【正文】 基于單片機(jī)的數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)方案緒 論數(shù)字萬用表亦稱數(shù)字多用表,簡(jiǎn)稱DMM(Digtial Multimeter)。它是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式萬用表功能單精度低，不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求，采用單片的數(shù)字萬用表，精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展尾強(qiáng)、集成方便，目前，由各種單片機(jī)芯片構(gòu)成的數(shù)字電萬用表，已被廣泛用于電子及電工測(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。數(shù)字萬用表具有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：1）．顯示清晰直觀，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確為了提高觀察的清晰度，新型的手持式數(shù)字用用表（HDMM）已普遍采用字高為26mm的大屏幕LCD（液晶顯示器）。有些數(shù)字萬用表還增加了背光源，以便于夜間觀察讀數(shù)。2）．顯示位數(shù)數(shù)字萬用表的顯示位數(shù)通常為3位半到8位半。3）．準(zhǔn)確度高準(zhǔn)確度是測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的綜合。它表示測(cè)量結(jié)果與真值的一致程度，也反映了測(cè)量誤差的大小，準(zhǔn)確度愈高，測(cè)量誤差愈小。數(shù)字萬用表的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)優(yōu)于指針萬用表。4）．分辨力高數(shù)字萬用表在最低電壓量程上末位1個(gè)字所代表的電壓值，稱作儀表的分辨力，宏觀世界反映了儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數(shù)的增加而提高。5）．測(cè)試功能強(qiáng)數(shù)字萬用表不公可以測(cè)量直流電壓（DCV）、交流電壓（ACV）、直流電流（DCA）、交流電流（ACA）、電阻（Ω）、二極管正向壓降（Uf）、等等。新型數(shù)字萬用表大多增加了下述測(cè)試功能：讀數(shù)保持（HOLD）、邏輯（LOGIC）測(cè)試等等。6）．測(cè)量范圍寬數(shù)字萬用表可滿足常規(guī)電子測(cè)量的需要。智能數(shù)字萬用表的測(cè)量范圍更寬。7）．測(cè)量速率快數(shù)字萬用表在每秒鐘內(nèi)對(duì)被測(cè)電壓的測(cè)量次數(shù)叫測(cè)量速率，單位是“次/秒”。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。一般數(shù)字萬用表的測(cè)量速率為2~5次/秒。有的能達(dá)到20次/秒以上，另有的一些比這個(gè)還要高得多。數(shù)字萬用表可滿足不同用戶對(duì)測(cè)量速率的需要。8）．輸入阻抗高數(shù)字萬用表電壓擋具有很高的輸入阻抗，通常為10~10000MΩ，從被測(cè)電路上吸取的電流小，不會(huì)影響被測(cè)信號(hào)源的工作狀態(tài)，能減小由信號(hào)源內(nèi)阻引起的測(cè)量誤差。9）．集成度高，微功耗新型數(shù)字萬用表普遍采用CMOS大規(guī)模集成電路的A/D轉(zhuǎn)換器，整機(jī)功耗很低，3位半，4位半手持式數(shù)字萬用表的整機(jī)功耗僅幾十毫瓦，可用9V疊層電池供電。10）．保護(hù)功能完善，抗干擾能力強(qiáng)數(shù)字萬用表具有比較完善的保護(hù)電路，過載能力強(qiáng)，新型數(shù)字萬用表還增加了高壓保護(hù)器件，能防止浪涌電壓。本設(shè)計(jì)就是基于這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的數(shù)字萬用表。該設(shè)備具有直觀簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。并且能深入的說明萬用表的測(cè)量原理。能直觀的了解萬用表各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)和測(cè)試原則。 49 總體設(shè)計(jì)方案1. 數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)背景在本章中主要介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和總體方案及系統(tǒng)概述等。數(shù)字萬用表是當(dāng)前電子、電工、儀器、儀表和測(cè)量領(lǐng)域大量使用的一種基本測(cè)量，已被廣泛應(yīng)用于電子及電工測(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，示出強(qiáng)大的生命力。隨著時(shí)代科技的進(jìn)步，數(shù)字萬用表的功能越來越強(qiáng)大，把電量及非電量的測(cè)量技術(shù)提高到嶄新水平。 數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)依據(jù)根據(jù)數(shù)字萬用表的原理，結(jié)合以下的設(shè)計(jì)要求：“設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字萬用表，能夠測(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)多級(jí)量程的直流電壓測(cè)量，其量程范圍是200mv、2v ,20v,，其量程范圍是200mv、2v ,20v,，其量程范圍是2mA，20mA，200mA、其量程范圍是200、2k ,20k,200k和2M?！币约半娙轀y(cè)量電路。由此設(shè)想出以下的解決方法，即數(shù)字萬用表的系統(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。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)要解決的問題是對(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)字萬用表，而難點(diǎn)解決的問題就是程序的設(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)字萬用表總體設(shè)計(jì)方案數(shù)字萬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。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)過數(shù)碼變換(譯碼)后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來。例如，設(shè)=，我們把被測(cè)電壓與比較，看是的多少倍，并把結(jié)果四舍五入取為整數(shù) (二進(jìn)制)。一般情況下，≥1000即可滿足測(cè)量精度要求(量化誤差≤1/1000=%)。最常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為1999，被稱為三位半()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，顯示出來的就是以mV為單位的被測(cè)電壓的大小。如：是 ()的1234倍，即=1234，()。這樣的數(shù)字表頭，再加上電壓極性判別顯示電路，～。由上可見，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。，為電壓表頭的量程(如200)，為其內(nèi)阻(如10)，、為分壓電阻，為擴(kuò)展后的量程。 由于rr2，所以分壓比為擴(kuò)展后的量程為，5檔量程的分壓比分別為對(duì)應(yīng)的量程分別為2000、200、2和200。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，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達(dá)到同樣的分壓效果。 使用分壓電路例如：其中200檔的分壓比為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確定各分壓電阻的。如先確定再計(jì)算2000檔的電阻再逐檔計(jì)算、。盡管上述最高量程檔的理論量程是2000，但通常的數(shù)字萬用表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為1000。換量程時(shí)，多刀量程轉(zhuǎn)換開關(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。，由于，取樣電阻上的電壓降為即被測(cè)電流 若數(shù)字表頭的電壓量程為，欲使電流檔量程為，則該檔的取樣電阻(也稱分流電阻)為 如=200，則=200檔的分流電阻為。，就是當(dāng)換檔開關(guān)接觸不良時(shí)，被測(cè)電路的電壓可能使數(shù)字表頭過載，所以。 ：先計(jì)算最大電流檔的分流電阻再計(jì)算下一檔的依次可計(jì)算出、和。 ACDC變換器原理簡(jiǎn)圖圖中的BX是2A保險(xiǎn)絲管，電流過大時(shí)會(huì)快速熔斷，超過流保護(hù)作用。兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管DD2為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過壓保護(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?，二極管截止，對(duì)測(cè)量毫無影響。，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被限制住()，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。