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1、基于单片机的数字万用表设计毕业论文设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)优秀论文 审核通过未经允许 切勿外传 毕业设计（论文）题 目：基于单片机的数字万用表设计英文题目：THE DESIGN OF DIGITAL MULTITESTER BASED ON MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUIT 学生姓名 学 号 指导老师 职称 专 业 摘 要本次设计用单片机芯片AT89s52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

2、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AT89S52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。关键词 数字万用表 AT89S52单片机 AD转换与控制 AbstractThis design is design a digital universal meter with chip AT89s52 of one-chip computer, can measure and , direct

3、 current pressing value , direct current flow , the direct current is that some , warning part , AD change and control making up partly. In order to make the system more steady, make the whole precision of the system be ensured, this circuit the circuit to match on RC, show that the chip uses TEC612

4、2, urge 8 numbers to be in charge of showing. The every execution cycle consuming time of procedure contracts to get shortest, in this way the real-time character of the security system. Keyword: Digital universal meter AT89S52 one-chip computer AD changes and controls 绪 论数字万用表亦称数字多用表,简称DMM(Digtial

5、Multimeter)。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、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式万用表功能单精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片的数字万用表，精度高、抗干扰能力强，可扩展尾强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字电万用表，已被广泛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，显示出强大的生命力。数字万用表具有以下几点特点：1）显示清晰直观，计数准确为了提高观察的清晰度，新型的手持式数字用用表（HDMM）已普遍采用字高为26mm的大屏幕LCD（液晶显示器）。有些数字万用表还增加了背光源，以便于夜间观察读数。2）显示位数数字

6、万用表的显示位数通常为3位半到8位半。3）准确度高准确度是测量结果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，也反映了测量误差的大小，准确度愈高，测量误差愈小。数字万用表的准确度远优于指针万用表。4）分辨力高数字万用表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称作仪表的分辨力，宏观世界反映了仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。5）测试功能强数字万用表不公可以测量直流电压（DCV）、交流电压（ACV）、直流电流（DCA）、交流电流（ACA）、电阻（）、二极管正向压降（Uf）、等等。新型数字万用表大多增加了下述测试功能：读数保持（HOLD）、逻辑（LOGIC）测试等等。

7、6）测量范围宽数字万用表可满足常规电子测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。7）测量速率快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，单位是“次秒”。它主要取决于AD转换器的转换速率。一般数字万用表的测量速率为25次秒。有的能达到20次秒以上，另有的一些比这个还要高得多。数字万用表可满足不同用户对测量速率的需要。8）输入阻抗高数字万用表电压挡具有很高的输入阻抗，通常为1010000M，从被测电路上吸取的电流小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。9）集成度高，微功耗新型数字万用表普遍采用CMOS大规模集成电路的AD转换器，整机功耗很低，3位半，4位半手持

8、式数字万用表的整机功耗仅几十毫瓦，可用9V叠层电池供电。10）保护功能完善，抗干扰能力强数字万用表具有比较完善的保护电路，过载能力强，新型数字万用表还增加了高压保护器件，能防止浪涌电压。本设计就是基于这个基础设计一个基于单片机的数字万用表。该设备具有直观简单的优点。并且能深入的说明万用表的测量原理。能直观的了解万用表各个部分的结构和测试原则。 1. 数字万用表设计背景在本章中主要介绍了系统的设计原则和总体方案及系统概述等。1.1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

9、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 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。”

10、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。1.3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。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。图2.1数字万用表的

11、基本组成下面我们分别介绍各个部分的组成：1）、模数(AD)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，则数字信号的大小一定是的整数倍，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=0.1，我们把被测电压与比较，看是的多少倍

12、，并把结果四舍五入取为整数(二进制)。一般情况下，1000即可满足测量精度要求(量化误差11000=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为单位的被测电压的大小。如：是(0.1)的1234倍，即=1234，显示结果为123.4()。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-199.9199.9的电压，显示精度为0.1。由上可见，数字测量仪表的核心是模数(AD)转换、译码显示电路。AD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

13、(分压器)，可以扩展直流电压测量的量程。如图2.2所示，为电压表头的量程(如200)，为其内阻(如10)，、为分压电阻，为扩展后的量程。 图2.2分压电路原理 图2.3多量程分压器原理由于rr2，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2000、200、20、2和200。采用图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

14、200档的分压比为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2000档的电阻再逐档计算、。尽管上述最高量程档的理论量程是2000，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1000。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，取样电阻上的电压降为即被测电流 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，欲使电流档量程为，则该档

15、的取样电阻(也称分流电阻)为 如=200，则=200档的分流电阻为。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、和。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

16、压大于0.7，二极管立即导通，两端电压被限制住(小于0.7)，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为其原理简图。 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700 (有效值)。5）、 电阻测量原理数字万用表中的电阻档

17、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AD转换器的参考电压和输入电压有如下关系： 即根据所用AD转换器的特性可知，数字表显示的是与的比值，当=时显示“1000”， =0.5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档。如对200档，取=100，小数点定在十位上。当=100时，表头就会显示出100.0。当变化时，显示值相应变化，可

18、以从0.1测到199.9。又如对2档，取，小数点定在千位上。当变化时，显示值相应变化，可以从0.001测到1.999。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10。由上分析可知，图2.10中由正温度系数(PTC)热敏电阻与晶体管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，使的击穿电流不超过允许范围。即只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，和都能恢复正常。6）、 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

19、指数关系。根据电压和时间可以计算出电容的值。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。图2.11. 总体电路设计原理图2.3硬件电路设计方案及选用芯片介绍2.3.1 设计方案用单片机AT89S52

20、与ADC0809设计一个数字万用表，配合分流电阻、分压电阻、基准电阻可以测量交、直流电压值，直流电流、直流电阻，四位数码显示。实现四级量程的直流电压测量，其量程范围是2v ,20v,200v和500v.实现四级量程的交流电压测量，其量程范围是2v ,20v,200v和500v.实现四级量程的直流电流测量，其量程范围是2mA,20mA,200mA和2A.实现四级量程的电阻测量，其量程范围是2k ,20k,200k和2M.，并且有超出量程的情况发生时，蜂鸣器发声报警。2.3.2 芯片选择及功能简介1、AT89S52芯片功能特性描述AT89S52引脚框图：图2.12 AT89S52芯片引脚图AT89

21、S52 主要性能：1、 与MCS-51 单片机产品兼容2、8K 字节在系统可编程Flash 存储器3、1000 次擦写周期4、全静态操作：0Hz33Hz 5、 三级加密程序存储器6、32 个可编程IO 口线7、三个16 位定时器计数器8、八个中断源9、全双工UART 串行通道10、低功耗空闲和掉电模式l 1、掉电后中断可唤醒l2、 看门狗定时器13、双数据指针l 4、掉电标识符方框图：图2.13 AT89S52内部框图功能特性描述：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51

22、 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位IO 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内

23、容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。VCC : 电源GND: 地P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向IO口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向IO 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可

24、以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器计数器2的外部计数输（P1.0T2）和时器计数器2的触发输入（P1.1T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表2.1 P1口的第二功能P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向IO 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部

25、数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向IO 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编

26、程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表2.2 P3口的第二功能RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALEPROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE

27、脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EAVPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内

28、部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。Flash 编程并行模式：AT89S52 带有用作编程的片上Flash 存储器阵列。编程接口需要一个高电压（12V）编程使能信号，并且兼容常规的第三方Flash 或EPROM 编程器。AT89S52 程序存储阵列采用字节式编程。编程方法：对AT89S52 编程之前，需根据Flash 编程模式表和图13、图14 对地址、数据和控制信号设置。可采用下列步骤对AT89S52 编程：1在地址线上输入编程单元地址信号2在数据线上输入

29、正确的数据3激活相应的控制信号4把EAVpp 升至12V 5每给Flash 写入一个字节或程序加密位时，都要给ALEPROG 一次脉冲。字节写周期时自身定制的，典型值仅50us。改变地址、数据重复第1 步到第5 步知道全部文件结束。Data Polling AT89S52 用Data Polling 作为一个字节写周期结束的标志特征2、ADC0809介绍ADC0809是带有8位AD转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式AD转换器，可以和单片机直接接口。（1）ADC0809的内部逻辑结构 图2.14 ADC0809的内部逻辑结构上图可知，ADC0809由一个

30、8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个AD转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用AD转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存AD转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。（2） 引脚结构 图2.15 ADC0809引脚结构图IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平

31、时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表2.3 地址输入线的通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行AD转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行AD转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 ADC0809应用说明：（