简易数字万用表的方案设计书

1、2013 年江西省大学生电子设计 简易数字万用表 （ C 题） 2013年 5月 28 日 目录 摘要 0 一设计任务 1 二系统方案 2 三理论分析与计算 3 3.1 器件的选择与比较 3 3.2 测量电路的设计和分析 3 3.2.1模数(A/D)转换与数字显示电路 3 3.2.2 多量程数字电压表原理 3 3.2.3 多量程数字电流表原理 4 3.2.4 电阻的测量原理 5 3.2.5 电容测量原理 6 四电路设计与程序设计 7 4.1 直流电压测量电路 7 4.2 直流电流测量电路 7 4.3 电阻测量电路 8 4.4 测电容电路 8 4.5 最小系统电路 9 五测试方案 10 5.1

2、硬件调试 10 1. 测试仪器 10 2. 测试方法 10 5.2 软件调试 10 5.3 硬件软件联合调试 10 模块程序设计法的主要优点是： 10 5.4测试流程 11 5.4.1 整体测试流程 11 5.4.2电压测试流程 11 5.4.3 电阻测量流程 11 5.4.4 电流测试流程 参考文献 13 12 摘要 本次设计用单片机芯片 STC12C5A60S2 设计一个数字万用表，能够测量直流电压值、 直流电流、直流电阻以及电容和电感，四位数码显示。此系统由分流电阻、分压电阻、基 准电阻、 555 振荡电路、 51单片机最小系统、显示部分、 AD 转换和控制部分组成。为使系 统更加稳定，

3、使系统整体硬件更简单，本电路使用了 STC12C5A60S2 自带的 AD ，它单片 机系统设计 采用 STC12C5A60S2 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，显示用四位数码管。程序每执行周期耗时缩到最短，这样保证了 系统的实时性。 关键字：数字万用表；单片机； AD 转换 设计任务 1.设计并制作一台支持直流电压、直流电流、电阻测量的数字万用表。 2测量范围：直流电压 0.1V-100V;直流电流10mA-500mA ;电阻100Q -1M Q。 3使用按键或者拨码开关进行测量类型选择，并用数码管显示器显示测 量数值，发光二极管指

4、示测量类型与单位。 4.测量精度：土 5% 二系统方案 选用 STC12C5A60S2 单片机来制作数字万用表。 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期 （1T） 的单片 机，是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度 快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换 （250K/S）, 针对电机控制，强干扰场合。 1增强型8051 CPU , 1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051 2. 工 作 电 压 ： STC12C5A

5、60S2 系 列 工 作 电 压 ： 5.5V- 3.3V （ 5V 单 片 机 ） STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V- 2.2V （ 3V单片机） 3通用I/O 口（ 36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通 8051传统I/O 口） 可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏每个I/O 口驱 动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。 4.共4个16位定时器两个与传统 8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没 有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再 实现

6、2 个 16 位定时器。 5.2个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 输出时钟，可由 T1 的溢出在 P3.5/T1 输 出时钟。 6. 外部中断 I/O 口 7 路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的 PCA 模块， Power Down 模式可由外部中断唤醒， INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3（ 也可通过寄存器设置到 P4.2 ）, CCP1/P1.4 （也可通过寄存器设置到 P4.3）。 7. A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达 250K/S（每秒钟25

7、万次）18.通用全 双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的 8051,可再用定时器或 PCA软件实现 多串口。 三.理论分析与计算 3.1器件的选择与比较 方案1选用AT89S52和ADC0809芯片，通过 ADC0809转换芯片来对电压的采集。 方案2选用STC12C5A60S2单片机，它有自带的 AD，操作起来硬件电路更方便。 通过分析选择方案 2. 3.2测量电路的设计和分析 3.2.1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

8、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”。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）后由数码管显示出来。 例如，设 -0.1mV，我们把被测电压 U与厶比较，看U是厶的多少倍，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w 1/1000=0.1%）。最常见的数字表头的最大示数为1999,被称为三位半（1 32 ）数字

9、表。对上 述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV为单位的被测电压 U的大 小。如：U是（0.1mV）的1234倍，即 N=1234，显示结果为 123.4（mV）。这样的数字表 头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示-199.9199.9mV的电压，显示精度为 0.1mV。由上可见，数字测量仪表的核心是模数（A/D）转换、译码显示电路。A/D转换一般 又可分为量化、编码两个步骤。 3.2.2多量程数字电压表原理 在基准数字电压表头前面加一级分压电路（分压器），可以扩展直流电压测量的量程。如图 3.1所示，0U为电压表头的量程（如200mV） , r为其内阻（如1r、2

10、r为分压电阻， 10U为扩展后的量程。 0L 1 数宇电压表头 图3.1电压测量原理图 由于rr2，所以分压比为： 扩展后的量程为: r. +匚 厂 _!_rr 3.2.3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 3.2，由于rR,取样电阻R上的电压降为： 即被测的电流为: (7. 图3.2电流测量原理图 阻）为: 如Uo=200mV，则lo=200mA档的分流电阻为 1R。 324电阻的测量原理 方案一 ：R/U转换测量法 数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，给电路提供一个基准电压，流过标准电 阻Ro和被测电阻

11、Rx的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不 计）。所以A/D转换器的参考电压 Uref和输入电压Uin有如下关系： 即: U科 U d 因此，我们只要选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行定位，就能得到不同的电 阻测量档。 方案二：R/f转换测量法 把电阻R转换成频率信号f,转换的原理分别是RC振荡电路和555电路， 单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片 机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率，通过公式计算 出各个电阻参数。然后根据所测频率来判断是否转换量程，或者是把数据处理 后，把电阻的值送到显示部分显示出相应的参数值，利

12、用编程实现量程自动转 换 公式为：T=0.693*R*C。 方案三：基于恒流源法的转换测量法 该方法是给待测电阻提供一个恒定电流，利用单片机的A/D采集其两端的 电压来确定其电阻值，方式为 R=U/I 3.2.5 电容测量原理 把电容C转换成频率信号f,转换的原理分别是 RC振荡电路和555电路, 单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片 机的时钟源,通过计数则可以计算出被测频率,再通过该频率,通过公式计算 出各个电阻参数。然后根据所测频率来判断是否转换量程,或者是把数据处理 后,把电阻的值送到显示部分显示出相应的参数值,利用编程实现量程自动转 换 四.电路设计与程

13、序设计 4.1直流电压测量电路 图4.1直流电压测量电路 0- 该电路功能为电压转换电路，主要功能是将较大的电压按一定比例转换成小电压（ 的 0- 5v）再通过 Vout将电压值转换成数字信号送到 MCU处理并且显示出来（即达到测量电压 的效果）。图中 Vin :为被测电压正输入端； COM:为被测电压地；A、B、C为MCU I/O控制端，通通过 A、B、C三端电平组合状态可以切换被测电压范围（分别是0-5v、 30v、0-125v、0-255v ）。 4.2直流电流测量电路 图4.2直流电流测量电路 本电路功能是将被测直流电流或微直流电流放大并且转换成电压输出。通过选择不同 的电阻网络可以改

14、变放大倍数。 4.3电阻测量电路 图4.3电阻测量电路图 此电路通过测被测电阻两端的电压，然后将此电压与相应档位的电阻两端的电压的 比值，MCU控制四个档位。 4.4测电容电路 图4.4电容测量电路图 通过T=0.693*R*C，得C=T/(0.693*R),在被测端接入被测电容，根据3脚输出的脉冲 周期求出电容的大小。 4.5最小系统电路 五测试方案 5.1 硬件调试 测试仪器与方法 1.测试仪器 测试仪器包括数字万用表、直流稳压电源等。 2.测试方法 数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降等参数，以检测模块是否可行。 软件 KEIL4 用于调试软件。 5.2 软件调试 本程序较大且复杂

15、，因此采用 C语言编写，通过 keil软件的不断调试修改，采自下 而上的调试方法，先调试功能模块电路，再调试整个系统。在调试的过程中与硬件的调试 相结合，提高了调试的效率。 程序参考附录一。 5.3 硬件软件联合调试 当软件和硬件的基本功能分别调试后，进行软硬件联合调试及优化。 在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个产 生对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对 于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个 基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使 单片

16、机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行 软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”， 实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。 模块程序设计法的主要优点是： 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试； 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用； 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便； 模块程序简单性为观察者带来方便。 5.4测试流程 541整体测试流程 图5.1整体测试流程图 542电压测试流程 图5.2电压测量流程图 543电阻测量流程 图5.3电阻测量流程图 544电流测试流程 5.5测试结果 5.5.2电流测试结果 表一 待测电流 测量电