【正文】 系統更加穩(wěn)定，使系統整體精度得以保障，本電路使用了AD0809 數據轉換芯片，單片機系統設計采用 AT89S52 單片機作為主控芯片，配以RC 上電復位電路和 震蕩電路，顯示芯片用 TEC6122，驅動 8 位數碼管顯示。 i 畢業(yè)設計（論文 ） 題 目： 基于單片機的數字萬用表 設計 英文題目： THE DESIGN OF DIGITAL MULTITESTER BASED ON MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUIT 學生姓名 學 號 指導老師 職稱 專 業(yè) 摘要 i 摘 要 本次設計 用單片機芯片 AT89s52 設計一個數字萬用表，能夠測量交、直流電壓值 、 直流電流、直流電阻 以及電容 ，四位數碼顯示。 此系統由分流電阻、分壓電阻、基準電阻、電容測試芯片電路、 51 單片機最小系統、顯示部分、報警部分、 AD 轉換和控制部分組成。程序每執(zhí)行周期耗時縮到最短，這樣保證了系統的實時性 。它是采用數字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉換成不連續(xù)的、離散的數字形式并加以顯示的儀表。 數字萬用表具 有以下幾點特點： 1）．顯示清晰直觀，計數準確 為了提高觀察的清晰度，新型的手持式數字用用表（ 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 數字萬用表的顯示位數通常為 3 位半到 8 位半。它表示測量結果與真值的一致程度，也反映了測量誤差的大小，準確度愈高，測量誤差愈小。 4）．分辨力高 數字萬用表在最低電壓量程上末位 1 個字所代表的電 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 數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 數字萬用表可滿足常規(guī)電子測量的需要。 7）．測量速率快 數字萬用表在每秒鐘內對被測電壓的測量次數叫測量速率，單位是“次 /秒” 。一般數字萬用表的測量速率為 2~5 次 /秒。數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 新型數字萬用表普遍采用 CMOS 大規(guī)模集成電路的 A/D 轉換器，整機功耗很低， 3位半， 4 位半手持式數字萬用表的整機功耗僅幾十毫瓦，可用 9V 疊層 電池供電。 本設計就是基于這個基礎設計一個基于單片機的數字萬用表。并且能深入的說明萬用表的測量原理。 總 體 設 計 方 案 6 1. 數字萬用表 設計背景 在本章中主要介紹了系統的設計原則和總體方案及系統概述等。隨著時代科技的進步，數字萬用表的功能越來越強大，把電量及非電量的測量技術提高到嶄新水平。實現 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。由此設想出以下的解決方法，即數字萬用表的系統由分流電阻、分壓電阻、基準電阻、電容測試芯片電路、 51 單片機最小系統、顯示部分、報警部分、 AD 轉 換和控制部分組成。 本設計重點要解決的問題是對不同量程的各種測量內容的轉換，還有就是各部分電路組合成一個完整的數字萬用表，而難點解決的問題就是程序的設計，要保正其可行性從而保證設計的正確性。 7 圖 數字萬用表的基本組成 下面我們分別介紹各個部分的組成： 1） 、模 數 (A/D)轉換與數字顯示電路 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 )。而對數字式儀表，需要把模擬電信號 (通常是電壓信號 )轉換成數字信號，再進行顯示和處理 (如存儲、傳輸、打印、運算等 )。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值，需經過數碼變換 (譯碼 )后由數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，我們把小數點定在最末位之前，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 轉換一般又可分為量化、編碼兩個步驟。如圖 所示， 0U 為電壓表頭的量程 (如 200mV )， r 為其內阻 (如 10M? )， 1r 、 2r 為分壓電阻， 10U 為擴展后的量程。 采用圖 3 的分壓電路雖然可以擴展電壓表的量程，但在小量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實際使用中是所不希望的。 圖 使用分壓電路 9 例如：其中 200V 檔的分壓比為 0 54 ?????? ? MkRRRRR RR 其余各檔的分壓比可同樣算出。如先確定 MRRRRRR 1054321 ?????＝總 再計算 2021V 檔的電阻 KRR ＝總? 再逐檔計算 4R 、 5R 、 2R 、 1R 。 換量程時，多刀量程轉換開關可以根據檔位自動調整小數點的顯示，使用者可方便地直讀出測量結果。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? 10 如 0U =200mV ，則 0I =200mA 檔的分流電阻為 1R??。 圖 中的分流器在實際使用中有一個缺點，就是當換檔開關接觸不良時，被測電路的電壓可能使數字表頭過載，所以，實際數字萬用表的直流電流檔電路為圖 所示。 圖中的 BX 是 2A 保險絲管，電流過大時會快速熔斷，超過流保護作用。正常測量時，輸入電壓小于硅二極管的正向導通壓降，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。調整該電位器可使數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 轉換器的參考電壓 RFEU 和輸入電壓 INU 有如下關系： xINREF RRUU 0? 即 0RUUR REFINx ? 根據所用 A/D 轉換器的特性可知，數字表顯示的是 INU 與 RFEU 的比值，當 INU = RFEU 時顯示“ 1000”， INU = RFEU 時顯示“ 500”，以此類推。因此，我們只要選取不同的標準電阻并適當地對小數點進行定位，就能得到不同的電阻測量檔。當 XR =100? 時，表頭就會顯示出 ? 。 又如對 2 k? 檔，取 02 1Rk??，小數點定在千位圖 電阻測量原理 圖 電阻測量 12 上。 其余各檔道理相同，同學們可自行推演。 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 (PTC)熱敏電阻 1R 與晶體管 T 組成了過壓保護電路，以防誤用電阻檔去測高電壓時損壞集成電路。同時 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 電容測量是根據電容充電原理其充電電壓與時間成一定的指數關系。 數字萬用表的硬件系統設計 總體框架圖 如下圖 所示，本萬用表由以下幾部分功能組成，復位電路、震蕩電路、 ADC輸入、被測量顯示、超限報警、 ADC 使能控制。 13 圖 . 總體電路設計原理圖 及選用芯片介紹 設計方案 用單片機 AT89S52 與 ADC0809 設計一個數字萬用表，配合分流電阻、分壓電阻、基準電阻可以測量 交、直流電壓值，直流電流、直流電阻，四位數碼顯示。 復位電路 震蕩電路 ADC 輸入 被測量顯示 超限報警 ADC 使能控制 89s52 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 單片機產品兼容 8K 字節(jié)在系統可編程 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 個可編程 I/O 口線 三個 16 位定時器 /計數器 八個中斷源 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 看門狗定時器 1雙數據指針 l 掉電標識符 方框圖： 15 圖 AT89S52 內部框圖 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 在系統可編程 Flash 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規(guī)程器。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數據指針，三個 16 位定時器 /計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全 16 雙工串行口，片內晶振及時鐘電路?？臻e模式下， CPU 停止工作 ，允許 RAM、定時器 /計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。 VCC : 電源 GND: 地 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。對 P0 端口寫“ 1”時，引腳用作高阻抗輸入。在這種模式下， P0 具有內部上拉電阻。程序校驗時，需要外部 上拉電阻。對 P1 端口寫“ 1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。此外， 和 分別作定時器 /計數器 2 的外部計數輸（ ）和時器/計數器 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 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在這種應用中， P2 口使用很強的內部上拉發(fā)送 1。在 flash 編程和校驗時， 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，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為 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: 復位輸入。看門狗計時完成后， RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。 DISRTO 默認狀態(tài)下，復位高電平有效。在 flash 編程時，此引腳（ PROG）也用作編程輸入脈沖。然而，特別強調，在每次訪問外部數據存儲器時， ALE 脈沖將會跳過。這一位置 “ 1”， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時有效。這個 ALE 使能標志位（地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 當 AT89S52 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， PSEN 在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數據存儲器時， PS