简易数字万用表研发设计

1、目录摘 要 1一设计任务 2矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。二系统方案 3聞創沟燴鐺險爱氇谴净。三理论分析与计算 4残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。3.1 器件的选择与比较 4 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。3.2 测量电路的设计和分析 4 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。3.2.1 模数 (A/D) 转换与数字显示电路 4 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。3.2.2 多量程数字电压表原理 4 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。3.2.3 多量程数字电流表原理 5 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。3.2.4 电阻的测量原理 6 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。3.2.5 电容测量原理 7 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。四电路设计与程序设计 8預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。4.1 直流电压

2、测量电路 8 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。4.2 直流电流测量电路 8 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。4.3 电阻测量电路 9 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。4.4 测电容电路 9 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。4.5 测试切换指示电路 10 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。4.6 最小系统电路 10 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。五测试方案及结果 11 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。5.1 硬件调试 11 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。1.测试仪器 11 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.测试方法 11 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。5.2 软件调试 11 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。5.3 硬件软件联合调试 11 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。模块程序设计法的主要优点是： 11 輒

3、峄陽檉簖疖網儂號泶。5.4 测试流程 12 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。5.4.1 整体测试流程 12 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。542电压测试流程 12543电阻测量流程13544电流测试流程135.5测试结果135.5.1电流测试结果 135.5.2电阻测试结果145.5.3电压测试结果 14参考文献15凍鈹鋨劳臘错痫婦胫籴。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。 阌擻輳嬪諫迁择植秘騖。 氬嚕躑竄贸恳彈濾颔澩。 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。附录一：16摘要本次设计用单片机芯片 STC12C5A60S2 设计一个数字万用表，能

4、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， 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 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。18设计任务1. 设计并制作一台支持直流电压、直

5、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，发光二极管指示测量类型与单位。 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。4. 测量精度：± 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 MAX

6、810 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。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。1增强型8051 CPU , 1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512. 工作电压： STC12C5A60S2 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）纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。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

7、，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。颖刍莖峽饽亿顿裊赔泷。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 2 个 16 位定时器。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。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

8、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）。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。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。 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。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

9、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）为厶，则数字信号的大小一定是的整数倍，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

10、数值，需经过数码变换（译码）后由数码管显示出来。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。例如，设 -0.1mV，我们把被测电压 U与彳比较，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w1/1000=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 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-

11、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。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。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（如曲划），1r、2r为分压电阻， 10U为扩展后的量程。裊樣祕廬廂颤谚鍘芈蔺。0L1数宇电压表头图3.1电压测量原理图由于r>>r2，所以分压比为：扩展后的量程为:r. +匚厂 _!_rr3.2.3多量程数字电流表原理测量电流的原

12、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：仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驚。即被测的电流为:(7.图3.2电流测量原理图若数字表头的电压量程为Uo，欲使电流档量程为Io，则该档的取样电阻（也称分流电 阻） 为:女口 Uo=200mV，贝U 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

13、入电压 Uin有如下关系：绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。REF _ 凤即: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，利用编程实现量程自动转换 骁顾燁鶚 巯瀆蕪領鲡赙。公式为：T=0.693*R*C。方案三：

14、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。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。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 鎦诗涇艳 损楼紲鯗餳類。公式为：T=0.693*R*C

15、四.电路设计与程序设计4.1直流电压测量电路图4.1直流电压测量电路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（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的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、0-30v、0-125V、0-255v ）。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。4.2直流电流测量电路图4.2直流电流测量电路通过选择不同的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。电阻网络可以

16、改变放大倍数。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。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3脚输出的脉冲周通过T=0.693*R*C，得C=T/(0.693*R),在被测端接入被测电容，根据期求出电容的大小。峴扬爛滾澗辐滠兴渙藺。4.5测试切换指示电路图4.5测试切换指示电路该电路模块主要用于指示万用表的测量模式。图中A端为电压检测控制端，当A点为低电平时，三极管驱动继电器使得U-与R/U/I接通，即为测电压，同时电压测试指示灯亮，对应在PCB板湿印层标有（V）的字样。

17、同理，B点、C点分别为电流和电阻的测试允许控 制端。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。4.6最小系统电路B.0.0.0.0.S.11 I III II图4.6最小系统图五测试方案及结果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，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。 则鯤愜韋瘓賈晖园

18、栋泷。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

19、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。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 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544电流测试流程5.5测试结果5.5.1电流测试结果图5.4电流测试流程图待测电流10mA50mA100mA表一测量电流10mA52mA101mA误差04%1%5.5.2电阻测试结果表待测电阻（Q ）R1R2R3R4R5R5实际值52201k5.1k100k9M测量值4.82209994.9k99k9.1M误差4%0%0.1%3.9%1%0.1%5.5.3电压测试结果表待测电压（V）V1V2V3V4V5V6实际值0.01210