器中的段码数据在 LCP 打入锁存器脉冲作用下，锁存到 8X8 bit段数据锁存器。数据锁存器中的段码经多路选择器， 一S1时送第一位（个位）A1,B1,DP1，段码显示;依次地,

28、S8送第8位（千万位）A8，B8，DP8,段 码显示。段码A，B，C，D，E，F，G，DP输出受OEN控制，OEN=1，允许输出。OEN=0, 禁止输出，A, B, C, D, E, F, G, DP为高阻状态（三态）。5）引脚信号及功能说明：SI:串行数据输入。输入数据由微处理器（计算机）程序给出。SCP:串行移位脉冲。移位脉冲个数由微处理器（计算机）程序控制。SO: 8X8bit串行移位寄存器数据输出。SO接下一个TEC6122电路的SI,可扩展N 个TEC6122电路。LCP:把8X8 bit串行移位寄存器中的数锁存到 8X8 bit段数据锁存器打入脉冲，高电 平有效。 打入数据锁存器的

29、目的是上一个数据的显示和下一个数据的准备 （移位） 可 同时进行。同时也可防止数据移位过程中显示数据的乱闪烁。实际使用过程中 LCP 连接有二种方法:A、通常的办法是把 LCP直接连到TEC6122的电源VDD上（因LCP=1,总选通，数 据移位太慢，数据移位过程被显示了出来，数据可能会乱闪烁）。B、 用一个单片机端口驱动。数据移位前，LCP=0,数据移位完成，发LCP脉冲，把 串行移位寄存器中的数并行打入数据锁存器显示。多片级连使用时，L CP可做片选信号使用。数据移位前，LCP=0,数据移位完成， 发 LCP 脉冲，把串行移位寄存器中的数并行打入数据锁存器显示。OEN:输出允许信号，高电平

30、有效。OEN=1，允许位扫描信号一 S1s S8输出，允 许段A , B,DP输出。OEN=0, S1s S8为高阻状态（三态），A , B,DP为高组状态（三态）。OEN的二种使用方法同LCP。A，B，,DP：段输出信号，开路输出，LED做负载。S1 S8:位扫描驱动信号，一S1是第一位（十进制个位），一S2是第二位（十进 制十位），S8是第8位（十进制千万位）。OSC:振荡电路输入端。微处理器产生的移位脉冲与显示扫描信号一Sis S8是异步工作的。微处理器的任务是把要显示的数据移入8X8 bit串行移位寄存器，然后打入8X8 bit数据锁存器，后面就由一Sis S8控制显示。振荡电路是一个

31、 R C振荡 器。R做在电路内部，OSC外接电容约470PF到GND （地）构成R C振荡器。振 荡器只供显示扫描用，频率大小要求不是太严格，只要LED显示不要出现闪烁即可， 通常一Sis S8 频率为 1KHz2KHz。2.4数字万用表的硬件设计2.4.1分模块详述系统各部分的实现方法2.4.1.1电源部分由于高压交流电会对弱电系统产生干扰，影响系统的稳定性，而电池之类的电 源又存在维护不方便和电压电流衰减等的缺点，所以本次设计采用外部稳压电源供 电，这里选用普通12V 500MA输出的交流稳压电源输入，该电池容量大，电压衰减 影响比较小，输出稳定，电路如下图。图2.17电源电路在图2.9的

32、电路里稳压器7805的压降是2.5V，偏移电流是6mA，我们需要的电 压是5V，电路提供的电压是9V，则电阻承担的电压为1.5V，由此得R=U/|=(9-5-2.5)V/6mA=200 欧姆241.2输入端CTL图2.18万用表正表笔输入端电路被测量的量的输入端经过表笔流经保险丝，这样做是为了起到保护作用，防止过压过流而烧坏元器件后面接2个二极管。241.3分流电阻图2.19分流电阻电路如上图，使用有一定规律的R8R12电阻组合构成精密的电阻分流器，能够实现分流 大电流的目的，即20A的电流一律衰减到200MA.通过测量参考电压经过计算得到实 际的电流值。241.4分压电阻wr图2.20分压电

33、阻电路如上图，使用有一定规律的 R2R6电阻组合构成精密的电阻分压器，能够实现分流 大电压的目的，即0500V的电压一律衰减到200mV以下，通过测量参考电压经过 计算得到实际的电压值。2.4.1.5基准电阻_6IL1|=2： 9&吕.El/ F3LLJC：N n2 u3UJ一泣口图2.21基准电阻电路测量电阻与测量电流或者电压一样重要，俗称 三用表”利用数字电压表做成的多量程电阻表，采用的是 比例法”测量，因此，它比起指针万用表的电阻测量来具有非常 准确的精度，而且耗电很小，上图示中所配置的一组电阻就叫基准电阻”就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值，再由AD0809的参考电压Vref与被

34、测电阻上得到的电压V测进行 比例读数”当两者电压相等时，显示就是V测/Vref*500=500， 按照需要再由AD0809控制转换送AT89C52控制点亮LED屏幕上的小数点，就可以 直接读出被测电阻的阻值来了。在产品数字万用表中，为了节省成本和简化电路，测量电流的分流电阻和测量电压的 分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻。2013 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文 ）241.6交直流处理电路图2.22交直流处理电路通过该电路达到控制交直流的目的，并且通过调节可变电阻又可以有效地减少电压的 损耗。2.4.1.7ADC 部分图2.23 ADC0809转换电路由于ADC0809的参考电压VREF = VCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在 数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(D/256*VREF) 2.4.1.8报警部分P3.3当检测到被测量超出预定的值