【正文】 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）。 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。它表示測量結(jié)果與真值的一致程度，也反映了測量誤差的大小，準(zhǔn)確度愈高，測量誤差愈小。 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。 5）．測試功能強(qiáng) 數(shù)字萬用表不公可以測量直流電壓（ 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。 6）．測量范圍寬 數(shù)字萬用表可滿足常規(guī)電子測量的需要。 7）．測量速率快 數(shù)字萬用表在每秒鐘內(nèi)對被測電壓的測量次數(shù)叫測量速率，單位是“次 /秒”。一般數(shù)字萬用表的測量速率為 2~5 次 /秒。數(shù)字萬用表可滿足不同用戶對測量速率的需要 。 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。 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。并且能深入的說明萬用表的測量原理。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 6 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。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量技術(shù)提高到嶄新水平。實(shí)現(xiàn) 多 級量程的直流電壓測量，其量程范圍是 200mv、 2v ,20v,200v 和 多 級量程的交流電壓測量，其量程范圍是 200mv、 2v ,20v,200v 和 多 級量程的直流電流測量，其量程范圍是 2mA ， 20mA， 200mA、 2A 和 多 級量程的電阻測量，其量程范圍是 200、2k ,20k,200k 和 2M。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。 數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決的問題 本設(shè)計(jì)重點(diǎn)要解決的問題是對不同量程的各種測量內(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。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 )。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 )。這種情況被稱為是“量化的”。但為了能直觀地讀出信號大小的數(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。一般情況下， N ≥ 1000 即可滿足測量精度要求 (量化誤差≤ 1/1000=%)。 對上述情況，我們把小數(shù)點(diǎn)定在最末位之前，顯示出來的就是以 mV 為單位的被測電壓 U 的大小。這樣的數(shù)字表頭，再加上電壓極性判別顯示電路，就可以測量顯示 ～ 的電壓，顯示精度為 。 A/D 轉(zhuǎn)換一般又可分為量化、編碼兩個(gè)步驟。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。 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。 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。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 。 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量結(jié)果。如圖 ，由于 rR，取樣電阻 R 上的電壓降為 iiU IR? 即被測電流 ii UI R? 圖 電流測量原理 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??。 圖 中的分流器在實(shí)際使用中有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)換檔開關(guān)接觸不良時(shí)，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 所示。 圖中的 BX 是 2A 保險(xiǎn)絲管，電流過大時(shí)會快速熔斷，超過流保護(hù)作 用。正常測量時(shí)，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航?，二極管截止，對測量毫無影響。 4） 、 交流電壓電流測量處理原理 數(shù)字萬用表中交流電壓，電流測量電路是在直流電壓、電流測量電路的基礎(chǔ)上，在分壓器或分流器之后加入了一級交流 直流(ACDC)變換器，圖 為其原理簡圖。調(diào)整該電位器可使數(shù)字表頭的顯示值等于被測交流電壓的有效值。 5） 、 電阻測量原理 數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例測量法，其原理電路見圖 。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”，以此類推。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。當(dāng) XR =100? 時(shí)，表頭就會顯示出 ? 。 又如對 2k? 檔，取 02 1Rk??，小數(shù)點(diǎn)定在千位圖 電阻測量原理 圖 電阻測量 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。 其余各檔道理相同，同學(xué)們可自行推演。 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 組成了過壓保護(hù)電路，以防誤用電阻檔去測高電壓時(shí)損壞集成電路。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 的擊穿電流不超過允許范圍。 6） 、 電容測量原理 電容測量是根據(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。 數(shù)字萬用表的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體框架圖 如下圖 所示，本萬用表由以下幾部分功能組成，復(fù)位電路、震蕩電路、 ADC輸入、被測量顯示、超限報(bào)警、 ADC 使能控制。 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)字萬用表，配合分流電阻、分壓電阻、基準(zhǔn)電阻可以測量 交、直流電壓值，直流電流、直流電阻， 四位數(shù)碼顯示。 復(fù)位電路 震蕩電路 ADC 輸入 被測量顯示 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 存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz 三級加密程序存儲器 32 個(gè)可編程 I/O 口線 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 看門狗定時(shí)器 1雙數(shù)據(jù)指針 l 掉電標(biāo)識符 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 存儲器。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。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 16 雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 VCC : 電源 GND: 地 P0 口： P0 口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。對 P0 端口寫“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。在這種模式下， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。對 P1 端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。此外， 和 分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸（ ）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體如下表所示。 表 P1 口的第二功能 P2 口： P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。對 P3 端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 總體設(shè)計(jì)方案 17 輸入口使用。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能 （第二功能）使用，如下表所示。 表 P3 口的第二功能 RST: 復(fù)位輸入。看門狗計(jì)時(shí)完成后， RST 腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。在 flash 編程時(shí)，此引腳（ PROG）也用作編程輸入 脈沖。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， ALE 脈沖將會跳過。這一位置 “ 1”， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時(shí)有效。這個(gè) ALE 使能標(biāo)志位（地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 當(dāng) AT89S52 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時(shí)， PSEN 在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， PSEN 將不被激活。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令， EA 必須接 GND。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )