数字万用表的设计Word文档下载推荐.docx

1、a.体积小但集成度高、可靠性较高：该单片机把各个功模块集成在一块芯片上，内部采用总线结构，将各种信 号的通道封装在同一个芯片中，减少了与其他芯片之间的连线，大大提高了可 靠性与线路的抗干扰能力。b 控制能力较强：一般单片机的指令系统中均有极为丰富的转移指令、存储器读写指令、 I/O口的逻辑操作以及位处理功能，满足工业控制的各种要求。c.易于扩展：单片机片内已经具有计算机正常运行时所必需的部件，但仍然预留了很多 片外扩展用的引脚（各种总线，并行/串行的输入/输出），易于组成更庞大计算 机系统完成更复杂的任务。d .内部功能较强：单片机有着各种的内部资源，功能强大。e.低功耗、低电压，便于生产便携

2、式产品。下面介绍89C52单片机的主要功能特性：a.兼容标准的MCS-51的指令系统；b .内置8k字节可擦写的闪存 ROM （Read-Only Memory ）；c. 4组共32个双向I/O 口；d . 256X 8位大小的内部 RAM ;e.3个16位可编程定时/计数器中断；f.支持3.5-12/24/33MHZ多种时钟频率；g . 1 个全 双工可 编程的 UART （ Universal AsynchronousReceiver/Transmitte ）串行口；h.6个中断源，4级优先级中断结构；i.2个 W/R （Write/Read ）读写中断口，3级加密位；j .低功耗空闲和掉

3、电节省模式，带有软件设置睡眠及相应的唤醒功能；k .有PDIP及PLCC两种封装形式。（2） 89C52单片机的引脚功能图3. 89C52单片机微架构图帥oC fT2EX）Pi .1 CPl总匚Pi JEPl 4-C MOSIrPl SC ：MIStPi B 匸 （3GKJP1.7C RSTC 冋际匚 （TXNP5.1 E ilMTC* P* 也匚 i.irrm唤匚 iTOJ PS4.匚 iTijpssn 怖际L： （RRPstC KTAL2C XT*L1 IQMOIZn vccPO.OfADO）FOJ苗列PO FOJtADO）?0.4（W4jPGS （ADS）F0*W6）F&.7 （AD冲E

4、VPPAL&PRPSERP2.7（A14JP2 fi （*1 斗P2 ft （*13.:F2 4 （A1 ）7 Pa 1 （An?7P2,1 （AS）3 Pa JO j*s）XTAL2 :振荡器反相放大器的输出端。VCC :接电源+5V。GND :接地端。表2. P3 口的第二功能引脚号功能特性P3.0RXD （串行输入）P3.1TXD （串行输出）P3.2INT0 （外部中断0）P3.3INT1 （外部中断1）P3.4T0 （定时器0外部输入）P3.5P3.6P3.7T1 （定时器1外部输入）WR （外部数据存储器写有效）RD （外部数据存储器读有效）2、模数转化电路实际的物理量都是幅值大小

5、连续变化的模拟量，或称为模拟信号。旧式的 指针万用表可以直接对模拟电压、电流进行测量并显示。对于数字万用表，则 需要把模拟量（多是电压量）转换为数字信号的形式，通过相关的处理（包括 存储、传输、计算等）再进行显示。数字信号是量化的模拟信号，若将最小的 量化单位记为，那么数字信号的大小一定为的整数倍。该倍数可以用二进 制数码表示，但为了便于直观地读数，通常把数码进行译码后，由数码管或液 晶屏幕显示。当模拟信号经过量化之后，还需要进行编码处理，是用二进制码组表示固 定电平的量化值。目前普遍使用的是非线性的 8位二进制编码，可以将输入的幅度范围分成256个量化级。由此可知，数字万用表测量的核心步骤是

6、模数转换以及译码显示，其中模 数转换又可以分为量化及编码两大步骤。（1） PCF8591芯片的主要功能特征PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗及 8位CMOS工艺制造的 AD-DA器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线 接口。PCF8591的3个地址引脚A0、A1和A2可用于硬件地址编程。在PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方 式进行传输。图5. PCF8591的内部原理图PCF8591芯片的引脚功能aimoTU16AIN1 叵AOUTAIN2 314VREFA1N3 4PCF3591P巨AGNDAC

7、 5l2EXTA1 GSCIVssTSDA图6. PCF8591的引脚图图6所示为PCF8591的引脚图。AINOAIN3 :模拟信号输入端；A0A2:引脚地址端；VDD、VSS :电源端（2.5-6V）;SDA、SCL : I2C总线的数据线、时钟线；OSC :外部时钟输入端，内部时钟输出端；EXT :内部、外部时钟选择线，采用内部时钟时 EXT接地;AGND :模拟信号地；AOUT :数模转换输出端；VREF :基准电源端。图7.模数转换部分原理图图7所示为模数转换部分。PCF8591芯片作为ADC芯片，使用I2C总线与 单片机通讯，SCL是串行时钟，SDA是串行数据线，输出转换后的数字量

8、。待 测模拟量从AINO进入，其余模拟输入口因本设计不需使用而接地。 AGND端是模拟地，接上0Q电阻，而VDD接上接地电容，有效分割模拟地和数字地， 减少高频数字信号的干扰。（2）多量程数字电压表设计图8.分压电路的原理如图8所示，在基准数字电压表头前加上一级电压信号衰减电路（分压电路），可以扩展直流电压测量的量程。图中， V。为输出电压，基准电压表的量程为2V，四个分压电阻串联值为10M Q,则第4个开关接入时输入电压 Vi可以达 到2000V,同理可得其他档位量程分别为 2V、20V、200V、200V。但基于测试 安全性，第4档测试电压不应高于500V。图9.电压衰减电路原理图如图9所

9、示，R1和R2是分压电阻，其阻值均为按档位需要计算后所得, 可以将20V的直流电压衰减为2V输出，配合20V的直流电压挡。（3）多量程数字电流表设计图10.分流电路的原理如图10电路所示，万用表测量电流的原理是，用合适的取样电阻，将待测 的电流量根据欧姆定律转换为电压量， 才能进行测量。若取样电阻阻值为R，根 据欧姆定律，可以获得被测电流Ii的值。在基准数字电流表头前在加上电流信号衰减电路（分流电路） ，即可实现直 流电流测量量程的扩展。如上图所示，四个电阻串联值是 1k Q,若选取第1挡, 并使输出电压不超过2V，即可计算出Ii必须小于等于2mA。同理可计算出其他图11.电流衰减电路原理图如

10、图11所示，R15和R16是分流电阻，其阻值均为按档位需要计算后所得, 可以将2A的直流电流衰减为200mA，并将电流变换成电压以供模数转换器测 量，配合2A的直流电流档使用。（4）电阻测量设计丄图12.电阻-电压变换电路的原理数字万用表通常采用电阻-电压变换电路来测量电阻（欧姆档）。如图7所示 电路，VDzi是2.7V稳压管，是一种用特殊工艺制造的硅半导体二极管 （康华光， 2006）。VTi、VT2、VDZ1组成恒流源，保持 V的值恒定不变。V的值等于Vi 电压减去Vdzi上的电压，约为2.3V。VT3的基极电压亦保持不变，若 VT3基极 和发射极之间的电压为0.5V,则可知V2的值恒为2

11、.8V左右，并可得出VT3集 电极电流的IC3也是恒定的。其中，接在VT3的发射极上的一组电阻是基准电阻，按档位不同分别是：2.2kQ、22kQ、220kQ、2M Q。通过选择不同的档位开关，可以得到恒定的、 不同倍率的电流 IC3，它的电流分别是 1mA、0.1mA、0.01mA、0.001mA。Rx 是待测电阻，接在 VT 3的集电极上，当恒定电流IC3流经时，产生电压 Vx，测 量Vx则可推算出待测电阻的阻值。Rw用于调整恒流源IC3的大小，VD3作为保 护管，当电阻档所加的电压过高时， VD3对VT3有保护作用。图13.电阻-电压变换电路原理图图13所示电路为电阻测量电路。其中，电阻R

12、13和R14构成一组基准电阻。 电路工作时，PNP管Q3的集电极电流IC3是恒定的，R18和R19负责调节IC3 的大小。通过接入不同的电阻（R20或R21）,可获得不同的倍率的集电极电流 IC3,电流通过待测电阻 Rx形成电压Vx。通过测量Vx即可获得待测电阻的阻 值。经过计算，可知R20分支可测量的最大电阻值为 2k Q, R21分支为20kQ。 而P4端则是作为待测电阻的接口。3、电源模块图14.电源部分原理图如图14所示，POWER端接外部直流电源，另外可以利用 USB （Universal Serial Bus）端口直接提供5V电压。7805是三端稳压集成芯片，起稳压输出的 作用，通

13、过外围电路的组合，可以稳定输出 5V直流电压。图中的LED灯可以作为电源电路开始工作的提示器。4、报警模块图15.报警提示部分原理图图15所示为蜂鸣器驱动电路。当出现测量值超出预定量程时，蜂鸣器会发 出“嘀”声报警。其实质是通过编程使单片机的引脚输出低电平，使 Q1导通,蜂鸣器发声。5、单片机最小系统图16.单片机最小系统如图16所示，本次设计采用STC公司的89C52型单片机作为控制芯片， 并采用RC上电复位电路用于单片机复位，配合频率为11.0592MHz的外部震荡 电路，作为外部时钟信号，提供单片机片内各种操作的时间基准（张景璐等， 2010）。P1.0-P1.3作为按键的输入线，P1.

14、4及P1.5分别作为ADC芯片I2C总线 的时钟线和数据线。P0 口作为1602液晶的数据总线，P2.0和P2.1作为1602液 晶的控制线，另外P3.7用作控制蜂鸣器。6、显示输出模块图17.显示输出部分原理图如图17所示，采用1602液晶作为输出显示器，读数更加准确和直观，能 显示比数码管更丰富的信息。其中 RS和RE为液晶的控制线，DB0-DB7为液 晶的数据线，均与单片机的相应I/O 口相连。Vo端接上一个10k的电位器再接 地，通过调节电位器，可以调节液晶字符显示的明暗度，防止“鬼影”现象的 出现。7、开关及量程选择模块1 L II； I图18.开关及量程选择部分原理图如图18所示，

15、拨码开关S1的左侧三个端口分别接上分压器、分流器、电 阻测量电路，使用时拨动不同开关，连通对应的电路，测量不同的物理量。而 下面的4个按键，负责通知单片机当前所选的待测物理量及档位，改变液晶显 示器数值的输出方式。&电路工作描述将相应的控制程序写入单片机是使电路各部分能协调工作，完成既定任务的前提。通过按钮选取要测量的物理值（电压、电流或电阻） ，然后通过选取合适的量程进行测量，以获得更准确的测量数据。单片机通过 I2C总线控制PCF8591芯片，完成A/D转换，并通过该总线读取其输出的数据。单片机根据 所选档位和量程对数据进行处理后，送至 1602液晶处进行输出。若发生待测信 号超出量程的情

16、况，蜂鸣器会立即报警，提示使用者切换更高的量程进行测量。 另外，通过单片机的复位按钮，可以对系统进行清零。三、系统软件设计本系统软件设计的思路是：使用C语言，将各部分的驱动程序（1602液晶、 模数转换器、按键、蜂鸣器等）分别编写在不同子文件中，减少主文件的复杂 度，增加可读性。然后，在主函数中，先初始化液晶显示器，然后进入大循环。 在大循环中，读取模数转换芯片转换后数据，并根据按键的输入情况，确定物 理量和量程，如果发生超出量程的情况，调用蜂鸣器进行报警，否则对获取的 数据进行一定处理，最后发送至液晶显示器进行输出。主要程序模块流程图如 下所示图20.电压测量流程图开始电流量程选择选择200

17、mA档位选择2A档位 结束k j图21.电流测量流程图图22.电阻测量流程图四、仿真测试1、功能仿真（1）电压表仿真如图23所示，当输入的模拟直流电压为1.6V时（2V电压档），系统测量后, 液晶显示输出电压值为1.6V。LCD1LC01SE图23. 2V电压表仿真图如图24所示，当输入的模拟直流电压为 16V时（20V电压档），系统测量 后，液晶显示输出电压值为16V。图24. 20V电压表仿真图（2）电流表仿真如图25所示，当输入的模拟直流电压为180mA时（200mA电流档），系统 测量后，液晶显示输出为180mA。图25. 200mA电流表仿真图如图26所示，当输入的模拟直流电压为1.

18、8A时（2A电流档），系统测量后, 液晶显示输出为1.8A。LCD电图26. 2A电流表仿真图（3）欧姆表仿真如图27所示，当接入的电阻阻值为1.5k时（2kQ欧姆档），系统测量后, 液晶显示输出阻值为1.39k Qo1,35k k Hi U* O- a = a A -n a sft 4他 店+i舟图27. 2kQ电阻表仿真图如图28所示，当接入的电阻阻值为15k Q时（20kQ欧姆档），系统测量后, 液晶显示输出阻值为13.9kQ。LGD113.B?k图28. 20kQ电阻表仿真图2、实际电路本次设计电路走线较多且比较复杂，双面板比单片面板更适合用在复杂的 电路上。如图29所示，上层为红色走

19、线，底层为蓝色走线。1图29.PCB布线图图30.PCB制版成品图31.成品外观3、测试结果表3.电压测量数据稳压源输出 值（V）测量值（V）误差（%）0.150.550.51-7.31.000.97-31.500.01.701.901.86-2.13.303.52+6.75.004.98-0.47.557.60+0.79.509.68+1.912.5012.37-1.015.014.75-1.7表4.电流测量数据稳压源输出 值（mA）测量值（mA）5556+1.87072+2.98081+1.3120119-0.8180193+3.9表5.电阻测量数据标称值（k Q）测量值（kQ）0.92-

20、8.021.95-2.52.72.54-5.93.33.1-6.14.74.56-3.0109.18-8.213.312.9五、总结经过了一个多月的尝试和努力，终于完成了本次数字万用表的设计。数字 万用表一直是电子设计领域最重要且最基本的测量仪器之一，在电子设计的排 错和调试等方面起着非常重要的作用。本次的设计的数字万用表，能体现数字 万用表的基本原理，实现了万用表最基本的几个功能，能测量 20V以下的直流电压，200mA以下的直流电流及20kQ以下的电阻值。经过初步测试，直流电 压测量值的误差均在8%以下，在个别的区段，如1.5V到2V之间，误差较小， 甚至可以完全准确地测出稳压源的输出电压

21、。直流电流测量值的误差在 0到200mA区段总体上较低，均不超过 4%。但是，一小部分电路设计在方面出现 了问题，仿真的理论结果与实际电路工作时的效果相差较大，测量 200mA以上的电流时，会出现电源短路的问题，无法安全地进行测量。在电阻值的测量方 面，误差稍大，最大的有8.2%的误差，但仍在可接受范围之内。经过分析，导致测量值存在误差的原因是多样的，可能是电路中的衰减电 阻阻值不够准确，也有可能是没有屏蔽好高频数字信号的干扰，造成了一定的 误差。另外，在电阻-电压变换电路中，使用了定值的电阻而非电位器，不能调 整三极管的集电极电流，未能使电路工作在最佳的状态，是造成电阻测量误差 稍大的重要原因之一。六、附录图32.整体电路原理图|XI_X1ZI!