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基于单片机控制数字万用表论文

新疆农业大学科学

技术学院

课

程

设

计

报

告

课程名称：

单片机原理与应用

学生姓名：

完成时间：

系（部）

专业班级

课程实训题目

姓　　名

组　别

同组实训者

指导教师

实训时间

指

导

教

师

评

语

指导教师签名：

______年____月____日

实训

成绩

摘要

本课题设计了一个基于单片机的数字多用表，这种数字多用表以单片机AT89S52作为数据处理主控芯片。

首先，将输入的待测模拟信号经过A/D转换模块，转换成为单片机能够识别和处理的数字信号；然后，单片机对此数字信号进行数据处理；最后，测量结果通过LED显示模块显示出来。

本课题设计的数字多用表具有用途多、测量精确、性能稳定、携带方便等优点，是电子测量中最常用的工具之一。

它可以用来测量电压、电流、电阻等，操作起来非常简单，而且还可以进行功能扩展。

关键词：

单片机；电子测量；A/D转换；LED显示

1、数字万用表设计的目的及背景

1.1设计目的

本课程设计是在学习先修课程《单片机原理与应用》之后，为加强对学生系统设计和应用能力的培养而开设的综合设计训练环节。

本课程设计应结合《单片机原理与应用》课程的基础理论，重点强调实际应用技能训练，包括单片机系统设计的软件和硬件两部分。

其课程设计任务是使学生通过应用单片机系统设计的基本理论，基本知识与基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，初步掌握并具备应用单片机进行设备技术改造和产品开发的能力，培养学生的创新意识，提高学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力。

1.2设计背景

数字万用表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量，已被广泛应用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。

随着时代科技的进步，数字万用表的功能越来越强大，把电量及非电量的测量技术提高到崭新水平。

2、数字万用表设计的任务与要求

2.1设计任务

（1）可以检测电压、电流、电阻，用功能开关选择。

（2）在4位LED显示器示检测值。

2.2设计要求

（1）给出系统硬件电路原理图（用protel或其它电路图软件画出）。

（2）给出系统程序流程图、程序清单（加注释）。

（3）以论文格式给出设计报告。

3、数字万用表的设计依据及要解决的问题

3.1数字万用表的设计依据

根据数字万用表的原理，结合以下的设计要求：

“设计一个数字万用表，能够测量电流、电压、电阻值，四位数码显示。

电压测量范围为0~5V，测量误差约为正负0.02V，电流测量范围为1~100mA，测量误差约为正负0.5mA，电阻测量范围为0~1000Ω，测量误差约为正负2Ω。

由此设想出以下的解决方法，即数字万用表的系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、51单片机最小系统、显示部分、AD转换和控制部分组成。

为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障。

3.2数字万用表设计重点解决的问题

本设计重点要解决的问题是对不同量程的各种测量内容的转换，还有就是各部分电路组合成一个完整的数字万用表，而难点解决的问题就是程序的设计，要保正其可行性从而保证设计的正确性。

4、数字万用表的基本原理及设计特点

4.1数字万用表的基本原理

数字万用表的最基本功能是能够测量电流、电压，还有能够测量电阻，数字万用表（DMM）亦称数字多用表，是目前在电子检测及维修工作中最常用、最得力的一种工具类数字仪表。

它采用的数字化测量技术，通过对连续的模拟量（直流输入电压）的采样将其转换成不连续、离散的数字量，并以十进制数字形式显示出来。

由于内部采用了运放电路,内阻可以做得很大,往往在1M欧或更大（即可以得到更高的灵敏度）。

这使得对被测电路的影响可以更小，测量精度较高。

根据设计要求，将整个系统分为4部分：

测量电路部分、通道选择及量程转换部分、A/D转换电路部分、主控电路部分，其中测量部分分为交直流电压、电流测量以及电阻阻值。

对于交流输入，先将其转化为等值的直流信号，再采用分压式测量，而直流输入，采用分压式直接测量；电阻的测量采用伏安法，由A/D采样输入单片机；二极管正向导通压降采用一恒流源加在被测器件上，再有A/D采样输入单片机；三极管hfe值的测量是给其基极加上一偏置电压，测得输出电流，再转换成电压信号输入单片机。

通道选择及量程转换部分我们采用小型继电器控制;MCU主控电路采用AT89S52单片机。

4.2数字万用表具有以下几点特点

（1）显示清晰直观

（2）计数准确

（3）准确度高

（4）分辨力高

（5）测试功能强

（6）测量范围宽

（7）测量速率快

（8）输入阻抗高

（9）集成度高，微功耗

（10）保护功能完善，抗干扰能力强

5、硬件设计

5.1单片机及其外电路

5.1.1单片机AT89S52

单片机选择的是较为熟悉的AT89S52,引脚如图5-1所示单片机AT89S52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。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

单片机及其外围电路主要是为系统提供稳定的时钟源和复位操。

图5-1AT89S52芯片引脚图

5.1.2单片机AT89S52主要性能

（1）与MCS-51单片机产品兼容

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器

（3）1000次擦写周期

（4）全静态操作：

0Hz～33Hz

（5）三级加密程序存储器

（6）32个可编程I/O口线

（7）三个16位定时器/计数器

（8）八个中断源

（9）全双工UART串行通道

（10）低功耗空闲和掉电模式

（11）掉电后中断可唤醒

（12）看门狗定时器

（13）双数据指针

（14）掉电标识符

5.1.3功能特性描述

　　AT89S52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。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

5.1.4单片机外围电路图

图5-2单片机及其外围电路

5.2A/D转换电路

如图5-3所示，ADC0808是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

ADC0808对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0~5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：

4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

本设计采用直通方式如图1，其中AV、VV、RV分别作为待测信号，通过ABC选通并输入AD。

图5-3ADC0808连接图

5.3显示电路

　如图5-4所示，SR420561K是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的BCD码—七段码。

特点：

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED示器。

SR420561K是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器。

本次设计我们通过74LS374来驱动，再通过74HC245来放大信号输入给ＬＥＤ显示，电路图如图5-5。

图5-4　SR420561K引脚图

图5-5　显示电路及外围电路

5.4　电阻测量电路

运算放大器的反馈电阻RX作为待测量电阻，通过1000Ω电阻R19接到电源-5V。

假定运算放大器理想，那么

，将RV送给ADC0808，转换后得到数字量为

，注意此时刻得到的RX为二进制，需要转化为十进制数后才能送给数码管显示。

程序中采用４Ｂ无符号除法，连续进行４次除以10的除法，依次取得４为数值，并且电阻测量范围只保证在0～1000Ω范围内误差不超过2Ω，如果测量其他范围的电阻，需要修改R19的数值，或采用其他电路。

电路图如5-6所示。

图5-6数字多用仪表的电阻测量输入电路图

5.5　电压测量电路

待测电压经过低通滤波器除高频干扰，再通过同相放大器送给ADC0808，电压测量范围为0～5V,ADC0808的分辨率为8位，测量误差约为0.02V,电路图如5-7。

图5－7数字多用仪表的电压测量输入电路

5.6　电流测量电路

如图5-8所示为数字多用仪表的电流测量输入电路。

电流测量范围为1~100mA，因为ADC0808是电压转换器件，必须将电流转换为电压才能进行测量，这可以通过串接电阻RL来实现，注意，RL必须很小（例如０.１Ω），否则影响电流数值。

由于待测电流和RL都很小，RL两端的电压大小，必须将其放大到ADC0808能够分辨的范围之内。

假设待测电流大小为I，RL两端节点电压分别为VA和VB，VA经过反向放大缓冲电路之后VC＝－VA。

VA和VB经过拆分反向放大电路，得VD＝－（VB－VA）×

＝（ＶＡ－ＶＢ）×

＝Ｉ×ＲＬ×

，再经过同相放大电路得

AV＝VD×（１＋

）＝Ｉ×ＲＬ×

×（１＋

）＝I×0.1×352。

将AV送给ADC0808转换后得到数字量为DAV=

单片机读取A/D转换数据，再经过逆向运算可得I=

在进行计算；其次，这样算出来的电流数值误差比较大，原因是LM324不是精密理想运算放大器，当输入信号很小时，误差比较大。

因此需要对计算数值进行修正，方法是：

先计算DAV*50000，然后将结果减去102000，再将得到的结果除以89760，这样比较准确。

关于102000这个数值是，通过反复测试并经过曲线拟合得到的。

图5－8数字多用仪表的电流测量输入电路

6、软件设计

　6.1　系统总流程图

图6-1

6.2　物理量采集处理流程图

图6-2

总结

通过三周的单片机课题的设计，使我真正的、全面的有机会对大学期间所学的专业课和专业知识进行了系统的分析和总结，从课题的分析设计到最后的硬件电路设计和软件编程设计的实现，都是在老师的指导下，逐步完成的。

本课题设计了一个数字多用表，这种数字多用表以单片AT89S52作为数据处理主控芯片，并以模数转换芯片ADC0808、锁存器74LS374、液晶显示模块作为外围电路，构成了整个的硬件电路。

待测的模拟量首先经过A/D转换模块，转换成为单片机能够识别和处理的数字信号；然后，单片机对此数字信号进行数据处理；最后，测量结果通过显示模块显示出来。

可以用来测量电压、电流、电阻，而且还可以进行功能的扩展。

由于能力和时间有限，系统还有一些地方不尽如人意。

比如，本系统能直接测量的电压范围比较小，要想测量大电压必须先进行分压处理。

因为A/D转换器ADC0808有8个输入端口，所以，理论上讲本系统能够分时地对8路信号进行测量；如果接上湿度传感器本系统还能象测量温度那样来测量湿度，而这些工作还有待今后一一地去解决。

参考文献

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附录

附录1硬件设计整体结构图

图1　数字多用表原理图

图2　数字多用表PCB二维图

图3　数字多用表PCB三维图

附录2数字多用仪表元件清单

序号

器件

规格

数量

价格

金额

单片机

AT89S52

数码管锁存器

74LS374

型四2输入或非门

74LS02

6非门（反相器）

74LS04

总线收发器

74HC245

LED数码管

SR420561K

A/D转换器

ADC0808

稳压管

-5V

排阻

A103G

放大器

LM324

无源晶振

11.0592MHz

有源晶振

2MHz

电源插口

电感

22uH

开关

SW-3（三合一）

电源接口

测量接口

滑动变阻器

1kΩ

电阻

0.1Ω

22Ω

30Ω

1kΩ

10kΩ

40kΩ

100kΩ

1.5MΩ

2.2MΩ

电容

22P

0.1uF

0.1uF（有正负）

0.33uF

0.33uF（有正负）

10uF（有正负）

附录3程序代码源

org0000h;单片机复位地址

ajmpmain;转移到主程序处

org0100h;main被定位在0x0100处

main:

movsp,#80h;初始化堆栈指针

jnbP1.0,cr;测量功能判断

jnbP1.1,cv

jnbP1.2,ca

cr:

movR7,#00h

lcalladc

LCALLRDAT

lcallDISPLAY

sjmpmain

CV:

MOVR7,#01H

LCALLADC

LCALLVDAT

LCALLDISPLAY

SJMPMAIN

CA:

MOVR7,#02H

LCALLADC

LCALLADAT

LCALLDISPLAY

SJMPMAIN

*************************************************

ADC:

MOVA,R7;0808A/D转换子程序

MOVDPTR,#7FFFH

MOVX@DPTR,A

JBP3.3,$

MOVXA,@DPTR;输入转换结果

RET

*************************************************

vdat:

movR2,#00h;电压测量数据处理

movR3,A

movR6,#01h

movR7,#0F4h

callMULD2;乘以500

clrC

movA,r5

addA,#60h;加96修正

movr5,A

movA,r4

addcA,#00h

movr4,A

movA,r3

addcA,#00h

movr3,A

movA,r2

addcA,#00h

movr2,A

movr0,#30h

movr1,#34h

movA,R2

mov@r1,A

incr1

movA,R3

mov@r1,A

incr1

movA,R4

mov@r1,A

incr1

movA,R5

mov@r1,A

incr1

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#0FFh

callDIVD4;除以255

movr1,#38h

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#0Ah

callDIVD4

mov43h,33h

callDIVD4

mov42h,33h

callDIVD4

mov41h,33h

movr0,#40h

mov@r0,#00h

incr0

movA,41h

movDPTR,#SEGMENT7

movcA,@A+DPTR

orlA,#80h

mov@r0,A

incr0

movA,42h

movDPTR,#SEGMENT7

movcA,@A+DPTR

mov@r0,A

incr0

movA,43h

movDPTR,#SEGMENT7

movcA,@A+DPTR

mov@r0,A

Ret

*************************************************

ADAT:

movB,A;电流测量数据处理

movA,#0B6h

clrC;以下根据范围设置数值以防溢出

subbA,B

jcLARGERA

movA,B

subbA,#16h

jcLESSA

ajmpMIDDLEA

LARGERA:

movA,#0B6h

ajmpCALCULATEA

LESSA:

movA,#16h

ajmpCALCULATEA

MIDDLEA:

movA,B

CALCULATEA:

movr2,#0C3h

movr3,#50h

movr6,#00h

movr7,A

callMULD2;乘以50000

clrC

movA,r5

subbA,#70h;以下减去102000

movr5,A

mov37h,A

movA,r4

subbA,#8Eh

movr4,A

mov36h,A

movA,r3

subbA,#01h

movr3,A

mov35h,A

movA,r2

subbA,#00h

movr2,A

mov34h,A

movr0,#30h

movr1,#38h

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#01h

incr1

mov@r1,#5Eh

incr1

mov@r1,#0A0h

callDIVD4;除以89760

movr1,#38h

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#00h

incr1

mov@r1,#0Ah

movDPTR,#SEGMENT7

callDIVD4

movA,33h

movcA,@A+DPTR

mov43h,A

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