【正文】 基于單片機和CPLD的數(shù)字萬用表畢業(yè)論文目 錄1 前 言 12 總體方案設計 2： 2 方案論證與選擇 33單元模塊設計 5 5 單片機系統(tǒng)模塊設計 5 ICL7135 A/D轉換電路模塊設計 6 電源模塊設計 7 串口通訊接口設計 8 儀用放大 8 LCD顯示設計 10 電壓采集模塊 11 測電容模塊 12 測電阻模塊 13 14 14 CPLD模塊 15 特殊器件介紹 16 AT89C52單片機 16 ICL7135雙積分型A/D轉換器 18 TL084放大器 19 MAX232 20 異步計數(shù)器（74ls90） 214軟件設計 234..1 Labview上位機 23 24 單片機程序流程圖 25 子程序設計 27 ICL7135A/D轉換子程序設計 27 電阻測量模塊程序流程圖 2電流測量模塊程序流程圖 29 30 LCD1602液晶顯示子程序設計 31 上位機串口程序流程圖 325系統(tǒng)調試 33 33 33 數(shù)字電路調試 33 ICL7135轉換電路調試 34 TL084放大電路調試 34 測電阻模塊調試 34 測頻模塊調試 34 精密整流模塊調試 34 軟件測試結果 35 36 37 電參數(shù)測試數(shù)據 376結論 397總結與體會 408謝辭 419 參考文獻 42附錄1：原理總圖 43附錄2：CPLD頂層結構設計 44附錄3：軟件設計 45附錄4:翻譯資料 6321 前 言數(shù)字萬用表是一種將所測的模擬量轉換為數(shù)字量顯示的測量儀器，其由液晶顯示板或LED數(shù)碼管顯示所測量物理量大小的數(shù)字化儀表。萬用表作為一種基本的測量儀表，可用來測量直流電壓和交流電壓、直流電流、電阻、二極管、通斷測試等參數(shù)。在日常電測試中應用廣泛，特別是數(shù)字萬用表在實驗室及維修中發(fā)揮著重要的作用。特別是便攜式數(shù)字萬用表，由于其使用方便，攜帶讀數(shù)方便，在工業(yè)自動化現(xiàn)場故障排除，電器維修，設備檢修中發(fā)揮著重要作用。又由于其價格低廉，是實驗室、工廠、無線電愛好者及家庭的理想工具。隨著電子技術尤其是檢測和計算機控制技術的飛躍發(fā)展，為提高數(shù)字化萬用表的自動化水平提供了可能，用測量功能自動識別的數(shù)字萬用表代替手動操作的萬用表成為必然的趨勢。將測控技術的發(fā)展成果應用到萬用表的設計過程中，對傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表的結構進行改造，將先進的計算機技術以及功能強大的MCU運用到萬用表的機械功能/量程的選擇上，研制出在國際上具有先進水平的新一代高智能化的數(shù)字化萬用表具有里程碑的意義，它將很大程度的提高我國在儀表制造業(yè)方面的國際影響力和數(shù)字化萬用表在國際市場的競爭力具有重大的意義。2 總體方案設計在本設計中，要實現(xiàn)電阻，電容，電壓，電流頻率的測量，我們采用模塊化測量設計。通過I/V變換將電流轉換為電壓，如果電壓為交流，我們需要對之進行精密整流，使之變?yōu)榭蓽y的直流電壓，直流電壓進入ICL7135即可實現(xiàn)A/D轉換，這樣實現(xiàn)了對交直流電壓電流的測量；通過555多諧振蕩器產生于C對應的頻率，進入單片機測頻，即可實現(xiàn)對頻率及電容的測量。利用精密運放對標準電壓放大，被測電阻為反饋電阻，通過測量輸出電壓即可實現(xiàn)對電阻的測量；在本設計中，我們需要電壓測量模塊，電流測量模塊，頻率測量模塊，電容測量模塊等多個功能模塊進行選擇，同時根據需要切換量程。需要控制的開關量很多，如果采用單一的單片機IO進行操作，存在IO口不夠和控制復雜等問題，我們采用總線控制方法，在CPLD總構建總線控制器，所有模塊在CPLD的控制下協(xié)調工作，能夠有序得實現(xiàn)對七個電參量的準確測量。在部分調試完成后，對程序進行很小改動就可以實現(xiàn)整機功能，實現(xiàn)方案的快速設計。電容模塊分頻Ω/V變換儀用放大精密整流ICL7135電壓衰減CPLD51單片機電源電壓電阻電容測頻信號IV變換電流：方案一：采用數(shù)字萬用表集成芯片ICL7135，對輸入模擬量進行AD轉換后，直接輸出BCD碼在LED上顯示，接口簡單。整個電路手動切換量程，被測量。 方案一框圖方案二：采用單片機控制，自動切換量程，LCD顯示。由于系統(tǒng)是在單片機的控制下工作，可以很容易實現(xiàn)儀表的自校準。測量精度在于各個測量模塊方案優(yōu)劣。同時高精度元件也可以很好地提高測量精度。被測物理量通道和功能選擇CPLD放大器A/D轉換MCURS232串口通信上位機LCD 方案論證與選擇方案一成本很低，是目前市場上一種成熟的3位半數(shù)字萬用表方案。利用一塊集成芯片即可實現(xiàn)電壓電流以及電阻的測量，如果還要加其他功能，需要添加其他的數(shù)字芯片。方案二采用51單片實現(xiàn)，控制靈活，可以很便捷地實現(xiàn)七個電參數(shù)的測量，且量程的切換不用手動就可以進行，真正實現(xiàn)自動化測量。同時，單片機還帶有串口通信模塊，可與上位機進行通信，將被測參數(shù)等返回到上位機機中，實現(xiàn)遠程測量，變成一種可程控儀器。綜上述，我們選用方案二來實現(xiàn)數(shù)字萬用表設計。3單元模塊設計 單片機系統(tǒng)模塊設計在單片機系統(tǒng)電路中，包括復位電路，時鐘電路，LCD1602顯示電路，MAX232電平轉換電路，ISP下載電路。時鐘電路選擇的晶振為12MHz。LCD1602可以顯示16*2個字符，用于顯示的處理后的電壓、電流、電阻、電容、頻率值等。由于單片機的電平邏輯是TTL/CMOS電平邏輯, MAX232是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。該器件包含2驅動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA232F電平。選擇MAX232芯片實現(xiàn)TTL電平與EIA電平的轉換，通過RS232傳輸線可以與PC機實現(xiàn)串行通訊。LCD1602是自帶字符庫的LCD液晶顯示器，可以顯示16*2個字符，此電路中由P0、P2口控制讀寫的數(shù)據，由CPLD構成的總線控制控制器控制LCD讀寫。 ICL7135 A/D轉換電路模塊設計本次設計要使用A/D轉換器，將模擬信號轉換為數(shù)字信號進行采樣，A/D轉換器是要將時間和幅值都連續(xù)的模擬量轉換為時間、幅值都離散的數(shù)字量，一般要經過取樣、保持和量化、編碼幾個過程。 模擬電流信號經過儀用放大后，輸出電壓足夠大，信號可以被ICL7135組成的A/D轉換電路轉換為數(shù)字信號，從而可以被MCU的后續(xù)電路處理。ICL7135是雙積分型的AD，因有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信號的平均值有所響應，所以，它突出優(yōu)點是工作性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力強。雙積分型A/D轉換器的轉換速度普遍不高(通常每秒轉換幾次到幾百次),但是雙積分A/D轉換器具有轉換精度高,廉價,抗干擾能力強等優(yōu)點,在速度要求不高的實際工程中使用廣泛。本次設計中，引腳CLOCK和BUSY分別接單片機的14腳（T0）和12腳（INT0）,參考電壓為5V穩(wěn)壓管分壓所得。 ICL7135A/D轉換器 電源模塊設計在電池電量測量系統(tǒng)中，TLC084為正負9V供電，單片機、DS18B液晶為5V供電，ICL7135為5V供電，所以在系統(tǒng)中需要四個電源，考慮到數(shù)字部分與模擬部分的干擾，我們需要設計兩個電源，一個模擬對系統(tǒng)的模擬部分供電，一個數(shù)字電源負責為系統(tǒng)的數(shù)字部分提供電源。在PCB設計是要采用一點接地的方式，能有效消除電源的干擾。本模擬電源在變壓器變壓、電橋整流和電容濾波后由三端穩(wěn)壓器7807909將電源先轉換為9V和+9V的電源，然后再經過三端穩(wěn)壓器7807905轉換為5V和+5V，為系統(tǒng)模擬部分提供電源。數(shù)字電源是由經變壓器變壓和電橋整流電容濾波后再由三端穩(wěn)壓器7805轉換為+5V的數(shù)字電源，為系統(tǒng)數(shù)字部分提供電源。 串口通訊接口設計　 將PC程序通過串口下載到STC單片機上，需要將正負12V的電平轉換到0到5V的TTL電平，這樣單片機才能和PC進行正常通信。芯片第11（TIN1）、10（TIN2）腳分別和單片機的11（TXD）腳、10（RXD）： MAX232接口電路 儀用放大儀用放大器是一種高性能的放大器。其對稱性結構可同時滿足對放大器的抗共模干擾能、輸入阻抗、閉環(huán)增益的時間和溫度穩(wěn)定性等不同的性能要求。該電路前級采用同相放大器，可獲得很高的輸入阻抗，后級采用差動放大器可獲得較高的共模抑制比，增強電路的抗干擾能力。在本電路中，有三個增益通道，根據對輸入信號的處理要求，我們可以通過模擬開關CD4066選擇不同的增益。該電路三個放大倍數(shù)可選擇10倍，100倍，1000倍。放大倍數(shù)計算公式為：K=（1+（R9+R10）/R）*R13/R11 式31式中，R分別為RRR8，當選擇不同的放大倍數(shù)時，R所對應的值不同。R=R6時，放大倍數(shù)為10倍，R=R7時，放大倍數(shù)為100倍，R=R8時，放大倍數(shù)為1000倍。在本次設計中，選用Tl084芯片作為儀用放大器。 增益通道選擇電路 電流測量模塊 LCD顯示設計本設計我們采用LCD1602顯示電壓值。LCD1302可以顯示16*2個字符，第三腳V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”。1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令。D0到D7為雙向數(shù)據口，RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 LCD1602接口 電壓采集模塊在此電路中，為實現(xiàn)不同檔位電壓測量，我們采用電阻分壓網絡對輸入電壓進行分壓，將電壓衰減至原電壓的1倍，10倍，100倍，1000倍，通過繼電器選擇分壓網絡的不同節(jié)點，實現(xiàn)對2V,20V，200V,1000V電壓的測量。繼電器用三極管9014驅動，由于單片機上電復位一腳輸出高電平，為防止繼電器在高電平下誤動作，我們在所有的控制端均加上74HC04反相器，單片機輸出控制端低電平有效。同時，為防止輸入AD電壓過大，我們在電壓模塊輸出即AD輸入端加上兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管限壓。 電壓測量模塊 測電容模塊在由555組成的多諧振蕩器中，輸出頻率f≈(（Rtc1+R）*C))。此電路中Rtc1為1kΩ,f即Cin可以通過單片機測出，R為可控已知參數(shù)，這樣就能測量出C的的大小。通過控制接入R+與R端的電阻大小，我們可以實現(xiàn)對C測量的量程切換。當R值比較小時，可以測量較大的電容，當R值比較大時，可以測量比較小的電容。輸出的頻率過大的話，先輸入測頻模塊，進行分頻后在測量其頻率，測量效果更準確。 電容測量模塊 測電阻模塊在電阻測量中，將被測電阻作為反饋電阻接入到運放TL084中，輸入電壓為穩(wěn)壓管LM336經分壓得到的精準電壓1V,輸出OM=Rx/R,OM可以通過ICL7135測出，R為可控已知參數(shù)，同樣也能算出Rx的大小。當被測電阻阻值較小時，可以控制電子開關接入較小的電阻，當被測阻值大時，可以接入較大的電阻。 電阻測量模塊在此電路中，被測信號經過兩級由74LS90組成的10進制計數(shù)器，得到10分頻和100分頻的兩路信號，選擇合適的頻率進行輸入到單片機中，在單片機內部采用等精度測頻原理對輸入信號進行準確測頻。同樣，被測頻率的量程選擇由電子開關CD4066完成。 測頻模塊在交流信號測量中，需要對交流信號進行整流，將交流信號變?yōu)橹绷鳎贸銎溆行е?，再放到電壓測量模塊中進行測量。所以，在對交流信號進行整流時，要考慮到整流不能有太大的壓降，普通的橋式全波整流不能滿足測量要求。在此，我們選擇精密整流電路對輸入交流信號進行整流。通過單片機對所得數(shù)據進行處理，得出交流信號的有效值。 精密整流模塊 CPLD模塊在本設計中，采用總線控制方法，所有的測量和顯示模塊都在CPLD的控制下分時工作。，在CPLD中實現(xiàn)數(shù)字鎖存，檔位選擇，測量參數(shù)選擇。CPLD芯片選用Atera公司的EPM32526ATC14477。為滿足單片處理大量數(shù)據的需要，在CPLD外掛IS62C256芯片，可以存儲4KB的數(shù)據。在程序設計時，作為液晶顯示的緩存使用。在進行CPLD設計時，我們采用自頂向下的設計方法，通過調用開發(fā)壞境中的宏模塊，能夠大大減輕設計的工作量。頂層設計效果見附錄二。 CPLD管腳分配原理圖 特殊器件介紹 AT89C52單片機AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產的。 AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52是使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80S51 產品指令和引腳完全兼容，是一種低功