基于单片机的数字万用表的设计.doc

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本科毕业设计

基于单片机的数字万用表的设计

摘要

本设计是基于51单片机的数字万用表，可用于测量直流电压、直流电压及电阻，并使用1602液晶进行显示。

本系统由分压电阻、分流电阻、电阻-电压变换电路、单片机最小系统、液晶显示器、报警器、模数转换器及等部分组成。

本系统采用STC公司的89C52单片机作为主控芯片，PCF8591作为模数转换芯片。

主控芯片与模数转换芯片之间使用I2C总线进行数据通讯，大大地简化了硬件线路，提高系统的稳定性及测量准确度。

从电源获取的电压或电流信号，通过衰减电阻进行衰减后，进入模数转换器的模拟输入端，而待测电阻则通过电阻-电压变换电路，把阻值转化为电压值进行测量。

模数转换器进行转换之后，得到的数字编码通过I2C总线送回单片机。

单片机对数据进行一定的处理后，测量结果由1602液晶显示器负责输出。

本次设计的数字万用表共分为6个档位，分别是2V电压、20V电压、200mA电流、2A电流、2kΩ电阻、20kΩ电阻，超出量程时会自动使用蜂鸣器进行报警提示。

本系统程序执行周期耗时较短，保证了系统的响应速度。

经过初步调试，本系统能较准确的测量量程范围内的电压及电流值，误差范围均在8%以内，而电阻值测量的误差值稍大，误差范围在8.2%以内。

另外，本文详细地介绍了89C52型单片机及PCF8591模数转换芯片的基本功能及性能特征，并叙述了数字万用表测量电压、电流及电阻的基本原理。

关键词：

数字万用表89C52单片机模数转换

DigitalMulti-meterBasedonSCM

LuoJiawei

（CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China）

Abstract:

Thisdesignisadigitalmulti-meterbasedon51SCM（Single-ChipComputer）,whichcanbeusedtomeasureDC（DirectCurrent）voltage,DCvoltageandresistanceanddisplayswitha1602LCD（LiquidCrystalDisplay）.Thesystemconsistsofdividingresistors,shuntresistors,theresistor-to-voltageconvertingcircuit,thesmallestSCMsystem,LCD,alarm,analog-to-digitalconverterandothercomponents.ThesystemusesSTC's89C52SCMasthemasterchipandPCF8591astheanalog-to-digitalconversionchip.TheyusetheI2Cbustocommunicatewitheachother,whichcanlargelysimplifyhardwarecircuitsandimprovethestabilityandaccuracyofmeasurement.Thesystemcapturesthevoltageorcurrentsignalfromapowersupplyandthesignalwillbeattenuatedbydividingresistorsorshuntresistors,beforeitenteringtotheanaloginputterminaloftheanalog-to-digitalconverter.Still,thevalueofresistorsismeasurediscarriedoutbytheresistor-to-voltageconvertingcircuitwhereresistors'valuewillbetransformingtovoltage.Aftertheanalog-to-digitalconverterfinishingtransformation,itsendsbackthedigitalencodingdatatoSCMthroughI2Cbus.Then,theSCMwillprocessthedataandoutputtheresultsofmeasurementbya1602LCD.Thedesignofdigitalmulti-meterisdividedintosixstallswhichare2Vvoltage,20Vvoltage,200mAcurrent,2Acurrent,2kresistorand20kresistor.Theresultsofmeasurementwillbeoutputtedby1602LCDandthebuzzerwillautomaticallyalarmwhensomethingoutofrangehappened.Theprogramexecutioncycleofthissystemtakeslesstimetoensurethattheresponsespeedofthesystem.Afterinitialdebugging,thesystemcanbeaccuratelymeasurevoltageandcurrentvalueintherange,withtheerrorrangelessthan8%,whilemeasurementofresistancehasaslightlylargererrorrange,lessthan8.2%.Inaddition,thispaperalsodescribesthebasicfunctionsandperformancecharacteristicsofthe89C52SCMandthePCF8591analog-to-digitalconversionchip,aswellasadescriptionofthebasicprinciplesofdigitalmulti-metertomeasurevoltage,currentandresistors.

Keywords:

DigitalMulti-meter89C52SCMA/Dconversion

目录

1前言 1

1.1课题的提出 1

1.2研究的意义 1

1.3设计的任务 1

2总体方案确定 1

2.1方案比较及选择 1

2.1.1模数转换芯片方案 1

2.1.2显示器方案 4

2.2确定设计方案 5

3系统硬件分析及设计 5

3.1数字万用表的基本原理 5

3.1.1模数转换及显示电路原理 5

3.1.2多量程数字电压表原理 6

3.1.3多量程数字电流表原理 6

3.1.4电阻测量原理 7

3.2硬件系统总体设计框图 8

3.3硬件电路所用芯片及元件介绍 8

3.3.1STC的89C52型单片机 8

3.3.2PCF8591模数及数模转换芯片 12

3.3.3LCD1602液晶显示器 13

3.4硬件电路设计 14

3.4.1电源部分 14

3.4.2电压衰减电路 14

3.4.3电流衰减电路 15

3.4.4电阻-电压变换电路 15

3.4.5模数转换部分 16

3.4.6报警提示部分 16

3.4.7单片机最小系统 17

3.4.8显示输出部分 17

3.4.9开关及量程选择部分 18

3.4.10整体硬件电路 18

3.5电路工作过程描述 19

4系统软件设计 19

4.1C语言概述 19

4.2软件设计思路 19

4.3程序流程图 20

4.3.1系统软件总流程图 20

4.3.2电压测量流程图 20

4.3.3电流测量流程图 21

4.3.4电阻测量流程图 21

5测试及实验分析 22

5.1电路功能仿真 22

5.1.1数字电压表功能仿真 22

5.1.2数字电流表功能仿真 23

5.1.3数字欧姆表功能仿真 24

5.2PCB布线图 25

5.3PCB制板成品图 25

5.4成品外观 25

5.5测试数据 26

5.5.1直流电压测量数据 26

5.5.2直流电流测量数据 27

5.5.3电阻测量数据 27

6结论 27

参考文献 29

附录 30

致谢 31

华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表

I

1前言

1.1课题的提出

数字万用表是一种多用途电子测量仪器。

它采用数字化测量技术，把实际测量的模拟量，转化为离散的数字量进行输出显示，主要用于物理、电气、电子等测量领域，一般包含电流表（安培计）、电压表（伏特计）、电阻表（欧姆计）等功能，也称为万用计、多用计、多用电表或万用电表。

1.2研究的意义

万用表是电子和电气技术领域必备的测量仪器，用于测量电子电路中的各种物理量（电压、电流、电阻等），常作为基本故障诊断的便携式装置，也有放置在工厂或实验室工作台上作为桌上型装置。

有的万用电表分辨率能达到七、八位数，常用在实验室，作为电压或电阻的基准，或用来调校多功能标准器的性能。

相比传统的指针式万用表，数字万用表具有以下的主要优点：

（1）数字显示直观准确，无视觉误差，读数准确；

（2）测量精度和分辨率都很高；

（3）输入阻抗高，减少对被测电路的工作影响（李明生，2007）；

（4）电路集成度高，便于组装和维修；

（5）测量功能齐全，测量速率快；

（6）保护功能齐全，有过压、过流保护电路；

（7）功耗低，抗干扰能力强；

（8）便于携带，使用方便。

1.3设计的任务

本次设计的任务是制作一个数字万用表，可实现如下的功能及要求：

（1） 可以测量直流电压、直流电流和电阻；

（2） 能将测量得到的数值直观、准确地显示出来，并标明相应的单位；

（3） 具有超量程时的报警提示。

2总体方案确定

2.1方案比较及选择

2.1.1模数转换芯片方案

方案一：

积分型模数转换芯片

积分型模数转换器又称双斜率或多斜率数据转换器，是典型的双斜率转换器。

积分型转换器包含两个主要的转换步骤：

前端的电路负责输入模拟电压的采样和量化，产生一个在时域上间隔的的脉冲序列，然后将脉冲输入计数器并转换为数字进行输出。

积分型转换器由一个可进行输入通道切换的模拟积分器、一个比较器及一个计数器组成。

在一个固定的时间间隔内，积分器对输入电压信号进行积分。

定时时间到后，计数器被复位并将其输入连接到反向极性的基准电压端上。

由于反极性信号中的作用，积分器会进行反向积分，直到输出为零，使计数器中止工作复位积分器。

积分型模数转换器的精度可以达到很高，有效抑制高频