【文章內(nèi)容簡介】 R= （34）如U0=200mV，則I0=200mA檔的分流電阻為R=1Ω。多量程分流器原理電路見圖34。圖34中的分流器在實(shí)際使用中有一個缺點(diǎn)，就是當(dāng)換檔開關(guān)接觸不良時，被測電路的電壓可能使數(shù)字表頭過載，所以，實(shí)際數(shù)字萬用表的直流電流檔電路為圖35所示。圖35改進(jìn)分流器電路 圖35中各檔分流電阻的阻值是這樣計算的：先計算最大電流檔的分流電阻R5 R= ==（Ω） （35）再計算下一檔的R4 R=R== （36）依次可計算出RR2和R1。圖中的BX是2A保險絲管，電流過大時會快速熔斷，起過流保護(hù)作用。其中本次設(shè)計測量直流電流的電路見圖36。圖36直流電流測量電路如上圖，使用有一定規(guī)律的R20~R23電阻組合構(gòu)成精密的電阻分流器，能夠?qū)崿F(xiàn)分流的目的，通過測量參考電壓經(jīng)過計算得到實(shí)際的電流值。在基準(zhǔn)數(shù)字測量表頭前面加一級分壓電路(分壓器)，可以擴(kuò)展直流電壓測量的量程。如圖37所示，rr2為分壓電阻，Ui0為擴(kuò)展后的量程。圖37分壓電路原理圖38多量程分壓器原理由于rr2，所以分壓比為 （37）擴(kuò)展后的量程為 U0 （38） 多量程分壓器原理電路見圖38，5檔量程的分壓比分別為對應(yīng)的量程分別為2000V、200V、20V、2V和200mV。 采用圖38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)字萬用表的直流電壓檔電路為圖39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39 使用分壓電路 例如：其中200V檔的分壓比為 （39）其余各檔的分壓比可同樣算出。實(shí)際設(shè)計時是根據(jù)各檔的分壓比和總電阻來確定各分壓電阻的。如先確定 （310）再計算2000V檔的電阻 （311）再逐檔計算RRRR1。盡管上述最高量程檔的理論量程是2000V，但通常的多功能數(shù)字測量儀出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為1000V，本次設(shè)計最高電壓量限為200V。其中本次設(shè)計的直流電壓測量電路見圖310.圖310直流電壓測量電路如上圖，使用有一定規(guī)律的R1~R4電阻組合構(gòu)成精密的電阻分壓器，能夠?qū)崿F(xiàn)分流大電壓的目的，即0~200V的電壓一律衰減到200mV以下，通過測量參考電壓，經(jīng)過計算得到實(shí)際的電壓值。圖311電阻測量 多功能數(shù)字測量儀的電阻檔采用的是比例測量法，其原理電路見圖311。 由穩(wěn)壓管ZD提供測量基準(zhǔn)電壓，流過標(biāo)準(zhǔn)電阻R0和被測電阻Rx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)。所以A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF和輸入電壓UIN有如下關(guān)系： （312）即 （313）根據(jù)所用A/D轉(zhuǎn)換器的特性可知，數(shù)字表顯示的是UIN與UREF的比值，當(dāng)UIN=UREF時顯示“1000”，UIN =“500”，以此類推。所以，當(dāng)Rx =R0 時，表頭將顯示“1000”，當(dāng)Rx = 時顯示“500”，這稱為比例讀數(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π?shù)點(diǎn)進(jìn)行定位，就能得到不同的電阻測量檔。如對200Ω檔，取R01=100Ω，小數(shù)點(diǎn)定在十位上。當(dāng)Rx=100Ω時。當(dāng)Rx變化時，顯示值相應(yīng)變化。由上分析可知，R1=R01=100Ω R2=R2R20=900ΩR3=R3R30=9k R4=R4R40=90k 其中 RR3為基準(zhǔn)電阻，R0R03為相應(yīng)基準(zhǔn)電阻的一半。本次設(shè)計電阻測量電路如圖312： 圖312 電阻測量電路測量電阻與測量電流或者電壓一樣重要，利用多功能數(shù)字測量儀做成的多量程電阻表，采用的是比例法測量，因此，它比起指針儀表的電阻測量來具有更高的精度，而且功耗很小，上圖示中所配置的一組電阻就叫基準(zhǔn)電阻，就是通過切換各個接點(diǎn)得到不同的基準(zhǔn)電阻值，再由AD0809的參考電壓VREF與被測電阻上得到的電壓測進(jìn)行比例讀數(shù)，然后在LCD1602液晶顯示器上進(jìn)行顯示，就可以直接讀出被測電阻的阻值來了。 溫度的測量，采用合適的溫度傳感器檢測，由傳感器直接讀取被測溫度值，再將得到的信號直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理，最后再由液晶顯示輸出，整個過程簡單明了，能準(zhǔn)確快速的實(shí)現(xiàn)溫度的測量。本次設(shè)計采用DS18B20傳感器來進(jìn)行溫度的測量，測量電電路見圖313。 圖313溫度測量電路 方案一：利用半波整流電路。合理二極管的單向?qū)щ娦?，可以很容易的得到直流電壓，而且能滿足設(shè)計要求。 方案二：采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片,性能參數(shù)方面也都能滿足設(shè)計要求,并且還能測量非正弦波，但一般真有效值轉(zhuǎn)換芯片價格比較貴。鑒于此，故采用方案一。 如圖314所示,這個電路是利用低漂移單運(yùn)算放大器TL062與二極管D1 1N4148組成半波整流電路。該電路可避免二極管在小信號整理時所引起的非線性誤差，使交流/直流轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓與輸出電壓成線性關(guān)系，適合測量40400Hz的正弦電壓，測量準(zhǔn)確度優(yōu)于177。1%。圖314交直流轉(zhuǎn)換電路通過該電路達(dá)到控制交直流的目的，并且通過調(diào)節(jié)可變電阻又可以有效地減少電壓的損耗。 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)。指針式儀表可以直接對模擬電壓、電流進(jìn)行顯示。而對數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號(通常是電壓信號)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進(jìn)行顯示和處理(如存儲、傳輸、打印、運(yùn)算等)。數(shù)字信號與模擬信號不同，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(量化臺階)為Δ，則數(shù)字信號的大小一定是Δ的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進(jìn)制數(shù)碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實(shí)際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實(shí)現(xiàn)的。本次設(shè)計采用的是ADC0809 轉(zhuǎn)換芯片，ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。本次設(shè)計只使用了一個通道，故ADC0809上的A、B、C三個引腳接地，模擬信號由IN0進(jìn)入，本次設(shè)計采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路見圖315。 圖315模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由于ADC0809的參考電壓VREF＝VCC，所以轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在液晶顯示器上顯示出電壓值。 報警部分電路見圖316當(dāng)檢測到被測量超出預(yù)定值的值時候，蜂鳴器發(fā)出“嘀”聲。，使得VCC對地導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出響聲。 圖316報警電路 圖317顯示電路LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示1602共32個字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，如圖317所示，采用1602液晶作為輸出顯示器，讀數(shù)更加準(zhǔn)確和直觀，能顯示比數(shù)碼管更豐富的信息。其中RS、R/W、E為液晶的控制線，DB0DB7為液晶的數(shù)據(jù)線，均與單片機(jī)的P2口相連。VO端接上一個10k的電位器再接地，通過調(diào)節(jié)電位器，可以調(diào)節(jié)液晶字符顯示的明暗度。 圖318單片機(jī)最小系統(tǒng)電路本次設(shè)計采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，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 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(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靈活、超有效的解決方案。如圖318，本次設(shè)計采用RC上電復(fù)位電路用于單片機(jī)復(fù)位，作為外部時鐘信號，提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)。、。P2口作為1602液晶的數(shù)據(jù)總線，、P0口作為ADC0809的數(shù)據(jù)總線。P2口則作為單片機(jī)與液晶顯示器LCD相連的數(shù)據(jù)線。三個計時器都被使用，T0用來給ADC0809提供時鐘信號，T1作為對按鍵掃描的中斷源，T3則用于計時。開機(jī)自動復(fù)位。如圖31332322所示，按鍵S1的右側(cè)三個端口分別接上分壓器、分流器、基準(zhǔn)電阻，使用時撥動不同開關(guān)，連通對應(yīng)的電路，測量不同的物理量。而按鍵S2，負(fù)責(zé)量程的選擇，S3則是對所測量進(jìn)行交直流的選擇，S4是控制計時的按鍵。S1，S2，SS4都將跟單片機(jī)相連，將及時的告訴單片機(jī)所測取得物理量、量程、交直流的選擇以及計時。 圖319 功能選擇開關(guān) 圖320量程選擇開關(guān) 圖221 交直選擇開關(guān) 圖322按鍵第4章 多功能數(shù)字測量儀軟件設(shè)計軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，軟件的質(zhì)量對系統(tǒng)的功能，性能指標(biāo)等有很大的影響，良好的軟件設(shè)計往往能彌補(bǔ)硬件設(shè)計的不足。本章將對編程語言（C語言）進(jìn)行簡單介紹，除此之外，還將介紹軟件的設(shè)計思路，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)軟件設(shè)計分模塊設(shè)計，最后給出量程選擇框圖，程序代碼見附錄2。該多功能數(shù)字測量儀表的主要功能是：對電壓、電流、電阻、溫度信號進(jìn)行測量，得到的實(shí)時數(shù)據(jù)保存到RAM中；再通過調(diào)整測量量程，測量物理量以及交直流轉(zhuǎn)換通道的切換，把得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在送入LCD進(jìn)行顯示，系統(tǒng)根據(jù)不同的鍵值進(jìn)入，顯示相應(yīng)的測量功能，并同時具有計時功能。 C語言概述軟件開發(fā)采用模塊化設(shè)計，運(yùn)用C語言編寫，其開發(fā)工具本次設(shè)計采用美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。 （1）單片機(jī)的C語言的特點(diǎn)： 1）本身不依賴機(jī)器硬件系統(tǒng)，方便從其他系統(tǒng)移植程序直接使用； 2） 能方便管理寄存器儲存器和數(shù)據(jù)類型等問題，但對相關(guān)的硬件的控制有限； 3）在較大的程序代碼中效率更高，在執(zhí)行大應(yīng)用程序時有優(yōu)勢； 4）程序由若干模塊組成，適用于模塊化設(shè)計和維護(hù)； 5）相比匯編函數(shù)，具有良好的可讀性和可維護(hù)性，減少開發(fā)難度； 6）有豐富的庫函數(shù)，大大減少用戶的編程強(qiáng)度，縮短編程時間及調(diào)試時間，提高軟件的開發(fā)效率； 7） 能在不同類型的機(jī)器上使用，具有較好的可移植性。 （2）單片機(jī)的C語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言的區(qū)別： 1）標(biāo)準(zhǔn)C語言的庫函數(shù)是按照通用計算機(jī)來定義的，而單片機(jī)的C語言庫函數(shù)是按照單片機(jī)的應(yīng)用情況來定義的； 2）單片機(jī)C語言增加了集中針對單片機(jī)特有的數(shù)據(jù)類型，如單片機(jī)包含位操作空間和豐富的位操作指令； 3）單片機(jī)C語言的存儲模式與單片機(jī)的存儲器緊密相關(guān)。使用不同存儲器將會影響程序執(zhí)行的效率，但標(biāo)準(zhǔn)C語言對存儲模式的要求不高； 4）單片機(jī)C語言中有專門的中斷函數(shù)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計的思路是：使用C語言，將各部分的驅(qū)動程序（1602液晶、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、按鍵、蜂鳴器、計時等）分別編寫在不同子文件中，減少主文件的復(fù)雜度，增加可讀性。然后，在主函數(shù)中，先初始化液晶顯示器，然后進(jìn)入大循環(huán)。在大循環(huán)中，讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)，并根據(jù)按鍵的輸入情況，進(jìn)行物理量和量程以及所測量是直流還是交流的選擇，如果發(fā)生超出量程的情況，調(diào)用蜂鳴器進(jìn)行報警，否則對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理，最后發(fā)送至液晶顯示器進(jìn)行輸出。根據(jù)上述設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計思想軟件可劃分為：初始化模塊、AD數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、按鍵模塊、顯示模塊以及計時模塊，軟件模塊框圖如圖41所示，主程序框圖如圖42所示。初始化模塊AD數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換模塊 主 程 序 數(shù)據(jù)處理模塊顯示模塊 按鍵模塊 計時模塊