基于单片机的数字万用表设计教材.docx
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基于单片机的数字万用表设计教材
天津工业大学
毕业设计
题目：
基于单片机的数字万用表设计
姓名张松家
学院机械工程学院
专业测控技术与仪器
班级1202
学号1210340206
指导教师张建业
职称讲师
2016年6月8日
天津工业大学毕业设计任务书
题目
基于单片机的数字万用表设计
学生姓名
张松家
学院名称
机械工程学院
专业班级
测控技术与仪器1202
课题类型
应用研究
课题意义
数字万用表是一种多用途的电子测量仪器。
相比指针式万用表，数字万用表具有精度高，速度快，显示清楚，抗干扰能力强等优点。
本设计是基于单片机的高精度数字式万用表,采用单片机系统对信号进行采集和控制,具有自动进行交、直流电压值、直流电流、直流电阻等测量，能够自动转换量程等功能。
任务与进度要求
1-3周：
查阅资料，确定总体方案，参加开题答辩；
4-6周：
完成硬件电路原理图设计与绘制；
7-8周：
完成硬件电路仿真图的绘制；
9-10周：
完成程序的编写；
11-12周：
仿真的调试，修改；
13-14周：
完成毕业论文的撰写工作，修改论文，参加毕业答辩。
主要参考文献
[1]李国兴.单片机基础与应用[M].浙江大学出版社，2015.
[2]张国雄.测控电路.机械工业出版社，2011.
起止日期
2016年3月9日至2016年6月8日
备注
院长教研室主任指导教师
毕业设计开题报告表
2016年03月22日
姓名
张松家
学院
机械工程学院
专业
测控技术与仪器
班级
测控1202
题目
基于单片机的数字万用表设计
指导教师
张建业
一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：
数字式万用表是电子测量领域的一个不可或缺的产品，应用范围十分广泛，而且使用简单方便。
相比于老式指针式万用表，数字式万用表具有很多的优点，比如精度高，速度快，显示清晰，抗干扰能力强，便于携带等优点。
而今在市场上，数字式万用表已然成为了电子测量的主流，逐渐取代了旧时的指针式万用表。
因此，用先进的计算机控制技术代替传统的机械功能量程选择开关，以软件为中心，模块化硬件相结合，研究出新一代的高智能化数字万用表具有重大的现实意义。
本设计是基于单片机的高精度数字式万用表,采用单片机系统对信号进行采集和控制,具有自动进行交、直流电压值、直流电流、直流电阻等测量，能够自动转换量程等功能。
二、进度及预期结果：
起止日期
主要内容
预期结果
3月1日
至
6月8日
1-3周：
查阅资料，确定总体方案，参加开题答辩；
4-6周：
完成硬件电路原理图设计与绘制；
7-8周：
完成硬件电路仿真图的绘制；
9-10周：
完成程序的编写；
11-12周：
仿真的调试，修改；
13-14周：
完成毕业论文的撰写工作，修改论文，参加毕业答辩。
完成总体方案设计
完成硬件电路设计系统的程序设计
完成论文撰写
完成课题的现有条件
图书馆查阅资料，网上查阅资料，对现有的资料进行分析整合。
审查意见
指导教师：
年月日
学院意见
主管领导：
年月日
天津工业大学本科毕业设计评阅表
（设计类）
毕业设计题目
基于单片机的数字万用表
学生姓名
张松家
学生班级
测控1202班
指导教师姓名
张建业
评审项目
指标
满分
评分
选题
能体现本专业培养目标，题目大小、难度适中；学生工作量饱满，能得到较全面训练。
10
题目与生产、科研等实际问题结合紧密。
10
课题调研
文献检索
能独立查阅文献以及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息从中获取新知识的能力。
15
外文应用
能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。
5
设计说明书
设计图纸（插图）简洁、规范、无差错，设计栏目齐全合理，能正确使用国家标准单位。
15
设计说明书结构严谨，表达清楚，文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，书写格式符合规范。
15
能根据毕业设计目标进行实验设计，对数据的运算及处理正确无差错，对实验结果的分析准确。
20
设计具有创新性或实用价值。
10
合计
100
意见及建议
评阅人签名：
年月日
天津工业大学毕业设计成绩考核表
学生姓名
张松家
学院名称
机械工程学院
专业班级
测控1202
题目
基于单片机的数字万用表设计
1．毕业设计指导教师评语及成绩：
指导教师签字：
年月日
2．毕业设计答辩委员会评语及成绩
答辩主席（或组长）签字：
年月日
3．毕业设计总成绩：
a.指导教师
给定成绩
b.评阅教师
给定成绩
c.毕业答辩成绩
总成绩
（a×0.5+b×0.2+c×0.3）
摘要
随着社会电子科技的发展，在万用表这一领域内也发生了重大的革新。
由于单片机技术与集成电路的发展，万用表逐渐向着集成化，微型化与便携的方向发展，新型的数字式万用表逐渐取代了旧式的指针式万用表。
如果与传统的指针式万用表相比，数字式万用表具有很多的优点，比如精度高，准确率高，显示直观，测试功能完善与便于携带等优点。
单片机技术在万用表当中的应用，提高了万用表的测量精度,增强了抗干扰的能力并且提高了万用表的测量效率与便携性。
目前，无论航空航天，通信技术，电工测量，工业自动化仪器仪表，还是消费电子等领域，均已离不开数字万用表的使用。
因此，利用软件与硬件相结合的技术研究出高性能的智能化数字万用表至关重要。
在本次设计当中，主要采用爱特梅尔公司的AT89C52单片机作为主要控制芯片，来实现交直流电压，电流，电阻等参数的测量和实现测量参数的直观显示，有电压采样模块，电流/电压转换模块，电阻/电压转换模块，A/D转换模块，量程自动转换模块，显示电路或按键电路等模块组成。
关键词：
数字式万用表;AT89C52单片机;量程自动转换
Abstract
Withthedevelopmentofelectronicscienceandtechnologysociety,themultimeteralsohasmajorinnovationinthisfield.Duetothesingle-chipcomputertechnologyandthedevelopmentofintegratedcircuit,multimetergraduallybecomesintegration,miniaturizationanddirectionofdevelopmentofportable,newtypeofdigitalmultimetergraduallyreplacedtheoldpointermultimeter.Ifitiscomparedwiththetraditionalpointermultimeter,digitalmultimeterhasmanyadvantages,suchashighprecision,highaccuracy,directdisplay,testfunctionalandeasytocarry,etc.Applicationofsingle-chipcomputertechnologyinthemultimeter,improvingthemeasuringaccuracyofthemultimetertoenhancetheanti-interferenceabilityandimprovethemeasuringefficiencyofthemultimeterandportability.Atpresent,regardlessoftheaerospace,communications,electricalmeasurement,industrialautomationinstrumentsandmeters,orconsumerelectronicsandotherfields,havebeenwithouttheuseofdigitalmultimeter.Therefore,theuseofcomputercontroltechnologytoreplacetheoriginalmechanicalswitch,softwareandhardwaretechnologyresearchsuchasthecombinationofhighperformance,highprecisionofintelligentdigitalmultimeteriscrucial.Therefore,softwareandhardwaretechnologyresearchsuchasthecombinationofhighperformance,highprecisionofintelligentdigitalmultimeteriscrucial.
Inthisdesign,mainlyusestheatmelAT89C52singlechipmicrocomputerasmaincontrolchip,torealizetheac/dcvoltage,current,resistanceandotherparametersmeasurementandmeasuringparametersofvisualdisplay,Avoltagesamplingmodule,current/voltageconversionmodule,resistance/voltageconversionmodule,A/Dconversionmodule,rangeautomaticconversionmodule,displaycircuitandkeycircuitmodules.
Keywords：
Digitalmultimeter;AT89C52single-chip;Rangeautomaticconversion
目录
第一章绪论1
1.1测量仪器的发展过程1
1.2研究背景1
1.3国内外研究现状与发展趋势2
1.4选题意义及内容2
第二章总体方案设计4
2.1总体设计方案4
2.2基本原理及框图4
2.3硬件电路各模块设计原理4
2.3.1电压测量模块原理4
2.3.2电流测量模块原理5
2.3.3电阻测量模块原理6
2.3.4交流电压测量模块方案7
2.3.5电容测量模块原理8
2.4软件程序设计方案8
第三章主要元器件介绍9
3.1主控制芯片AT89C529
3.2A/D转换芯片ADC080911
3.3运算放大器LM324芯片12
3.4真有效值AC-DC转换器AD73613
3.5定时器NE55515
3.6显示器LCD160216
第四章硬件电路设计17
4.1AT89C52单片机最小系统原理图17
4.2A/D转换模块原理图18
4.3显示电路原理图18
4.4按键电路原理图19
4.5直流电压测量模块19
4.6交流电压测量模块21
4.7电流测量模块22
4.8电阻测量模块23
4.9电容测量模块24
第五章软件程序25
5.1主程序流程图25
5.2交直流电压测量程序流程图26
5.3电流测量程序流程图27
5.4电阻测量程序流程图28
5.5电容测量程序流程图29
5.6仿真和调试30
第六章总结31
参考文献32
附录33
附录1电路原理图33
附录2电路仿真图34
附录3电路PCB图35
附录4程序36
附录5英文原文43
附录6英文翻译62
致谢73
第一章绪论
1.1测量仪器的发展过程
在某种意义上，自从人类在地球上诞生的那一天，为了自身的生存和发展的需要，为了对大自然及其本身规律进行探索利用，就不断发明了探索自然的工具，并因此产生了相应的科学技术与科学研究。
但是，由于知识所限，所发明的只是直观简单的，计时，定向和度量的工具，比如指南针，司仪和地动仪等早期的测量仪器。
从18世纪末期到20世纪初期，一些科学家在物理现象的定律之后，开始着手将这些人们无法看到的物理现象进行具体化，使得人们可以观察到。
比如早期的模拟式仪器，如测量电流的安培表，测量电压的伏特表，测量电阻的欧姆表以及压力表，测量仪和后来的电磁式模拟仪表，电位差计和电桥等。
这些仪表使得人们认识到了许多原来无法看到的物理量，大大促进了科学技术的研究发展。
等到了20世纪初到50年代，电子科学技术得到大规模的发展，新兴的电子技术与科学的方法理论相结合,使得模拟式仪器大量产生。
数字仪器是主要结构为集成电路，在系统处理过程中均采用数字化技术的仪器。
在20世纪前中期，电子元器件的大量出现使得数字仪器开始兴起，进而数字化技术开始在社会的各个方面得到应用，一些数字化仪表开始大规模兴起。
相比于模拟仪器，数字仪器精度和灵敏度都较高，同时由于远距离传输时，数字信号比较好，故也常用来遥测遥控。
智能仪器是电子科学，电脑与与测量仪器融合在一起的结果，是具有微小系统或单片机的检测设备，并且具有对数据自行处理的功能。
智能仪器常用的结构有两种，内置式和扩展式，内置的常为单片机或微型PC系统，扩展式多为以电脑为基础扩展的。
智能仪器其特点有可自测，数据处理，自我调节与可程控操作等，并且具有功能多，性能高和使用方便等优点,也因此得到了广泛应用。
1.2研究背景
在近些年来，电子科学技术，计算机技术，通信技术始终处于一个高速发展的阶段，而且由于工业自动化4.0时代的即将到来，使得电子测量仪器行业也始终处于风口浪尖之上。
电子测量技术在这样的社会大背景下，面临着测试任务缓慢增多，测量范围日益宽广，精度和灵敏度逐渐提高等这些严峻的挑战。
同时电子测量技术系统的自动化，高精度，智能化也势必要进行。
因此研究和开发先进的电子测量仪器当为重中之重。
老旧的指针式万用表不仅功能单一，而且精度低，还存在着显示不清晰等一系列问题，这些都表示指针万用表早已不能满足现在时代要求。
一些生产万用表的著名厂家，如英国的舒立强，迪特朗，还有美国的安捷伦与福禄克等等，它们始终走在万用表研究的前沿，这些厂家推出来一系列用于社会各个方面的电子测量仪器，其中福禄克公司就有图形万用表，便携式下业示波表，网络测试仪，过程仪表校准器，还有网络电缆测试仪等产品，这些产品广泛应用于冶金，石化，电业等行业中。
新一代的智能化仪器又有了新的特征，比如具有便携式程控接口和标准接口等特征，其中一些具有代表性的如保存和传送大量数据的PCMCIA存储卡，如果这存储卡应用在仪器上，可以使打印机打印特定格式的文件，也可以为仪器编写特定的校准程序，可以实现覆盖多种仪器，使用方便，价格低廉的目的。
此外还有使用SCPI语言的仪器，微处理器控制仪器的按键，显示屏等功能的仪器，像Tektronix公司的模拟示波器。
数字万用表也称为数字多用表，它的基本功能要实现交流电压，交流电流，直流电压，直流电流和电阻的测量，此外还有一些功能诸如电容，二极管测试的功能。
现在的数字万用表多采用微型处理器控制的集成电路来实现各种功能，数字万用表有着许多的优点，比如显示清晰，精度高，分辨率高，功耗低和使用方便等优点，甚至还能实现自动切换量程的功能。
作为现代化的多用途的电子测量仪器，数字式万用表常用在物理，电气，电子等测量领域。
1.3国内外研究现状与发展趋势
在国外，一些诸如福禄克类的厂家对万用表的研究始终走在前沿，科学的研究促使万用表在向着智能化的方向前进，并逐步提高产品的耐用性与工艺性。
我国在万用表方面的发展相比于外国来说，是比较落后的。
在精度方面，我们所做出来的，只能达到外国十几年前的水平，而且还有考虑万用表在不同的环境下，其稳定性的问题。
我国的万用表行业相对来说起步较晚，发展历程总体来说就是引进，吸收和创新。
在上世纪八九十年代，我国的万用表行业还不能达到高精度万用表的生产条件，与外国这些公司相比，我们的万用表要落后好多年。
近十几年来，随着珠三角电子行业的发展，万用表这一行业也逐渐跟了上来，每年都生产大量的中低档数字万用表，甚至向其他一些国家出口我们的产品，但我们国家高精度万用表仍然依靠外国的进口。
1.4选题意义及内容
采用数字化技术对持续不断的模拟量进行有效值的转换，并且通过数字显示测量结果，这就是数字式万用表。
由于工业进入了一个新时代的发展，各种产品更换周期也越来越短，只有更加精密的测量仪器才能满足新产品设计和生产的要求，发展精密测量仪器将是未来的发展趋势。
因此，旧式万用表精度低，分辨率也低，老式模拟万用表早已不能满足社会各个行业的要求。
现在单片机技术早已应用在各式各样的电子测量仪器与工业自动化仪表当中。
在社会科技发展的背景下，急需要精度高，便携，而且能够适应各式各样的环境的数字式万用表。
本次内容为基于单片机的数字万用表，利用微处理器对模拟信号进行采样和处理，实现基本参数电压，电阻与电流等的测量，基于此基础上扩展其它功能。
本设计主要分为硬件和软件两个部分，采集信号通过硬件来实现，信号处理通过软件来实现。
硬件部分主要包括交直流电压，电流与电阻等参数，亦有按钮电路，显示驱动电路等模块，根据首先设计出地硬件，再完成程序的编译并进行调试和测试，最后要完成原理图和PCB图的绘制。
第二章总体方案设计
2.1总体设计方案
数字万用表设计方案是多种多样的，这是因为市场上的芯片类型有很多种。
但是，由于各种单片机的特点，功能都不相同，因此，设计方案也会有所差异。
除此之外，有的万用表采用的是基于模拟电路与数字电路相结合的方案，这种方案是采用的纯硬件电路，能够满足电压，电阻，电流的测量，其优势是设计成本低，但如果要在此基础上进行功能扩展则会比较难，而本次毕业论文所作出的方案主要由单片机处理系统组成。
2.2基本原理及框图
对电压，电阻，电流和电容等参量进行测量，然后通过模数转换器转换成所需要的数字量，并通过微处理器进行处理和显示模块显示就是数字式万用表设计的基本的原理，同时也是对电压表，电流表，欧姆表等仪器的综合。
图2-1设计框图
2.3硬件电路各模块设计原理
2.3.1电压测量模块原理
在数字式万用表中，单片机的采集电压范围是0到5V，但万用表要测量的电压是很大的，因此，必须要将测量的电压降到单片机可以采集的电压范围内。
在此次设计当中，我们通过电阻的分压来实现这个目的。
采用电阻分档，可使测量电压量程范围得到扩大。
像图2-2所示，如果A/D转换芯片的基准电压为U1，U0则为输入电压，那么电路的分压比值则是，反之，那么该电路所扩大的量程范围，但数字式万用表一般都是多量程，如果要设计多量程的电压测量模块，则只需按比例增加电阻的数量，如图2-3所示，电压分得的量程分别为2伏,20伏,200伏，一般情况下，电路输入阻抗越大越好，在图2-3中，电路输入阻抗采用的是1M的总电阻，R0=1M,则电阻,则,同理，，即,本图中，采用的是手动转换量程，但在本次设计中，量程是自动转换的，通过单片机来实现这个功能。
图2-2单量程分压原理图2-3多量程分压原理
2.3.2电流测量模块原理
电流/电压转换实现的方法为利用分流电阻，其基本理论为欧姆定律，通过适当的采样电阻，将电流变为电压，但此电压值也必须在转换芯片采集的电压范围内，如图2-4所示，被A/D转换器采样的电压,，分流电阻为R1。
图2-4电流/电压转换原理
当使用多量程的档位时，则是同样的原理，增加取样电阻的数量，与此同时，根据档位计算出所需的取样电阻，如图2-5，每个分流的电阻采用以下的方法计算，第一步先计算出,然后计算下一个档位，,同样的道理，以此可以计算出R1的值。
图2-5是手动档位，在本次设计中，电流档同样采用自动转换量程，经由单片机来实现。
图2-5多量程电流/电流电压转换
2.3.3电阻测量模块原理
电阻/电压转换电路可以利用电压与电流成比例的原理，采用反相比例放大电路，如图2-6，采用OP07放大芯片，其中芯片OP07的反馈电阻RX作为被测量的电阻，如果在放大器芯片输入端输入2V的电压，那么则被送入到A/D转换
图2-6电阻/电压转换原理图
器的电压为,经过A/D芯片后可以得到数字量是，再经过微处理器进行逆向运算处理得到,此时RX并不是十进制，而是二进制，将其转变之后，再乘以相对应档位，就得到了被测阻值。
除此之外，其量程的转换方法与电压和电流的转换相同，都通过单片机来实现。
2.3.4交流电压测量模块方案
在数字式万用表的设计当中，可以说交流电压的测量是最复杂的部分，这次初步拟定的设计方案有三种。
（1）如图2-7为方案1，方案1中采用的降压，整流，分压和滤波的方法测量交流电压的方法。
在该方案中，首先变压器先对交流电压进行合适比例的降压，然后再通过电子整流器将其变成直流电压，然后通过电阻R6和R7进行分压，最后通过滤波，最终将电压降到A/D芯片采样范围内。
图2-7整流分压测量交流电压原理图
（2）方案二下图2-8，在方案二中，整流二极管D1对交流电压进行半波整流，然后通过分压分以合适的档位，进行降压，最后通过低通滤波器滤成直流，并由模数转换器转换成数字量送到微处理器，通过它计算出电压有效值，但是二极管是普通型号的整流二极管，因此其反向恢复速度较慢，高频率交流电压是测量不了的。
图中档位分别为200伏和750伏，分压电阻求法和直流一样。
图2-8二极管整流测量交流电压方法
（3）最后一种方法是采用集成的芯片测量交流电压，真有效值交直流转换器AD736芯片，即可满足这一要求,如图2-9。
另外，AD736也有很多的优点，比如测量速度快，灵敏度高，精度高，还有输出的阻抗低和输入阻抗高等优点。
图2-9AD736图
基于以上三种方案，方案1中要用到变压器，实际使用时会比较麻烦，而且整流后的直流分量会带有纹波，滤波电路不能彻底的滤除。
方案2是依靠分位元件搭起来的，误差比较大，而且调试很麻烦，电路不是很稳定。
相比前两种方案，方案3采用的则是信号平方后积分的方法，而不是前两种的整流加平均测量的方法，因此其精度比较高，还可以简化设计，故选择第三种方案比较合适。
2.3.5电容测量模块原理
测量电容时，常用的方法有两种，分别是频率与容抗方法。
频率法即是先将电容值转换成频率进行测量采用微处理器计算由定时器所发出的脉冲宽度的时间，然后再利用公式,转换成,并计算出实际的电容值。
容抗法则是将电容转换成交流电压，并进行交直流电压转换，计算出其平均值
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