万用表的设计与制作11课案.docx

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万用表的设计与制作11课案

摘要

本文介绍了一种基于单片机技术的新型高精度数字式万用表，该设计采用STC公司生产的STC89C52微处理器作为整个设计的核心单元，通过施加外围电路来实现直流电压和直流电流的精确测量，该系统的设计思想是通过输入端电阻采集被测信号，由于采集到的电压、电流信号较弱需要经运算放大器对信号进行放大，本文采用LM124对采集到的信号进行放大，经放大处理后的信号为模拟信号不能直接被单片机识别，需要将采集到的模拟电压信号送到模数转换芯片ADS1110来进行A/D转化，最后将转换后的数字信号送到MCU进行数据处理并通过液晶屏幕来显示被测值。

本文对整个设计流程做了详细的阐述并制作了样机，实际测试表明该数字式电压电流表可以精确的测量直流电压，直流电流，理论设计精度可达到16位，显示精度达到0.0001，测试结果证明测试精度达到了设计要求。

[关键词]:

数字万用表;原理;安装;调试;检验

ABSTRACT

Thisarticleintroducedanewdigitalvoltmeterofhighprecision,whichwasbasingonsingle-chiptechnic,thedesignadoptedSTC89C52microprocessorproducedbyATMEALcompanyasthecoreunitofthewholedesign,toreachtheprecislymeasurementofvoltsd.cbyputtingperipheralcircuit.,andtheideaofthesystemwastogatherthesignaloftheundermeasuredvoltsthroughtheinputingresister.Asthevoltssignalgatheredwasveryweak,itneededtobemagnified,heretheLM24wasusedtodothis.Themagnifiedsignalwastakenasanalogsignal,whichcannotbeidentifiedbysingle-chip,sotheanalogsignalneededtobetransferredtoADS1110togettheA/Dtransferation,thenthetransferredsignalwouldbeconveyedtoMCUfordigtalprocessingandthroughLCD1602togetthevolumofthevolts.Thewholedesignprocesswasdescribedindetailsandsamplewasalsomade,andtheactultestresultshowedthisvoltmeterwasabletomeasurevoltsd.cveryprecisely,thevolumcanreach0.0001,whichcanmeettherequirementwell.

[Keywords]:

digitalmultimeter;Theprincipleof;Theinstallation;debugging;inspection

目录

第1章概述1

1.1万用表的种类1

1.1.1模拟万用表1

1.1.2数字万用表2

1.2数字万用表的应用与优势3

第2章数字万用表的测量理论5

2.1模数转换与数字显示电路5

2.2直流电压测量电路6

2.3直流电流测量电路6

2.4交流电压、电流测量电路7

2.5电阻测量电路8

第3章STC89C52型数字万用表的系统硬件设计10

3.1STC89C52型数字万用表系统的论证及选择的特点10

3.1.1主控芯片10

3.1.2显示芯片10

3.1.3原理框图10

3.2STC89C52型数字万用表的单元电路设计11

3.2.1主控模块11

3.2.2显示模块13

第4章STC89C52型数字万用表的安装与调试14

4.1印制电路板元器件的安装与焊接14

4.2液晶显示器件的安装15

4.3开关及印制板的安装15

4.4STC89C52型数字万用表的调试15

4.5STC89C52型数字万用表的测试16

第5章总结18

致谢19

参考文献20

附录STC89C52型数字万用表的电路原理图21

第1章概述

1.1万用表的种类

万用表分为指针式、数字式两种。

随着技术的发展，人们研制出微机控制的虚拟式万用表，被测物体的物理量通过非电量/电量，将温度等非电量转换成电量，再通过A/D转换，由微机显示或输送给控制中心，控制中心通过信号比较做出判断，发出控制信号或者通过D/A转换来控制被测物体。

1.1.1模拟万用表

交流电量的电路中，使用了整流器件，将交流电变换成为直流电，从而万用表的种类很多，按其读数方式可分为模拟式万用表和数字式万用表两类。

模拟式万用表是通过指针在表盘上摆动的大小来指示被测量的数值，因此，也称其为机械指针式万用表。

由于它价格便宜、使用方便、量程多、功能全等优点深受使用者的欢迎。

1.模拟万用表的组成

万用表在结构上主要由表头、测量电路、转换装置三部分组成。

万用表的面板上有带有多条标度尺的刻度盘、转换开关旋钮、调零旋钮和接线插孔等。

（1）表头

万用表的表头一般都采用灵敏度高，准确度好的磁电式直流微安表，它是万用表的关键部件，万用表性能好坏，很大程度上取决于表头的性能。

表头的基本参数包括表头内阻、灵敏度和直线性，这是表头的三项重要技术指标。

表头内阻是指动圈所绕漆包线的直流电阻，严格讲还应包括上下两盘游丝的直流电阻，内阻高的万用表性能好。

多数万用表表头内阻在几千欧姆左右。

表头灵敏度是指表头指针达到满刻度偏转时的电流值，这个电流数值越小，说明表头灵敏度越高，这样的表头特性就越好，通电测试前表针头必须准确地指向零位，通常表头灵敏度只有几微安到几百微安。

表直线性是指表针偏转幅度与通过表头电流强度幅度是相互一致的。

（2）测量电路

测量电路是万用表的重要部分。

正因为有了测量电路才使万用表成了多量程电流表、电压表、欧姆表的组合体。

万用表测量电路主要由电阻、电容、转换开关和表头等部件组成。

在测量实现对交流电量的测量。

（3）转换装置

它是用来选择测量项目和量限的，主要由转换开关、接线柱、旋钮、插孔等组成。

转换开关是由固定触点和活动触点两大部分组成。

通常将活动触点称为“刀”，固定触点称为“掷”。

万用表的转换开关是多刀多掷的，而且各刀之间是联动的。

转换开关的具体结构因万用表的不同型号而有差异。

当转换开关转到某一位置时，可动触点就和某个固定触点闭合，从而接通相应的测量电路。

2.模拟万用表表盘

模拟万用表可以测量多种电量，具有多个量程的测量仪表，为此万用表表盘上都印有多条刻度线，并附有各种符号加以说明。

电流和电压的刻度线为均匀刻度线，欧姆档刻度线为非均匀刻度线。

不同电量用符号和文字加以区别。

直流量用“一”或“DC”表示，交流量用“-”或“AC”表示，欧姆刻度线用“Ω”表示。

为便于读数，有的刻度线上有多组数字。

多数刻度线没有单位，为了便于在选择不同量程时使用。

1.1.2数字万用表

数字万用表是采用集成电路模/数转换器和液晶显示器，将被测量的数值直接以数字形式显示出来的一种电子测量仪表。

1.数字万用表的组成

数字万用表是在直流数字电压表的基础上扩展而成的。

为了能测量交流电压、电流、电阻、电容、二极管正向压降、晶体管放大系数等电量，必须增加相应的转换器，将被测电量转换成直流电压信号，再由A/D转换器转换成数字量，并以数字形式显示出来。

它由功能转换器、A/D转换器、LCD显示器、电源和功能/量程转换开关等构成。

常用的数字万用表显示数字位数有三位半、四位半和五位半之分。

对应的数字显示最大值分别为1999，19999和199999，并由此构成不同型号的数字万用表。

2.数字万用表的面板

（1）液晶显示器：

显示位数为四位，最大显示数为±1999，若超过此数值，则显示1或-1；

（2）量程开关：

用来转换测量种类和量程；

（3）电源开关：

开关拨至“ON”时，表内电源接通，可以正常工作；“OFF”时则关闭电源；

（4）输入插座：

黑表笔始终插在“COM”孔内。

红表笔可以根据测量种类和测量范围分别插入“V·Ω”、“mA”、“10A”插孔。

3.数字万用表的使用注意事项

（1）在测电流，电压时，不能带电换量程；

（2）选择量程时，要先选大的，后选小的，尽量使被测值接近于量程；

（3）测电阻时，不能带电测量；

（4）用毕，应使转换开关在空档上。

1.2数字万用表的应用与优势

在电子电路的测试、家用电器设备的维修、电子仪器检修、电子元器件测量中，万用表是最普及、最常用的测量仪表。

由于它操作简单、功能齐全、便于携带、一表多用等特点，深受电工、电子专业工作者及广大无线电爱好者的喜爱。

事实证明，万用表不及能检测电工、电子元器件的性能优劣，查找电子、电气线路的故障，估测某些电气参数，有时还能代替专用测试仪器，获得比较准确的结果，基本上可以满足电工、电子专业人员和业余无线电爱好者的需要。

因此，推广万用表的应用技术，实现一表多用，既符合节约精神，又可在一定的程度上克服缺少专用仪器的困难。

与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：

1.高准确度和高分辨力

三位半数字式电压表头的准确度为±0.5％，四位半的表头可达±0.03％，而指针式万用表中使用的磁电系表头的准确度通常仅为±2.5％。

分辨力即表头最低位上一个字所代表的被测量数值，它代表了仪表的灵敏度。

通常三位半数字万用表的分辨力可达到电压0.1mV、电流0.1uA、电阻0.1Ω，远高于一般的指针式万用表。

2.电压表具有高的输入阻抗

电压表的输入阻抗越高，对被测电路影响越小，测量准确性也越高。

三位半数字万用表电压档的输入阻抗一般为10MΩ，四位半的则大于100MΩ。

而指针式万用表电压档输入阻抗的典型值是20-100kΩ/V。

3.测量速率快

数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数，它主要取决于A/D转换的速率。

三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒2-4次，高的可达每秒几十次。

4.自动判别极性

指针式万用表通常采用单向偏转的表头，被测量极性反向时指针会反打，极易损坏。

而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性，使用起来格外方便。

5.全部测量实现数字式直读

指针式万用表尽管刻画了多条刻度线，也不能对所有档进行直接读数，需要使用者进行换算、小数点定位，易出差错。

特别是电阻档的刻度，既反向读数又是非线性刻度，还要考虑档的倍乘。

而数字万用表则没有这些问题，换档时小数点自动显示，所有测量档都可以直接读数，不用换算、倍乘。

6.自动调零

由于采用了自动调零电路，数字万用表校准好以后使用时无需调校，比指针式万用表方便许多。

7.抗过载能力强

数字万用表具备比较完善的保护电路，具有较强的抗过压过流的能力。

第2章数字万用表的测量理论

数字万用表核心部件是A/D转换器，采用中、大规模集成芯片。

数字电压表从结构上看是直流数字电压表。

为扩展功能适应多种参数的测量要求，在数字电压表前部设置相应的参数变换器，如R/U变换器、I/U变换器、AC/DC变换器等。

数字式仪表的特点是精确、灵活、多功能、能很好地与计算机相连接，在自动化测试系统中占重要地位。

2.1模数转换与数字显示电路

常见的物理量都是幅值连续变化的所谓模拟量。

指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示，而对数字式仪表，需要把模拟电信号转换成数字信号，再进行显示和处理。

数字信号与模拟信号不同，其幅值是不连续的。

就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值。

若最小量化单位为Δ，则数字信号的大小一定是Δ的整数倍，该整数可以用二进制数码表示，但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换后由数码管或液晶屏显示出来。

例如，设Δ＝0.1mV，把被测电压U与Δ比较，看U是Δ的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N。

然后，把N变换成显示码显示出来。

能准确得到并被显示出来的N是有限的，一般情况下，N≥1000即可满足测量精度要求。

所以，最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半数字表。

对上述情况，把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV为单位的被测电压U的大小。

如：

U是Δ（0.1mV）的1234倍，即N=1234，显示结果为123.4（mV）。

这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示-199.9到199.9mV的电压，显示精度为0.1mV。

由上可见，数字测量仪表的核心是模/数转换、译码显示电路。

A/D转换一般又可分为量化、编码两个步骤。

A/D转换及数字显示已是很成熟的电子技术，且已经制成大规模集成电路。

2.2直流电压测量电路

在数字电压表头前面加一级分压电路，可以扩展直流电压测量的量程。

U0为数字电压表头的量程（如200mV），r为其内阻（如10MΩ），r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。

分压电路原理图如图2-1所示。

图2-1分压电路原理

多量程分压器5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为200mV、2V、20V、200V和2000V。

尽管上述最高量程档的理论量程是2000V，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为1000V。

换量程时，多量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，可以方便地直读出测量结果。

2.3直流电流测量电路

测量电流的原理是：

根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。

由于r>>R，取样电阻R上的电压降为Ui=RIi。

即被测电流Ii=Ui/R，若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻为R=U0/I0。

如U0=200mV，则I0=200mA档的分流电阻为R=1Ω。

电流测量原理图如图2-2所示。

图2-2电流测量原理

多量程的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，被测电路的电压可能使数字表头过载，多量程分流器电路图如图2-3所示。

图2-3多量程分流器电路

实际数字万用表中各档分流电阻的阻值是这样计算的：

先计算最大电流档的分流电阻R5，依次可计算出R3、R2和R1分别为9Ω、90Ω、900Ω。

实用分流器电路图如图2-4所示。

图2-4实用分流器电路

图中的FUSE是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，起过流保护作用。

两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封硅整流二极管，它们起双向限幅过压保护作用。

正常测量时，输入电压小于硅二极管的正向导通压降，二极管截止，对测量毫无影响。

一旦输入电压大于0.7V，二极管立即导通，两端电压被限制住，保护仪表不被损坏。

用2A档测量时，若发现电流大于1A时，应不使测量时间超过20秒，以避免大电流引起的较高温升影响测量精度甚至损坏仪表。

2.4交流电压、电流测量电路

数字万用表中交流电压、电流测量电路是在直流电压、电流测量电路的基础上，在分压器或分流器之后加入了一级交流-直流变换器，AC-DC变换器原理图如图2-5所示。

该AC-DC变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波器等组成，还包含一个能调整输出电压高低的电位器，用来对交流电压档进行校准之用。

调整该电位器可使数字表头的显示值等于被测交流电压的有效值。

同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高档的量限通常限定为750V。

数字万用表交流电压、电流档适用的频率范围通常为40~400Hz，有些型号的交流档测量频率可达1000Hz。

2.5电阻测量电路

数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，电阻测量原理图如图2-6所示。

稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻R0和被测电阻Rx的电流基本相等。

所以A/D转换器的参考电压UREF和输入电压UIN有如下关系。

根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与UREF的比值，当UIN＝UREF时显示“1000”，UIN＝0.5UREF时显示“500”，以此类推。

所以，当Rx＝R0时，表头将显示“1000”，当Rx＝0.5R0时显示“500”，这称为比例读数特性。

因此，我们只要选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量档。

如对200Ω档，取R01=100Ω，小数点定在千位上。

当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.001kΩ测到1.999kΩ。

第3章STC89C52型数字万用表的系统硬件设计

3.1STC89C52型数字万用表系统的论证及选择的特点

3.1.1主控芯片

方案1：

选用专用电压转换芯片INC7107实现电压的测量和现实。

缺点是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。

优点是价格低廉。

方案2：

选用单片机STC89C52和A/D转换芯片STC89C52实现电压的转换和控制，用液晶显示出最后的转换电压结果。

缺点是价格稍贵。

优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。

基于课程设计的要求，我们优先选用了：

方案2。

3.1.2显示芯片

方案1：

选用4个单体的共阳数码管，将a—h全部连接起来，然后接到单片机口的I/O上进行控制。

缺点是焊接时比较麻烦，容易出错。

优点是价格比较便宜。

方案2：

选用译码芯片74LS47和74LS138配合一个四联的共阳数码管显示。

缺点是价格较贵，焊接麻烦，单片机控制时比较麻烦。

优点是有效的节约了单片机的I/O口资源，适用于单片机I/O口不够用的情况下。

方案3：

方案三：

采用LCD液晶显示器显示。

而LCD液晶显示则耗能少，能够显示万用表、电压、电流、电阻等汉字，在显示方面更加灵活，而且改变显示时只要改变软件设计就可以，不用改变硬件电路的设计，易于电路的功能扩展。

电路的软件设计也很简单。

另外，这种设计硬件更加简洁。

采用LCD液晶显示方案的缺点是在显示位数比较少时，价格略显昂贵。

基于以上方案和课程设计的要求，我们优先选用了：

方案3。

3.1.3原理框图

STC89C52型数字万用表原理框图如图3-1所示。

图3-1STC89C52型数字万用表原理框图

3.2STC89C52型数字万用表的单元电路设计

3.2.1主控模块

1.STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，32位I/O口线，三个16位定时器/计数器，另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

2.引脚结构及作用

STC89C52管脚结构图如图3-2所示。

图3-2STC89C52管脚结构图

VCC:

电源

GND:

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入，当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器2的触发输入。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P3口亦作为STC89C52特殊功能使用，在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚也用作编程输况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN:

外部程序存储器选通信号是外部程序存储器选通信号。

当STC89C52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收5伏的电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

3.2.2显示模块

采用八位共阳极LED数码管进行显示，利用单片机I/O口动态循环输出的方法，将相应的段码值输入，并开相应LED的三极管。

第4章STC89C52型数字万用表的安装与调试

4.1印制电路板元器件的安装与焊接

1.插装并焊接电阻器R9、R18、R8、R21，立式安装电阻器时，要求电阻本体紧靠印制板，引线上弯半径R为1ｍｍ，表示第一位有效数字的色环朝上，卧式安装时，表示第一位有效数字的色环朝左以印制板图上的字作为参考方向，电阻立式安装示意图如图4-1所示。

图4-1电阻立式安装示意图

2.COM、10A、V/Ω/mA表笔插座的安装示意图如图4-2所示，在元件面，将插座焊接在印制板上，在需焊接的地方涂少许松香，插座应与印制板先垂直，否则将难以准确，将插座装入外壳相应的插座孔中。

图4-2表笔插座安装示意图

3.安装电容器C2、C3、C4、C1、C5，电容安装时应使其数值易于观。

4.电位器VR1的安装。

5.安电阻器R13、R15、R26、R14、R25、R19、R20、R12、R11、R17、R10