基于单片机实现数字万用表的设计.docx

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基于单片机实现数字万用表的设计

基于单片机实现数字万用表的设计

何佳芬

摘要

数字万用表（DMM）亦称数字多用表，是目前在电子测量和维修工作中最常用、最得力的一种工具类数字仪表。

但以往数字万用表电路复杂，且实现不易，为了简化数字万用表电路，本设计选择单片机为核心。

本设计的工作原理是测量时将所有测量参数值转换为直流电压值。

测量参数的选择是由键盘控制电路完成的。

单片机采样该直流电压值，再通过单片机内部的A/D转换将其转换成单片机所能处理的数字值，采集到单片机中，通过编写程序将该值还原为所测参数的真值，最后输送到显示和语音播报部分将其传送给测量人员。

本课题的设计是用已学的电子信息工程专业的专业知识，利用单片机设计出的一款数字万用表。

这款数字万用表除了具有测量电阻、电流、电压、电容等功能外，还具有语音播报功能，同时能把测量的结果在LCD显示器上显示出来。

关键词：

数字万用表，单片机，A/D转换

ABSTRACT

DigitalMultimeter（DMM）,alsoknownasthedigitalmultipurposetable,iscurrentlyinelectronicmeasurementandmaintenanceworkinthemostcommonlyused,themosteffectivetoolsofanumberofinstruments.Butthepastdigitalmultimetercircuitcomplicatedanddifficulttoachieve,inordertosimplifythedigitalmultimetercircuit,thedesignoptionsforthemicrocontrollercore.ThedesignoftheworkingprincipleistomeasurewhenallmeasurementparametersfortheDCvoltageconversionvalue.Measurementparametersofchoiceiscontrolledbythekeyboardtocompletethecircuit.SCMsamplingoftheDCvoltagevalue,andthenthroughtheinternalmicrocontrollerA/DconvertertoconvertSCMcanhandlethenumberofvalues,collectedtheSCM,throughthepreparationproceduresforthereductionofthevalueThetruevalueofmeasuringparameters,transportedtothefinalbroadcastoftheshowandvoicewillbetransmittedtothemeasurementofitsstaff.

Thistopicisdesignedtohavebeenusedintheelectronicsandinformationengineeringexpertise,theuseofamicrocontrollerdesignadigitalmultimeter.Thedigitalmultimeterinadditiontomeasuringresistance,current,voltage,capacitance,andotherfunctions,butalsoavoicebroadcastfeature,andcanmeasuretheresultsintheLCDmonitorontheshow.

Keywords：

DigitalMultimeter（DMM）,Single-chipmicro-computer（SCM）,A/Dtransformation

1前言

1.1课题研究的背景及意义

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理数据处理以及数字信号处理（DSP）等领域。

单片机凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。

它的CPU内核采用凌阳最新推出的u'nSP（TM）（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称u’nSP（TM））。

围绕u’nSP（TM）所形成的16位u’nSP（TM）系列单片机采用的是模块式集成结构，它以u’nSP（TM）内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。

本次设计采用凌阳的16位单片机SPCE061A。

数字万用表（DigitalMultimeter,DMM）是用来测量电流、电压等多种电路参量和电阻器、电容器、电感器和多种元器件参数的电工电子仪表。

数字万用表具有用途多、量程广、使用方便等优点，是电子测量中最常用的工具，掌握万用表的使用方法是电子技术的一项基本技能。

单片机运用于数字万用表的设计中，不仅提高了数字万用表的测量精度和有效性，也使数字万用表的体积大为减小、功能更为完善，使数字万用表向着小型化方向发展。

这符合了现代电子技术的发展模式。

与传统的模拟式数字万用表相比，数字式万用表具有很多的优点：

1.显示清晰直观，读数准确。

2.显示的位数多。

3.准确度高。

4.分辨力高。

5.测试功能强。

6.测量范围宽。

7.测量速率快。

8.输入阻抗高，过载能力强。

9.集成度高，功耗低。

10.保护功能完善，抗干扰能力强。

11.便于携带。

因此，在科研、产品设计开发、实验室中、维修等各个领域得到越来越广泛的应用。

1.2本课题的研究现状和水平

数字万用表是在20世纪60年代问世的，而我国的数字万用表工业起步于20世纪70年代中期，先后经历了引进、发展、技术创新3个阶段。

数字万用表已成为目前在电子测量及维修工作中最常用、最得力的一种工具类数字仪表。

它发展至今已有几十年的历史，从最初由电子管或晶体管等分立器件构成的，然后逐步向高精度、多功能、集成化、智能化的方向发展。

目前，我国每年生产近千万台中低档数字万用表，并向100多个国家大量出口；而我国所需的高档数字万用表以进口产品为主。

近年来，由大规模集成电路构成的单片数字万用表和高档智能数字万用表大量问世，标志着电子测量领域的迅速发展。

当今数字万用表的种类繁多，型号各异而多样化。

按量程转换方式分为手动、自动量程和手动/自动量程；按用途及功能分为低档、中档、智能和双显示及多重显示数字万用表。

中档数字万用表又分为多功能型、

位数字万用表和语音数字万用表；智能数字万用表又分为中档和高档。

现今已形成普通式、单片式和智能式数字万用表。

且市场上已形成数字万用表的专用集成电路，如：

A/D转换器芯片、电源集成电路、数字/模拟条图双显示数字万用表集成电路、带微处理器和串行接口的高精度数字万用表集成电路等。

1.3数字万用表的发展趋势

随着单片机技术和数字万用表技术的发展，未来数字万用表的发展有以下几点主要特点：

1）广泛采用新技术，不断开发新产品。

电子技术的进步，往往预示着数字仪表研制水平的新突破。

近年来各项新技术（如专用集成电路技术等）愈来愈被广泛应用，并且迅速转化到生产中。

与此同时，仪表专用的单片LSI，VLSI也迅速推广。

2）广泛采用新工艺。

新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。

预计在不久的将来，数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计、安装调试和维修带来极大的方便。

表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMD）将获得普遍应用。

到21世纪初，各类电子元器件将以SMD化为目标，近一步实现小型化、复合化、高准确度、高可靠性。

3）多重显示仪表。

为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，“数字/模拟条图”双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高，模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势这两大优点。

这里讲的模拟条图有两层含义：

第一，被测量为连续变化的模拟量；第二，用条图形式来模拟被测量的变化情况。

多重显示仪表是在双显示仪表基础上发展起来的。

此类仪表同时显示3组或3组以上的相关数据。

4）安全性。

仪器仪表的安全性对于生产厂家和拥护都至关重要。

一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警示。

仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。

将高电压或大电流输入到未加适当保护的仪表，会产生电弧，电火花，容易使仪表损坏甚至危机人生安全。

目前国内外厂家对安全性愈来愈重视。

5）操作简单化。

手持式仪表的操作日趋简单，单刀操作，单按钮手动量程是优选方案之一。

自动量程的操作键亦不断减少。

为便于单手操作，福鲁克公司采用一只具有定时功能的按钮。

根据按下时间的长短，可选择不同的功能，并产生声、光提升信号。

6）VXI总线仪器系统。

VXI是一种新型测量仪器的标准总线。

VXI总线仪器系统则是面向21实际的高科技产品，它的问世给电子测量领域带来了一场深刻的革命。

VXI总线及测量系统于80年代末问世，并逐步实现了全球标准化，我国90年代初开始引进，现已能自行开发主机箱和多种功能模块，并研制成不同用途的综合测试仿真系统，自动测试系统。

随着新技术的不断发展，将会有更多含有新技术具有新功能的万用表产品问世，我们将会密切注意万用表的发展趋势。

1.4本设计实现的技术指标

本设计可以实现以下功能：

①电阻（0～2MΩ）；

②电容（2nF～20μF）；

③直流电压（0～1000V）、直流电压（0～200V）；

④交、直流电流（0～20A）；

⑤二极管好、坏；

⑥三极管放大倍数（0～1000）；

⑦所设计的数字万用表的显示位数为

位；

⑧测量的允许误差范围为±5％；

⑨并能实现语音播报和数码显示功能。

2方案分析与选择

数字万用表技术经过几十年的发展已经比较成熟，现在市场上出现的数字万用表型号多达几百种，但是综合来说又主要分为低，中，高三个档次，下面我将从这三个档次的万用表中来做方案分析，并从中选出一种方案来作为本次数字万用表的设计方案。

2.1设计方案

方案一：

普通数字万用表

普通数字万用表的基本构成如下图2.1所示。

仪表的核心是单片A/D转换器，典型的产品有ICL7106、ICL7136型

位单片A/D转换器，ICL7129、ICL7135型

位单片A/D转换器。

其外围电路主要包括功能转换器、测量项目及量程选择开关、LCD（或LED）显示器。

此外还有蜂鸣器振荡电路，驱动电路，检测线路电路，低电压指示电路，小数点及标识符驱动电路等。

图2.1方案一框图

方案二：

单片机数字万用表

单片数字万用表的构成如下图2.2所示。

与普通数字万用表相比，单片数字万用表的外围电路大为简化，性能指标明显提高，给维修、调试工作也提供了方便。

该方案以凌阳SPCE061A为核心设计，它承担了对测量采样、值转换及其挡位选择的工作，它的功能都是由其硬件和软件外加少量的外围电路来实现的。

外围电路包括按键选择档位，参数测量电路，显示、播报为测量结果输出等。

图2.2方案二框架图

方案三：

智能数字万用表

智能数字万用表是带微处理器μP的高档数字仪表。

其主要优点是准确度高，功能强，具有自动校准，自动测量，自