基于单片机AT89c51的数字万用表设计毕业设计论文.docx

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基于单片机AT89c51的数字万用表设计毕业设计论文

毕业设计（论文）

基于单片机AT89c51的数字万用表设计

摘要:

本次设计用单片机芯片AT89c51设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值、直流电流、直流电阻以及电容，四位数码显示。

此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、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，本电路使用了AD0809数据转换芯片，单片机系统设计采用AT89S51单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和11.0592MHZ震荡电路，显示芯片用TEC6122，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。

本文全面、深入、系统地介绍了43/4位智能数字万用表的系统设计与研究。

设计中采用了美国MAXIM公司生产的专配万用表芯片MAX134，以及Intel公司生产的MCS8051单片机。

整个系统结构由MAX134外加一些外围元件构成，然后再与单片机8051相连，驱动LED数码显示。

文章主要介绍了MAX134的性能特点、内部结构、数字接口、输入输出数据及一些功能和原理。

整个设计包括硬件电路设计及软件设计。

硬件电路设计包括处理器、外部设备元件的选择及电路设计，而软件设计则主要是实现仪表的各功能的控制。

关键词数字万用表AT89S51单片机AD转换与控制

Abstract

ThisdesignisdesignadigitaluniversalmeterwithchipAT89s51ofone-chipcomputer,canmeasureandhandin,directcurrentpressingvalue,directcurrentflow,thedirectcurrentishindered,fournumbersshow.Thissystemisshuntedresistance,resistanceofpartialpressure,basicresistance,minimumsystemof51one-chipcomputers,shownthatsome,warningpart,ADchangeandcontrolmakinguppartly.Inordertomakethesystemmoresteady,makethewholeprecisionofthesystembeensured,thiscircuithasusedAD0809datatochangethechip,theone-chipcomputersystemisdesignedtoadoptAT89S51one-chipcomputerasthetopmanagementchip,theelectricityisrestoredtothethronethecircuitand11.0592MHZandshakenthecircuittomatchonRC,showthatthechipusesTEC6122,urge8numberstobeinchargeofshowing.Theeveryexecutioncycleconsumingtimeofprocedurecontractstogetshortest,inthiswaythereal-timecharacterofthesecuritysystem.

Inordertomakethesystemmoresteady,makethewholeprecisionofthesystembeensured,thiscircuithasusedAD0809datatochangethechip,theone-chipcomputersystemisdesignedtoadoptAT89S51one-chipcomputerasthetopmanagementchip,theelectricityisrestoredtothethronethecircuitand11.0592MHZandshakenthecircuittomatchonRC,showthatthechipusesTEC6122,urge8numberstobeinchargeofshowing.

Keyword:

DigitaluniversalmeterAT89S51one-chipcomputerADchangesandcontrols

摘要i

1.绪论4

1.1数字万用表的主要特点4

1.2数字万用表设计背景6

1.2.1数字万用表的设计目的和意义6

1.2.2数字万用表的设计依据6

1.2.3数字万用表的设计目的和意义6

1.3万用表发展趋势7

2.数字万用表总体设计方案8

2.1数字万用表的基本原理8

2.2数字万用表的硬件系统设计总体框架图15

3.选用芯片介绍及硬件电路设计方案16

3.1芯片选择及功能简介16

3.1.1AT89c51芯片功能特性描述16

3.1.2ADC0809介绍19

3.1.2TEC6122简述21

3.2设计方案及数字万用表的硬件设计24

3.2.1设计方案24

3.2.2数字万用表的硬件设计26

3.2.2.1分模块详述系统各部分的实现方法26

3.2.2.2数字万用表控制硬件整体结构图32

3.2.2.1电路的工作过程描述32

4.系统软件与流程图33

4.1电路功能模块33

4.2系统总流程图33

1绪论

随着微电子技术的高速发展，单片机的功能集成化，智能仪器也发展到了一个新的阶段。

现在，单片机外围电路正朝着单片集成化、数字化、智能化、网络化、多功能、微功耗、高可靠性的方向发展。

单片机与单片系统、智能传感器、网络通信等高新技术的融合，必将成为21世纪新的经济增长点。

计算机技术及微电子器件在测量技术中的广泛应用，使智能仪器在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面有了巨大的发展。

本设计是基于MAXIM公司生产的数字万用表专控芯片MAX134设计的智能43/4位数字万用表。

数字万用表亦称数字多用表（DMM），其主要特点是显示直观、读数准确、准确度高、分辨力强、功能完善、性能稳定、过载能力强、耗电省、体积小、易于携带。

近年来，数字万用表迅速发展，无论是便携式，还是台式万用表在精度、功能和性能上都有较大的提高。

现在33/4位便携式数字万用表和41/2位便携式数字万用表已经成为主流；台式万用表的发展速度更快，已经有几家公司推出单片集成方案，使台式万用表的性能更高、功能更强，价格更加合理。

近年来，我国对智能仪器的研究，无论在生产、科研等方面都取得了很大的进展，但是由于我国发展起步晚，我国现在所用的测量工具都基本上是31/2位的数字表，它的准确度都不是很高，而我们这次设计的43/4位数字万用表在精确度上提高了一个档次，性能更优越。

本设计采用美国MAXIM公司生产的MAX134为核心芯片，配上INTEL公司推出的8位微处理机MCS8051，控制键盘的输入和数码管的输出，实现电阻/交流电压/直流电压/交－直流电流等的测量，测电压或电阻时还可自动转换量程。

传统的模拟式万用表已有很久的发展历史，虽然不断改进与完善，仍无法满足现代电子测量的需要。

数字万用表自从问世以来，显示出了强大的生命力，现已成为在电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。

现在让我们来探讨一下新型智能43/4位数字万用表。

1.1数字万用表的主要特点

数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的数字形式并加以显示的仪表。

智能化数字万用表则是大规模集成电路（LSI）、数显技术、计算机技术及自动测试技术（ATE）的结晶。

通过对DVM的扩展，即可形成数字多用表DMM（DigitalMultimeter）。

因此，数字万用表的功能是电压表上的扩展。

数字万用表主要有一下特点：

1 显示清晰，直观，读数准确

传统的模拟式万用表必须借助于指针和刻度来进行读数，在读数过程中不可避免地会引入认为的测量误差（例如视差），并且还容易造成视觉疲劳。

数字电压表则采用先进的数显技术，使显示结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的。

不仅保证了读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读数和记录的时间。

新型数字万用表在数显的基础上增加了显示各种标志符的功能，便于读数，又对操作人员给予明显提示。

2 显示位数

显示位数通常为21/2位~81/2位.具体讲，有21/2位、3位、31/2位、32/3位、33/4位、4位、41/2位、43/4位、5位、51/2位、6位、61/2位、71/2位、81/2位共14种。

国外最近还推出了83/4位和101/2位数字仪表。

定数字仪表的位数有两条原则：

①能显示从0~9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字位分子，用满量程时最高位数字为分母.例如，某数字仪表的最大显示值为±19999，满量程计数值为20000,这表明该仪表有4个整数位，而分数位的分子为1，分母为2，故为41/2位，读作四位半，其最高位只能显示0或1。

3准确度高

字电压表的准确度是测量中系统误差与随机误差的综合。

它表示测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小。

一般讲准确度愈高，测量误差愈小，反之亦然。

准确度的公式有三种表述方式：

准确度＝±（a%RDG+b%FS）                 ①

准确度＝±（a％RDG+n个字）              ②

准确度＝±（a%RDG+b％FS+n个字）          ③

式①中，RDG为读数值（即显示值），FS表示满度值。

括号中前一项代表A/D转换器和功能转换器的综合误差，后一项是由于数字化处理而带来的误差。

②式中，n是量化误差，反映在末位数字上的变化量。

若把n个字的误差折合成满量程的百分数，即变成式①，③式比较特殊，应用面较窄。

43/4位万用表将使用②式来表示准确度。

4分辨力高

数字万用表在最低电压量程末位1个字所对应的电压值，称作仪表的分辨力。

它反映出仪表灵敏度的高低。

43/4位的DVM的最高分辨力为10μV。

5测量范围宽、扩展能力强

6测量速度快、输入阻抗高

数字万用表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率。

单位为“次/s”，主要取决于A/D转换器的转换速率。

43/4位DVM的测量速率一般在10次/s。

字电压表具有很高的阻抗，通常为10MΩ～10000MΩ。

7集成度高，微功耗

8抗干扰能力强

1.2数字万用表设计背景

在本节中主要介绍了系统的设计原则和总体方案及系统概述等。

1.2.1数字万用表的设计目的和意义

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。

1.2.2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，能够测量交、直流电压值，直流电流、直流电阻，四位数码显示。

实现多级量程的直流电压测量，其量程范围是200mv、2v,20v,200v和500v.实现多级量程的交流电压测量，其量程范围是200mv、2v,20v,200v和500v.实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是2mA，20mA，200mA、2A和20A.实现多级量程的电阻测量，其量程范围是200、2k,20k,200k和2M。

”以及电容测量电路。

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、电容测试芯片电路、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、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。

1.2.3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。

1.3万用表发展趋势

90年代以来，数字万用表正处于蓬勃发展的新时期,突出表现在新技术不断涌现,新工艺被广泛采用,新产品层出不穷。

1 广泛采用新技术，不断开发新产品

电子技术的进步，往往预示着数字万用表研制水平的新突破，近年来，各项新技术愈来愈普遍采用，并且迅速转化为生产力。

2 广泛采用新工艺

新一代的数字万用表正朝着标准模块化的方向发展。

电子模块又称为电子功能组件，简称模块。

它是采用微电子技术和微型电子元器件，按插件组装成一体，能完成某一种特定的功能的商品化部件。

现在，数字万用表的单元电路已基本上被标准化，通用化，系统化的模块取代。

3 单片大规模和超大规模集成电路的采用

1）带微处理器的单片51/2位A/D转换器

2）专配微处理器的43/4位DMM集成电路

3）ASIC产品的应用

 AX133/134是美国最大集成电路公司最新研制的专配微处理器的DMM芯片。

它们配上4位或8位或16位微处理器,即可构成具有高性价比的43/4位或33/4位智能数字万用表。

4 计算机模块化仪器与虚拟仪器的发展

5 安全性能的提高

2数字万用表总体设计方案

2.1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交直流电压，交直流电流，还有能够测量电阻，数字万用表的基本组成见图2-1。

数字显示屏（LED或液晶）

VREF

图2-1数字万用表的基本组成

下面我们分别介绍各个部分的组成：

1模数（A/D）转换与数字显示电路

常见的物理量都是幅值（大小）连续变化的所谓模拟量（模拟信号）。

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（通常是电压信号）转换成数字信号，再进行显示和处理（如存储、传输、打印、运算等）。

数字信号与模拟信号不同，其幅值（大小）是不连续的。

这种情况被称为是“量化的”。

若最小量化单位（量化台阶）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（译码）后由数码管或液晶屏显示出来。

例如，设Δ=0.1mV，我们把被测电压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（二进制）。

一般情况下，N≥1000即可满足测量精度要求（量化误差≤1/1000=0.1%）。

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，我们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-199.9～199.9mV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（A/D）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。

2多量程数字电压表原理

在基准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2-2所示，U0为电压表头的量程（如200mV），r为其内阻（如10MΩ），r1.、r2为分压电阻，U10为扩展后的量程。

IN+

IN-

Ui

图2-2分压电路原理图2-3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2.3，5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2000V、200V、20V、2V和200mV。

采用图2-3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程档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。

所以，实际数字万用表的直流电压档电路为图2-4所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。

例如：

其中200V档的分压

200mV

200mV

图2-4使用分压电路

其余各档的分压比可同样算出。

实际设计时是根据各档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档的电阻

=0.0001

=1K

再逐档计算

、

、

、

。

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多量程数字电流表原理

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。

如图2-5，由于r≫R，取样电阻R上的电压降为

即被测电流

数字电压表头

IN-

图2-5电流测量原理图2-6多量程分流器电路

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（也称分流电阻）为

如

=200mV，则

=200mA档的分流电阻为R=1Ω。

多量程分流器原理电路见图2-6。

图2-6中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，所以，实际数字万用表的直流电流档电路为图2-7所示。

图2-7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

再计算下一档的

依次可计算出

、

、

。

图中的BX是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，超过流保护作用。

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（小于0.7V），保护仪表不被损坏。

4交流电压电流测量处理原理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（AC-DC）变换器，图2-8为其理简图。

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700V（有效值）。

5电阻测量原理

数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，其原理电路见图2-9。

由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电R0和被测电阻RX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

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=100，小数点定在十位上。

当RX=100Ω时，表头就会显示出100.0Ω。

当RX变化时，显示值相应变化，可以从0.1Ω测到199.9Ω。

又如对2kΩ档，取R02=1KΩ，小数点在千位上。

当RX变化时，显示值相应变化，可以从0.001KΩ测到1.999KΩ。

其余各档道理相同，同学们可自行推演。

数字万用表多量程电阻档电路见图2-10。

由上分析可知，

R1=R01=100Ω

R2=R02-R01=1000-100=900BΩ

R3=R03-R02=10K-1K=9K

﹍﹍﹍﹍

图2-10中由正温度系数（PTC）热敏电阻R1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，R1和T都能恢复正常。

数字电

压表头

图2-7实用分流器电路

交流电压输入

图2-8AC-DC变换器原理简图2-9电阻测量

66电容测量原理

电容测量是根据电容充电原理其充电电压与时间成一定的指数关系。

根据电压和时间可以计算出电容的值。

R1

图2-10电阻测量

2.2数字万用表的硬件系统设计总体框架图

如下图2-11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。

ADC使能控制

图2-11.总体电路设计原理图

3选用芯片介绍及硬件电路设计方案

3.1芯片选择及功能简介

3.1.1AT89c51芯片功能特性描述

AT89c51引脚框图：

          P1.0      140       Vcc

          P1.1     2         39       P0.0    

          P1.2     3        38       P0.1    

       P1.3     4         37       P0.2    

          P1.4      5        36       P0.3    

          P1.5      6         35      P0.4    

         P1.6      7         34      P0.5    

         P1.7      8         33     P0.6    

    RST/Vpd9       32       P0.7    

 RXDP3.0      10      31     -EA/Vpp（内1/外0程序选择）

TXDP3.1     11     30     ALE/-P（地址锁存输出）

-INT0P3.2    12     29     -PSE