【正文】 2A 和 多 級(jí)量程的電阻測(cè)量，其量程范圍是 200、2k ,20k,200k 和 2M。”以及電容測(cè)量電路。由此設(shè)想出以下的解決方法，即數(shù)字萬(wàn)用表的系統(tǒng)由分流電阻、分壓電阻、基準(zhǔn)電阻、電容測(cè)試芯片電路、 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示部分、報(bào)警部分、 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)整體精度得以保障。 數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決的問(wèn)題 本設(shè)計(jì)重點(diǎn)要解決的問(wèn)題是對(duì)不同量程的各種測(cè)量?jī)?nèi)容的轉(zhuǎn)換，還有就是各部分電路 組合成一個(gè)完整的數(shù)字萬(wàn)用表，而難點(diǎn)解決的問(wèn)題就是程序的設(shè)計(jì)，要保正其可行性從而保證設(shè)計(jì)的正確性。 2 數(shù)字萬(wàn)用表總體設(shè)計(jì)方案 數(shù)字萬(wàn)用表的基本原理 數(shù)字萬(wàn)用表的最基本功能是能夠測(cè)量交直流電壓，交直流電流，還有能夠測(cè)量電阻，數(shù)字萬(wàn)用表的基本組成見(jiàn)圖 。東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 7 圖 數(shù)字萬(wàn)用表的基本組成 下面我們分別介紹各個(gè)部分的組成： 1） 、模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路 常見(jiàn)的物理量都是幅值 (大小 )連續(xù)變化的所謂模擬量 (模擬信號(hào) )。指針式儀表可以直接對(duì)模擬電壓、電流進(jìn)行顯示。而對(duì)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，其幅值 (大小 )是不連續(xù)的。這種情況被稱(chēng)為是“量化的”。若最小量化單位 (量化臺(tái)階 )為 ? ，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(guò)數(shù)碼變換 (譯碼 )后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來(lái)。 例如，設(shè) ? = ，我們把被測(cè)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(mǎn)足測(cè)量精度要求 (量化誤差≤ 1/1000=%)。最常見(jiàn)的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為 1999，被稱(chēng)為三位半 ( 132 )數(shù)字表。 對(duì)上述情況，我們把小數(shù)點(diǎn)定在最末位之前，顯示出來(lái)的就是以 mV 為單位的被測(cè)電壓 U 的大小。如： U 是 ? ( )的 1234 倍，即 N =1234，顯示結(jié)果為 (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(cè)量顯示 ～ 的電壓，顯示精度為 。 由上可見(jiàn)，數(shù)字測(cè)量?jī)x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。 2) 、多量程數(shù)字電壓表原理 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 8 在基準(zhǔn)數(shù)字 電壓表頭前面加一級(jí)分壓電路 (分壓器 )，可以擴(kuò)展直流電壓測(cè)量的量程。如圖 所示， 0U 為電壓表頭的量程 (如 200mV )， r 為其內(nèi)阻 (如 10M? )， 1r 、 2r 為分壓電阻， 10U 為擴(kuò)展后的量程。 圖 分壓電路原理 圖 多量程分壓器原理 由于 rr2，所以分壓比為 21200 rr rUUi ?? 擴(kuò)展后的量程為 02 210 Ur rrUi ?? 多量程分壓器原理電路見(jiàn)圖 ， 5 檔量程的分壓比分別為 、 、 和 ，對(duì)應(yīng)的量程分別為 2022V 、 200V 、 20V 、 2V 和 200mV 。 采用圖 3 的分壓電路雖 然可以擴(kuò)展電壓表的量程，但在小量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實(shí)際使用中是所不希望的。所以，實(shí)際數(shù)字萬(wàn)用表的直流電壓檔電路為圖 所示，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達(dá)到同樣的分壓效果。 圖 使用分壓電路 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 9 例如：其中 200V 檔的分壓比為 54 ?????? ? MkRRRRR RR 其余各檔的分壓比可同樣算出。 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)是根據(jù)各檔的分壓比和總電阻來(lái)確定各分壓電阻的。如先確定 MRRRRRR 1054321 ?????＝總 再計(jì)算 2022V 檔的電阻 KRR ＝總? 再逐檔計(jì)算 4R 、 5R 、 2R 、 1R 。 盡管上述最高量程檔的理論量程是 2022V ，但通常的數(shù)字萬(wàn)用表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為 1000V 。 換量程時(shí)，多刀量程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可以根據(jù)檔位自動(dòng)調(diào)整小數(shù)點(diǎn)的顯示，使用者可方便地直讀出測(cè)量結(jié)果。 3） 、 多量程數(shù)字電流表原理 測(cè)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(cè)電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測(cè)量。如圖 ，由于 rR，取樣電阻 R 上的電壓降為 iiU IR? 即被測(cè)電流 ii UI R? 圖 電流測(cè)量原理 圖 多量程分流器電路 若數(shù)字表頭的電壓量程為 0U ，欲使電流檔量程為 0I ，則該檔的取樣電阻 (也稱(chēng)分流電阻 )為 0 0UR I? 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 10 如 0U =200mV ，則 0I =200mA 檔的分流電阻為 1R??。 多量程分流器原理電路見(jiàn)圖 。 圖 中的分流器在實(shí)際使用中有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)換檔開(kāi)關(guān)接觸不良時(shí)，被測(cè)電路的電壓可能使數(shù)字表頭過(guò)載，所以，實(shí)際數(shù)字萬(wàn)用表的直流電流檔電路為圖 所示。 圖 中各檔分流電阻的阻值是這樣計(jì)算的：先計(jì)算最大電流檔的分流電阻 5R )( ???? ms IUR 再計(jì)算下一檔的 4R )( ?????? RIUR m 依次可計(jì)算出 5R 、 2R 和 1R 。 圖中的 BX 是 2A 保險(xiǎn)絲管，電流過(guò)大時(shí)會(huì)快速熔斷，超過(guò)流保護(hù)作 用。兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管 D D2 為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過(guò)壓保護(hù)作用。正常測(cè)量時(shí)，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航担O管截止，對(duì)測(cè)量毫無(wú)影響。一旦輸入電壓大于 ，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被限制住 (小于 )，保護(hù)儀表不被損壞。 4） 、 交流電壓電流測(cè)量處理原理 數(shù)字萬(wàn)用表中交流電壓，電流測(cè)量電路是在直流電壓、電流測(cè)量電路的基礎(chǔ)上，在分壓器或分流器之后加入了一級(jí)交流 直流(ACDC)變換器，圖 為其原理簡(jiǎn)圖。 該 ACDC 變換器主要由集成運(yùn)算放大器、整流二極管、 RC 濾波器等組成，還包含一個(gè)能調(diào)整輸出電壓高低的電位器，用來(lái)對(duì)交流電壓檔進(jìn)行校準(zhǔn)之用。調(diào)整該電位器可使數(shù)字表頭的顯示值等于被測(cè)交流電壓的有效值。 同直流電壓檔類(lèi)似，出于對(duì)耐壓、安全方面的考慮，交流電壓最高檔的量限通常限定圖 實(shí)用分流器電路 圖 ACDC 變換器 原理簡(jiǎn)圖 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 11 為 700V (有效值 )。 5） 、 電阻測(cè)量原理 數(shù)字萬(wàn)用表中的電阻檔采用的是比例測(cè)量法，其原理電路見(jiàn)圖 。 由穩(wěn)壓管 ZD 提供測(cè)量基準(zhǔn)電壓，流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻 0R 和被測(cè)電阻 XR 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 A/D 轉(zhuǎn)換器的參考電壓 RFEU 和輸入電壓 INU 有如下關(guān)系： xINREF RRUU 0? 即 0RUUR REFINx ? 根據(jù)所用 A/D 轉(zhuǎn)換器的特性可知，數(shù)字表顯示的是 INU 與 RFEU 的比值，當(dāng) INU = RFEU 時(shí)顯示“ 1000”， INU = RFEU 時(shí)顯示“ 500”，以此類(lèi)推。所以，當(dāng) 0XRR? 時(shí)，表頭將顯示“ 1000”，當(dāng)? 時(shí)顯示“ 500”，這稱(chēng)為比例讀數(shù)特性。因此，我們只要選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻并適當(dāng)?shù)貙?duì)小數(shù)點(diǎn)進(jìn)行定位，就能得到不同的電阻測(cè)量檔。 如對(duì) 200? 檔，取 01R =100? ，小數(shù)點(diǎn)定在十位上。當(dāng) XR =100? 時(shí)，表頭就會(huì)顯示出 ? 。當(dāng) XR變化時(shí)，顯示值相應(yīng)變化，可以從 ? 測(cè)到? 。 又如對(duì) 2k? 檔，取 02 1Rk??，小數(shù)點(diǎn)定在千位圖 電阻測(cè)量原理 圖 電阻測(cè)量 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 12 上。當(dāng) XR 變化時(shí)，顯示值相應(yīng)變化，可以從 ? 測(cè)到 ? 。 其余各檔道理相同，同學(xué)們可自行推演。 數(shù)字萬(wàn)用表多量程電阻檔電路見(jiàn)圖 10。 由上分析可知， 1 0 12 0 2 0 13 0 3 0 21001 0 0 0 1 0 0 9 0 01 0 1 9RRR R RR R R k k k? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? 圖 中由正溫度系數(shù) (PTC)熱敏電阻 1R 與晶體管 T 組成了過(guò)壓保護(hù)電路，以防誤用電阻檔去測(cè)高電壓時(shí)損壞集成電路。當(dāng)誤測(cè)高電壓時(shí)，晶體管 T 發(fā)射極將擊穿從而限制了輸入電壓的升高 。同時(shí) 1R 隨著電流的增加而發(fā)熱，其阻值迅速增大，從而限制了電流的增加，使 T 的擊穿電流不超過(guò)允許范圍。即 T 只是處于軟擊穿狀態(tài)，不會(huì)損壞，一旦解除誤操作， 1R 和 T 都能恢復(fù)正常。 6） 、 電容測(cè)量原理 電容測(cè)量是根據(jù)電容充電原理其充電電壓與時(shí)間成一定的指數(shù)關(guān)系。根據(jù)電壓和時(shí)間可以計(jì)算出電容的值。 數(shù)字萬(wàn)用表的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體框架圖 如下圖 所示，本萬(wàn)用表由以下幾部分功能組成，復(fù)位電路、震蕩電路、 ADC輸入、被測(cè)量顯示、超限報(bào)警、 ADC 使能控制。復(fù)位電路用來(lái)清零，進(jìn)行下一次的測(cè)量；震蕩電路用來(lái)消除一些外來(lái) 干擾，使電路工作更加穩(wěn)定； ADC 輸入則是將輸入量進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換；測(cè)量顯示就是顯示測(cè)量的數(shù)值；超限報(bào)警部分則是用作當(dāng)測(cè)量量超出量程范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)，以便提醒用戶(hù)更改大量程； ADC 使能控制則用來(lái)對(duì)輸入量進(jìn)行控制，允許輸入或者不允許。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 13 圖 . 總體電路設(shè)計(jì)原理圖 硬件電路設(shè)計(jì)方案 及選用芯片介紹 設(shè)計(jì)方案 用單片機(jī) AT89S52 與 ADC0809 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表，配合分流電阻、分壓電阻、基準(zhǔn)電阻可以測(cè)量 交、直流電壓值，直流電流、直流電阻， 四位數(shù)碼顯示。實(shí)現(xiàn)四級(jí)量程的直流電壓測(cè)量，其量程范圍是 2v ,20v,200v 和 測(cè)量，其量程范圍是 2v ,20v,200v 和 ，其量程范圍是 2mA ,20mA,200mA 和 ，其量程范圍是 2k ,20k,200k和 2M.，并且有超出量程的情況發(fā)生時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。 復(fù)位電路 震蕩電路 ADC 輸入 被測(cè)量顯示 超限報(bào)警 ADC 使能控制 89s52 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 14 芯片選擇及功能簡(jiǎn)介 AT89S52 芯片功能特性描述 AT89S52 引腳框圖： 圖 AT89S52 芯片引腳圖 AT89S52 主要性能： 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 1000 次擦寫(xiě)周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 32 個(gè)可編程 I/O 口線(xiàn) 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 八個(gè)中斷源 全雙工 UART 串行通道 低功耗空閑和掉電模式 l 掉電后中斷可喚醒 l 看門(mén)狗定時(shí)器 1雙數(shù)據(jù)指針 l 掉電標(biāo)識(shí)符 方框圖： 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 15 圖 AT89S52 內(nèi)部框圖 功能特性描述： AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)