基于单片机的数字多用表的设计.doc
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基于单片机的数字多用表的设计
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2014.6.9
42
摘要
本设计用单片机芯片AT89C51设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值，交、直流电流，电阻，四位数码显示。
此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、A/D转换和控制部分组成。
本设计主要针对万用表硬件以及软件部分的实现来展开。
研究内容包括两部分：
硬件和软件。
为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路使用了ADC0808数据转换芯片，单片机系统设计采用AT89C51单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和11.0592MHZ振荡电路，显示芯片用7SEG-XP-4M-CC，驱动8位数码管显示。
程序每执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。
关键词：
数字万用表；A/D转换和控制；AT89C51单片机;ADC0808;7SEG
目录
1、引言 3
1.1 数字万用表研究背景、目的和意义 3
1.2国内外研究现状 3
1.3研究内容 3
1.4章节安排 4
2、数字万用表基本原理 5
2.1直流电压测量原理 5
2.2交流电压测量原理 6
2.3直流电流测量原理 6
2.4交流电流测量原理 7
2.5电阻测量原理 8
3、数字万用表硬件介绍与设计 10
3.1硬件系统部分芯片介绍 10
3.2数字万用表硬件设计 15
4、系统软件与流程图 20
4.1电路功能模块 20
4.2系统总流程图 21
4.3电压测量流程图 22
4.4电流、电阻测量流程图 22
5、仿真结果：
37
5.1整体仿真Protues图：
37
5.2待测电压仿真结果图：
38
5.3待测电流仿真结果图：
38
5.4待测电阻仿真结果图 39
6、结论 40
7、参考文献 41
8、致谢 42
1、引言
1.1数字万用表研究背景、目的和意义
传统的指针式万用表功能单一精度低，不能满足数字化时代的需求，数字万用表是利用模数转换原理，将被测量数据转化为数字量，并将测量结果以数字的形式显示出来的一种测量仪表。
与指针式万用表相比，新一代数字万用表具有精度高、输入快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、可扩展性强、集成方便、抗干扰能力强、测量自动化程度高等优点，因而被广泛应用，得到工程师的青睐。
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，显示出强大的生命力。
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。
1.2国内外研究现状
目前电子行业具有很高的发展速度，测试测量仪器更是走在行业的尖端，便携式高精度仪器更是发挥了巨大的作用，并且显示了无比的潜力。
它可以取代测量技术在传统领域内的各类仪器，它在组成和改变仪器的功能和技术性能上具有很大灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学技术不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求[1]。
由于科学的进步，社会的发展，电子产业也会发展到一个新的阶段，电子技术的提高代表了一个国家的整体实力，高精尖的电子产品更新换代的周期越来越短，每一款电子产品的设计生产都需要更精密的电子测量仪器与之相配合，这样更先进的测量仪器将成为电子产品开发的必备条件，那么精密的测量仪器将是电子行业发展中的重中之重[2]。
1.3研究内容
此数字万用表由硬件和软件两部分组成，硬件主要完成信号的采集，软件主要完成对硬件的控制以及数据的处理，所以本文主要针对万用表硬件以及软件部分的实现来展开。
研究内容包括两部分：
硬件和软件。
（1）整体方案的设计
①按照需求制定数字万用表的功能，指标，以及软硬件的整体框架。
②按照硬件需求指标，研究硬件实现的框架结构，以及模块划分。
③软件为嵌入式软件，按照功能需求设计自己的多线程结构。
（2）功能
该万用表的功能主要包括：
测量交直流电压、交直流电流、电阻。
①电流的量程有50mA,500mA,5A。
②电压的量程有5V,50V,500V。
③电阻的量程有500Ω，5KΩ,50KΩ,500KΩ，5MΩ。
（3）硬件模块的研究内容
参考数字真有值效万用表，对万用表的测量功能和结构进行研究，完成基本硬件模块的设计。
该模块可分为模拟部分和数字部分。
模拟部分完成对前端信号的采集并且转化为相应电压量。
数字部分完成对采集的信号进行处理还有控制的功能。
（4）软件部分的研究内容
软件部分主要为该表自身软件，实现其测量功能，采用C语言完成。
（5）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。
1.4章节安排
本文在第二章介绍了数字万用表的基本原理，第三章介绍了系统硬件设计方案，第四章介绍了软件的实现方案。
2、数字万用表基本原理
数字万用表的最基本功能是能够测量交直流电压，交直流电流，还能够测量电阻。
下面我们来分析一下数字万用表测电压，测电流，测电阻的原理。
总体来说，我们此次用的A/D转换芯片是ADC0809，它允许的模拟输入电压值直流0—5V，设想在测量电压时，如果能把电压都转换成0—5V的直流电压，然后送A/D转换器，在显示时适当扩大相应的倍数，那么就可以测出电压了，如果测电流时，若也能将电流转换成0—5V的电压，最后乘以相应的比例系数，那么电流也测量出来，测量电阻的道理也是如此，可见重点研究方向是直流电压表的设计和各个转换电路，下面为我们具体分析一下各个原理。
2.1直流电压测量原理
在基准数字电压表头前面加一级分压电路（衰减器），可以扩展直流电压测量的量程。
如图2-1所示，U0为电压表头的量程（如5V），r为其内阻（如10MΩ），R1、R2为分压电阻，UI0为扩展后的量程。
图2-1电压扩展量程原理图2-2多量程分压器原理
由于R>>R2，所以分压比为：
扩展后的量程为：
多量程分压器原理电路见图2-2，三档量程的分压比分别为1、0.1、0.01，对应的量程分别为5V,50V,500V。
换量程时，多刀量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果[3]。
2.2交流电压测量原理
交流电压
分压器
交流/直流电路
A/D转换器
测量交流电压的原理是先将交流电压进行衰减，使其在0—5V之间，然后把交流电压化为直流电压，送A/D转换器。
其原理框图如下图2-3：
图2-3交流电压测量框图
交流/直流电路如下图2-4：
图2-4直流/交流电压电路图
2.3直流电流测量原理
一般来说电流测量分为直接式测量和间接式测量。
直接式测量是在被测回路中串联一个检测电阻，根据I=U/R，只要检测电压，知道R，就可计算出电流。
间接式测量是根据霍尔效应，实现磁场，电场的转换，最终还是要根据I=U/R来计算。
采用检测电阻直接测量，比较简洁，成本较低，但检测电流比较小，一般不超过10A。
采用霍尔元件进行间接测量，比较复杂，成本较高，但检测电流可以很大，如几十安都可以。
为了实现电流的检测，就必须将被测电流变成0—5V的直流电压，即实现衰减和I/U变换，一般测量电路经常使用这样一些方法来实现。
其一，将被测电流通过一个由电阻构成的分流器，使之形成三个分流系数，即1/10（V/mA）,1/100（V/mA）,1/1000（V/mA）,当被测电流分别为50mA，500mA，5A时，均被转换成了5V的输入电压[5]。
其原理图如下图：
图2-5直流电流测量原理图一
图2-6直流电流测量原理图二
其二，使三档输入电流50mA，500mA，5A都通过一个取样电阻，比如，R=10Ω，取样电阻将电流变成相对应的500mV，5V，50V，然后通过一个比例放大器，若比例系数对应为10，1，0.1，则经比例放大器的输出电压均为5V，以此作为A/D转换器的输入。
图2-7多量程分流器电路
2.4交流电流测量原理
首先把交流电流通过一取样电阻转换成交流电压，然后将交流电压进行衰减，变成0—5V的交流电压，再通过交流/直流电路将其化成0—5V的直流电压，然后送A/D转换器。
这一原理是测量直流电流和测量交流电压的综合。
2.5电阻测量原理
（1）恒流法测量电阻
恒流法测量电阻是让恒流源流I过被测电阻RX,测试流过RX的电压UX,其测量原理图如下：
图2-8恒流源法测电阻
上图2-8中I是标准电流源，那么只需测得两端的电压UX，就可以求出被测电阻RX了：
RX=UX/I，而Ux如第二章开始所讲原理相同。
由于恒流源测电阻无法消除衰减放大电路中和A/D电路中的增益随温度变化所带来的误差，以及横流源精度较难控制，一般不用此法测电阻，而是选用比例法测电阻[6]。
（2）比例法测电阻
比例测量法原理电路见图2-9：
图2-9比列法测电阻原理
由稳压管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（A/D转换器的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。
所以A/D转换器的参考电压UREF和输入电压UIN有如下关系：
即
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R0=RX时，表头将显示“1000”，当R0=0.5RX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[7]。
如对500Ω档，取R01=100Ω，小数点定在十位上。
当RX=100Ω时，表头就会显示出500.0Ω。
当RX变化时，显示值相应变化，可以从0.1Ω测到499.9Ω。
又如对5kΩ档，取R02=1kΩ，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4.999kΩ。
数字万用表多量程电阻档电路见图2-10：
图2-10多量程测电阻原理
由上分析可知：
R1=R01=100Ω
R2=R02--R01=1000--100=900Ω
R3=R03—R02=9KΩ
图2-10中由正温度系数（PTC）热敏电阻R0与晶体管T组成了过压保护电路，以防误用电阻档去测高电压时损坏集成电路。
当误测高电压时，晶体管T发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。
同时R1随着电流的增加而发热，其阻值迅速增大，从而限制了电流的增加，使T的击穿电流不超过允许范围。
即T只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，R0和T都能恢复正常。
3、数字万用表硬件介绍与设计
如图3-1所示，本万用表由以下几部分功能组成，复位电路、震荡电路、ADC输入、被测量显示、超限报警、ADC使能控制。
复位电路用来清零，进行下一次的测量；震荡电路用来消除一些外来干扰，使电路工作更加稳定；ADC输入则是将输入量进行AD转换；测量显示就是显示测量的数值；超限报警部分则是用作当测量量超出量程范围时发出警报，以便提醒用户更改大量程；ADC使能控制则用来对输入量进行控制，允许输入或者不允许输入。
图3-1硬件系统设计总体框架图
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