单片机做万用表.docx

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单片机做万用表

单片机的数字万用表

摘要：

本系统是一种基于STC89C52单片机的交直流电压、电流测量和电阻阻值、二极管正向导通压降测量以及三极管hFE值的测量电路。

该设计采用高精度、双积分A/D转换芯片ICL7135构成主要的测量电路，其测量范围广而且可以由继电器的闭合与关断量程自动转换，使用串行5位LED显示电路和发光二极管测量类型以及测量单位的显示电路。

此外，该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。

关键词：

单片机，双积分A/D转换器，量程自动转换

1引言

随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。

在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。

纵览目前国内外的高精度数字式仪表，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。

例如，传统的电桥平衡法等方法在测试过程中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调很多参数，对初学者来说很不方便，当今社会，基于数字显示的仪表虽然已经很成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的数字式万用表，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能数字式仪表，人机界面友好、操作方便的智能数字式万用表，具有十分重要的意义。

本系统是用模拟电路将待测量转换成0~2.0000V的电压，再经过A/D转换器采集并转换成数字量，然后送入单片机运算、处理以及输出显示，所以用起来非常方便而且准确度高，显示清晰，测量误差保持在5%以内。

2方案设计与论证

根据设计要求，将整个系统分为4个部分：

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、MCU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、二极管正向导通压降和三极管hFE值及温度的测量。

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，再由A/D采样输入单片机；三极管hFE值的测量是给其基极加一偏置电压，测得输出电流，再转换成电压信号输入单片机；温度的测量则采用NS公司的电压输出型LM35DZ温度传感器。

通道选择及量程转换部分我们采用小型继电器控制；A/D转换采用双积分式ICL7135;MCU主控电路采用STC89C52单片机，具体框图如图2.1所示：

图2.1数字万用表总体设计框图

2.1MCU主控制器的选择与论证

方案一此方案采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器，它具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强、处理速度高等特点，尤其适用于语音处理和识别等领域。

但是其软件设计相对复杂，故我们放弃此方案。

方案二此方案采用STC公司的8位单片机STC89C52作为主控制器，具有与MCS-51指令集完全兼容的CIP-51内核，但其同样时钟下运行速度和抗干扰能力军比普通80518位单片机要高，而且开发环境是我们很熟悉的KeilC51,编译效率高，非常适合C语言开发人员，因此我们采用该方案。

2.2A/D转换器的选择与论证

方案一此方案选用12位串行A/D转换集成AD５７４，只需要２根线就能够很好的与ＭＣＵ相通信组成测量系统，但其输入电压不能为负值，故使用范围受到了限制，不适合用作负压测量电路中而且价格较高。

因此，我们放弃此方案。

方案一此方案选用双积A/D转换器ICL7135，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。

它的特点是在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作，可保证零点在常温下的长期稳定。

在20000字（2V满量程）范围内，保证转换精度1字，相当于14bitA/D转换器；具有自动极性转换功能；模拟出入可以是差动信号，输入电阻极高，可达1GΩ输入电流典型值1PA；有过量程（OR）和欠量（UR）程标志信号输出,可作为自动量程转换控制信号，能与异步接收/发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。

在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用，其工作原理如图２.２所示。

图２.２双积A/D转换器的工作原理

如图２.２所示：

对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。

综合上述方案的优缺点，我们采用此方案。

2.3通道及量程转换开关的选择与论证

方案一此方案采用CMOS集成模拟开关CD4066，经我们查阅资料得知：

模拟开关的开关频率高，适合传输较高频率的数字信号，但是其导通电阻在40Ω左右，当用在测量微小变化的模拟量时所引入的误差将会很大，这是仪器仪表所不希望的，不过AD公司的可以减小到0.5Ω，但其价格较高，故放弃此方案。

方案二此方案采用小型单通道继电器，其响应速度较慢，但是导通电阻小、价格便宜，而且本设计不需要那么快的响应速度，性价比较高，因此我们采用该方案。

2.4测量电路的选择与论证

2.4.1电阻测量

方案一此方案采用数控恒压源式闭环负反馈电阻测量的方法，其测量原理框图如图2.３所示：

图2.2数控恒压源式电阻测量的闭环负反馈方法原理框图

系统有被测电阻Rx，反馈电阻R0，运算放大器，A/D转换器，D/A转换器，单片机组成。

加在被测电阻Rx上的电压Vi是由计算机通过D/A转换器来控制的，即可调的，必要时可以在D/A转换器后加一个电压跟随器以扩大带负载能力。

被测电阻可由下式求得：

（1）

式中Vi—D/A转换器（数控可调恒压源）的输出

Vo—放大器的输出（A/D转换器的输入）

式

（1）可以改写成

（2）

由于Vo总是有一定范围的（如0～5伏），所以Vi于Rx的比值

必然被限制在一定的范围之内（如当R0=10KΩ，

=0～0.5V/KΩ，可以保证Vo=0～5V）为了保证实现上述要求，则Vi要随着被测电阻的大小的变化而变化。

被测电阻Rx大，则Vi大，被测电阻Rx小，则Vi小，由于电阻Rx是待测量的，所以Vi的确定就不能够通过式

（2）来进行，最直观的想法就是使得Vi从小到大逐步加1，直到使得Vo到达测量范围为止。

由于此方案需要数控恒压源，既增加了硬件电路设计，又引入了误差，故放弃此方案。

方案二此方案采用比例测量法，其原理电路见图1。

由稳压管

提供测量基准电压，流过标准电阻

和被测电阻

的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。

所以A/D转换器的参考电压

和输入电压

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

与

的比值，当

时显示“1000”，

时

显示“500”，以此类推。

所以，当

时，表头将显示“1000”，当

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挡。

如对

挡，取

，小数点定在十位上。

当

时，表头就会显示出

。

当Rx变化时，显示值相应变化，可以从

测到

。

又如对

挡，取

，小数点定在千位上。

当

变化时，显示值相应变化，可以从

测到

。

（其余各挡道理相同，同学们可自行推演。

）

数字万用表多量程电阻挡电路见图2。

由上分析可知，

图2中由正温度系数（PTC）热敏电阻

与晶体管T组成了过压保护电路，以防误用电阻挡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

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，

和T都能恢复正常。

方案二此方案采用伏安法测量电阻的方法，

2.4.2电压测量

2.4.2.1直流电压的测量

方案一此方案采用电阻分压式测量电路，在数字电压表头前面加一级分压电路（分压器），可以扩展直流电压测量的量程。

如图2.3所示，

为数字电压表头的量程（如200mV），

为其内阻（如10MΩ），

为分压电阻，

为扩展后的量程。

由于

，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2.4，5挡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。

采用图2.4的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程挡明显降低了电压表的输入阻抗，这在实际使用中是所不希望的，因此放弃此方案。

方案二此方案

也采用电阻分压式测量电路，也就是实际数字万用表的直流电压挡电路，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。

如图2.5所示：

例如：

其中200V挡的分压比为

其余各挡的分压比可同样算出。

实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。

如先确定

再计算2000V挡的电阻

再逐挡计算

。

尽管上述最高量程挡的理论量程是2000V，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量程为1000V，本设计规定最高测量电压为200V。

换量程时，单片机控制多挡量程转换开关自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。

2.4.2.2交流电压的测量

方案一此方案

采用交流/直流有效值专用转换芯片AD637，根据外接电路的不同可以实现多种运算，如：

交流有效值、分贝、均方根等，而且精度很高，但因价格比较昂贵，故放弃此方案。

方案二此方案

采用运放、电阻、电容组成的交流有效值转换电路，接线简单，成本低廉，因此采用此方案。

电路如图2.？

所示：

2.4.3电流测量

2.4.3.1直流电流的测量

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。

方案一此方案采用如图2.？

所示的电路，由于

，取样电阻R上的电压降为

，即被测电流

，若数字表头的电压量程为

，欲使电流挡量程为

，则该挡的取样电阻（也称分流电阻）为

，如

，则

挡的分流电阻为

。