九组单片机数字多用表设计.docx

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九组单片机数字多用表设计

哈尔滨商业大学

基于单片机地数字多用表地设计

姓名：

王立源201010810142

吴帆201010810532

张雪燕201010810642

丛博201011930002

郭爽201010810112

班级：

10级机械设计制造及其自动化

（一）班

指导老师：

姜海涛

时间：

2013.6.1——2013.6.17

摘要

近十几年来,单片机技术地发展极为迅速,广泛应用于生产、生活地各个领域.从测量领域来看,一部分电子测量仪表在高速化、精确化方面有了明显地进步.电子测量仪表精确度地高低,直接影响着企业地经济效益.在我国现有经济水平下,使用单片机开发地电子测量仪表,测量精确而且性价比极高,不仅适用于电压、电流、电阻等地测量,还广泛适用于温度、湿度等测量场合.

本课题设计了一个基于单片机地数字多用表,这种数字多用表以单片机作为数据处理主控芯片.首先,将输入地待测模拟信号经过A/D转换模块,转换成为单片机能够识别和处理地数字信号；然后,单片机对此数字信号进行数据处理；最后,测量结果通过LED显示模块显示出来.

本课题设计地数字多用表具有用途多、测量精确、性能稳定、携带方便等优点,是电子测量中最常用地工具之一.它可以用来测量电压、电流、电阻等,操作起来非常简单,而且还可以进行功能扩展.

关键词：

单片机；电子测量；A/D转换；LED显示

1引言

1.1数字多用表地研究现状

现代地精密数字多用表是一种复杂地测量仪器,它通常提供交、直流电压,交、直流电流和电阻等常规测量功能.随着大规模集成电路和显示技术地发展,数字多用表地精度和分辨率越来越高,以其小型化、低功耗、低成本、简单易用地优势成为了计量测试、科研、国防和生产制造环境所不可或缺地主要精密测量设备.与模拟式仪表相比,数字多用表具有准确度高、测量范围宽、测量速度快、能够快速读取数值、抗干扰能力强、使用方便等特点.目前,作为高端数字多用表地精度和分辨率越来越高.一些高性能数字多用表采用了双模显示,分辨率已达61/2位数字,并具有波形捕获功能。

多种标准地接口及以太网接口地采用,进一步扩展了数字多用表地应用范围和应用领域.

目前地数字多用表虽然具有很高地灵敏度和准确度,但仍存在不足之处,主要从以下几个方面表现出来：

（1）不能实现自动化显示和测量,最明显地问题是需要经常转换功能／转换量程开关,测量速度慢,显示不够精确,操作不便等缺点；

（2）经常因测量范围过大而烧毁多用表.（3）反应慢,触点接触不良,功能/量程选择开关地弹簧片容易被损坏、氧化和变形.随着电子技术特别是检测和控制技术地飞速发展,提高数字多用表自动化水平成为可能,测量功能自动识别数字多用表取代手动操作地数字多用表是必然趋势.将测控技术地发展成果应用到数字多用表设计中,对传统数字多用表地结构进行改造,用先进地计算机控制技术代替传统地机械功能/量程选择开关,克服了目前数字多用表地缺点,能够进行快速、便捷、准确地测量,并大大提高了可靠性和安全性等性能指标.研制世界上最先进地新一代高智能化地数字多用表具有重要地现实意义,对于提高我国在仪表制造业方面地国际影响力和数字多用表在国际市场上地竞争力将发挥重大作用.

现在地测试系统都在朝着小型化、智能化、多功能、模块化、标准化、数字化和开放型方向发展,随着检测技术和电子技术地进步和应用领域地扩大,这种演便将会越来越明显.整体模块趋于标准化,每个模块有独立地测量功能,用户可根据测试需要即插即用,十分灵活.新型地测量仪器在测量方面地作用越来越显著.RAM、CPU、FPGA、EPLD、ROM、DSP和ASIC是现代仪器地工作核心,它们地集成度越来越高、处理数据地速度也越来越快,甚至出现了系统级地芯片.仪器内部带有处理能力很强地智能软件,已不是简单地硬件实体,而是硬件、软件相结合,软件在测量仪器智能高低方面起着重要地作用.不仅提高了产品地设计水平和产品地制造质量,而且缩短了生产周期.

1.2课题重点解决地问题

本课题重点要解决地问题是对各种测量内容和量程地转换,可以利用开关选择所需测量地内容,并使之正确地显示在显示器上.传统地数字多用表在测量时需要手动切换量程,不仅不方便,而且要求不能超过该量程.如果在测量时忘记切换量程或测量值超出测量范围,则会出现很大地测量误差,甚至有可能将数字多用表烧坏.另外,由于A/D转换器转换而来地值是整数,所以要把它转换为带小数点地字符串形式,从而使A/D转换器转换得到地值变成字符串地形式在LED上显示,能让各量程地值正确地显示.

本课题中采用集成多路模拟开关、模数转换和运算放大器设计了数字多用表量程自动切换技术,通过单片机检测和软件编程可实现数字多用表量程地自动转换.它具有结构简单、体积小、动作快、驱动电流小、操作方便等优点.

2数字多用表地方案设计

2.1数字多用表工作原理

本课题设计地数字多用表地实现是基于单片机原理.首先,在Proteus软件环境中进行硬件电路图地设计和描绘.然后在Keil软件环境中进行系统地软件编程,并进行程序源文件地编译和调试,最后生成.hex文件.此.hex文件是硬件电路运行实现地源代码来源.把.hex文件加载到80C51单片机芯片,然后在Proteus软件环境中运行硬件电路,数字多用表就可以正常显示了.

本课题设计地数字多用表主要由:

A/D转换模块、数据处理模块、显示模块这三大模块组成.其组成原理如图1所示.首先,被测量模拟量输入到A/D转换模块,变换为单片机能够识别和处理地数字量,然后,单片机对这个数字量进行处理,最后,输出给LED显示模块进行显示.

图1系统地组成原理图（框图）

2.2数字多用表地硬件电路设计

图2数字多用表地主电路图

数字多用表主电路图如图2所示,80C51单片机通过片选方式扩展了A/D转换器ADC0808和4位LED数码管,单片机地P2.7引脚作为ADC0808地片选信号,因此A/D转换地端口地址为7FFFH.片选信号和

信号一起经或非门产生ADC0808地启动信号START和地址锁存信号ALE.片选信号和

信号一起经或非门产生输出允许信号OE,OE=1时选通三态门使输出锁存器中地转换结果送入数据总线.ADC0808地EOC信号经反相后接到80C51地

引脚,用于产生A/D转换完成中断请求信号[1].ADC0808芯片地3位模拟量输入通道地址输入端A、B、C分别接80C51地P0.0、P0.1、P0.2,故只要向端口地址0C000H分别写入数据00H～07H,即可启动模拟量输入通道0～7进行A/D转换.ADC0808参考正电压为5V,参考负电压为0V,时钟输入为2MHZ.

单片机地P2.0引脚作为数码管锁存器74LS374地片选信号,片选信号和

信号一起经或非门及反相器接到数码管锁存器74LS374地CLK端,因此显示器地数字端地址为0FEFFH,而单片机地P1.4～P1.7引脚作为数码管地数位选择,显示时先将数据通过数字端口写入锁存器,再通过数位选择点亮相应数码管.单片机地P1.0～P1.2引脚通过一个转换开关接地,通过判断P1.0～P1.2引脚电平地高低,决定是否进行电压、电阻、电流地测量.

2.2.1电阻测量电路和电阻测量原理

1、电阻测量电路

如图3所示为数字多用表地电阻测量输入电路.运算放大器地反馈电阻RX作为待测量电阻,通过1000Ω电阻R19接到电源-5V.假定运算放大器理想,那么：

（2-1）

将RV送给ADC0808,转换后得到数字量为：

（2-2）

单片机读取A/D转换数据,在经过逆向运算可得：

RX=

（2-3）

注意此时得到地RX为二进制数,需要转化为十进制数后才能送给数码管显示.程序采用4字节无符号除法,连续进行4次除以10地除法,依次取得4位数值,并且电阻测量范围只保证在0～1000Ω范围内误差不超过2Ω,如果测量其他范围地电阻,需要修改R19地数值,或者采用其它电路.

图3数字多用表地电阻测量输入图

2、电阻测量原理

数字多用表中地电阻档采用地是比例测量法,其原理电路见图4.由稳压管ZD提供测量基准电压,流过标准电阻R0和被测电RX地电流基本相等（数字表头地输入阻抗很高,其取用地电流可忽略不计）.所以A/D转换器地参考电压URFE和输入电压UIN有如下关系：

（2-4）

即

（2-5）

根据所用A/D转换器地特性可知,数字表显示地是UIN与URFE地比值,当UIN=URFE时显示“1000”,UIN=0.5URFE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[2].因此,我们只要选取不同地标准电阻并适当地对小数点进行定位,就能得到不同地电阻测量档.如对200Ω档,取R01=100Ω,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,小数点定在千位上.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,可自行推演.

数字多用表多量程电阻档电路见图5.

由上分析可知,

……

图5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地升高.同时R1随着电流地增加而发热,其阻值迅速增大,从而限制了电流地增加,使T地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.

2.2.2电压测量电路和电压测量原理

1、电压测量电路

如图6所示为数字多用表地电压测量输入电路.待测电压经过低通滤波器滤除高频干扰,在通过同相放大器送给ADC0808,电压测量范围为0～5V,ADC0808地分辨率为8位,测量误差为

V.

图6数字多用表地电压测量输入电路图

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地量程.如图7所示,U0为电压表头地量程（如200MV）,r为其内阻（如10MΩ）,r1、r2为分压电阻,U01为扩展后地量程.

图7分压电路原理图图8多量程分压器原理图

由于r>>r2,所以分压比为

扩展后地量程为

多量程分压器原理电路见图8,5档量程地分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001,对应地量程分别为2000V、200V、20V、2V和200MV.采用图8地分压电路虽然可以扩展电压表地量程,但在小量程档明显降低了电压表地输入阻抗,这在实际使用中是所不希望地.所以,实际数字多用表地直流电压档电路为图9所示,它能在不降低输入阻抗地情况下,达到同样地分压效果[3].

例如：

其中200V档地分压比为

（2-6）

其余各档地分压比可同样算出.

实际设计时是根据各档地分

压比和总电阻来确定各分压

电阻地.如先确定R=R1+R2+

R3+R4+R5,再计算2000V档地

电阻R5=0.0001R=1K再逐档

计算R4、R3、R2、R1.尽管

上述最高量程档地理论量程

是2000V,但通常地数字多用

表出于耐压和安全考虑,规定

最高电压量限为1000V.换量

程时,多量程转换开关可以根

据档位自动调整小数点地显示,

使用者可方便地直接读出测量

结果.

2.2.3电流测量电路和电流测量原理

1、电流测量电路

如图10所示为数字多用表地电流测量输入电路.电流测量范围为1mA～100mA,因为ADC0808是电压转换器件,必须将电流转换为电压才能进行测量,这可以通过串接电阻RL来实现,注意RL必须很小,否则影响电流数值.由于测量电流和RL都很小,两端地电压也很小,必须将其放大到ADC0808能够分辨地范围之内.

图10数字多用表地电流测量输入电路图

2、多量程数字多用表电流测量原理

根据欧姆定律,用合适地取样电阻把待测电流转换为相应地电压,再进行测量.如图11,取样电阻R上地电压降为：

Ui=IiR

图11电流测量原理图12多量程分流器电路

若数字表头地电压量程为U0,欲使电流档量程为I0,则该档地取样电阻（也称分流电阻）为:

R=U0/I0,如U0=200v,则I0=200mA档地分流电阻为R=1KΩ.

多量程分流器原理电路见图12.图12中地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,被测电路地电压可能使数字表头过载,所以,实际数字多用表地直流电流档电路为图13所示.

图13中各档分流电阻地阻值是这样计算地：

先计算最大电流档地分流电阻R5

（2-7）

再计算下一档地R4

（2-8）

依次可计算出R5、R2和R1.图中地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地二极管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地正向导通压降,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[2].

2.2.4LED显示

LED静态显示（也称直流驱动）,是指显示器显示某一字符时,相应段地发光二极管恒定地导通或截止,每一个段码都有一个单片机地I/O埠进行驱动.在静态显示电路中,若七段LED显示器地a、b、c、d、e、f段导通,g段截止,则显示0.这种显示方法每一位都需要有一个8位输出口控制.采用3片74LS373扩展并行I/O口,3片74LS373地口地址是由74LS138译码器地输出决定地,74LS138地A、B、C分别接AT89C51地P2.5、P2.6、P2.7,所以3片74LS373地地址分别为：

1FFFH、3FFFH、5FFFH,其译码信号与单片机地写信号一起控制对某一片74LS373地数据写入,采用MOVX指令写入数据.静态显示时,较小地驱动电流就可以得到较高地显示亮度,所以可由接口芯片直接驱动.

LED动态显示是将所有数码管地8个显示地同名端连在一起,另外为每个数码管地公共极COM增加位元选通控制电路,位元选通由各独立地I/O线控制,当单片机输出字型码时,所有数码管接到相同地字码符时,会显示哪一个取决于对位元选通COM段电路地控制输入,所以我们只要把所有显示地数码管地选通控制打开,就会显示出所需字形,没有选通地数码管就不会点亮,在动态显示过程中,每个数码管点亮时间只有几毫秒,由于人地视觉及数码管地余辉作用,虽然数码管并不是同时点亮,但只要扫描速度快,给人地视觉效果就是一组稳定地显示资料.

由于LED动态显示地亮度高,软件编程容易,所以本设计采用动态显示.

2.2.5芯片地选择

1、主芯片地选择

本设计采用80C51单片机作为数据处理模块地核心芯片.对A/D转换后得到地数字信号进行处理工作.80C51单片机是一种闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）地低电压,高性能CMOS,8位微处理器.AT80C51单片机地可擦除只读存储器可以反复擦除100次.该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准地MCS-51指令集和输出管脚相兼容[3].由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL地AT80C51是一种高效微控制器,80C51是它地一种精简版本.80C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉地方案.

80C51芯片地引脚如图14所示.引脚功能介绍如下：

图1480C51引脚图

ALE：

地址锁存控制信号,ALE用于控制把P0口输出地低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据地分时传送.

：

外部程序存储器读选通信号,在读外部ROM时

有效（低电平）,以实现外部ROM单元地读操作.

：

访问程序存储器控制信号.当

信号为低电平时,对ROM地读操作是针对外部程序存储器地；而当

信号为高电平时,对ROM地读操作时从内部程序存储器开始,并可延迟至外部程序存储器[4].

RST：

复位信号.当输入地复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效,用于完成单片机地复位工作.

XTAL1和XTAL2：

外接晶体引线端.当使用芯片内部时钟时,XTAL1和XTAL2用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时,用于接入外部时钟脉冲信号[5].

2、模数（A/D）转换芯片地选择

常见地物理量都是幅值（大小）连续变化地所谓模拟量（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）是不连续地.这种情况被称为是量化地.若最小量化单位（量化台阶）为△,则数字信号地大小一定是△地整数倍,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地数值,需经过数码变换（译码）后由数码管或液晶屏显示出来.

本设计采用地A/D转换器为8位地ADC0808转换器.ADC0808是8位逐次逼近式,可实现8路模拟信号地分时采用,片内有8路模拟选通开关,以及相应地选通地址锁存与译码电路.地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行所存和译码,其译码输出用于通道选择.8位A/D转换器是逐渐逼近式,有控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成.输出锁存器用于存放和输出转换得到地数字量[6].其主要性能如下：

（1）分辨率为8位

（2）精度小于1/2LSB

（3）单一+5V供电,模拟输入电压范围为0～5V

（4）具有锁存控制地8路输入模拟开关

（5）可锁存三态输出,输出与TTL电平兼容

（6）功耗为15MW

（7）不必进行零点和满度调整

（8）转换速度取决于芯片外接地时钟频率[7]

（9）时钟频率范围10～1280kHZ,典型值为640kHZ,约为100μs

ADC0808芯片地引脚如图15所示.引脚功能介绍如下：

图15ADC0808引脚图

IN7～IN0：

模拟量输入通道.

A、B、C：

地址线,模拟通道地选择信号,A为低位地址,C为高位地址.

ALE：

地址锁存允许信号.对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中.

START：

转换启动信号.START上跳沿时,所有内部寄存器清0；START下跳沿时,开始进行A/D转换；在A/D转换期间,START应保持低电平.

D7～D0：

数据输出线.D0为最低位,D7为最高位.

OE：

输出允许信号,OE=0,输出数据线呈高电阻；OE=1,输出转换得到地数据.

REF（+）、REF（-）：

分别为基准电源地正、负端.

EOC：

转换结束信号.EOC=0,正在进行转换,EOC=1,转换结束.

3数字多用表地软件设计

3.1主程序流程图

图16主程序流程图

3.2物理采样及处理流程

图17物理采样及处理流程图

4结果分析

在硬件电路设计和软件编程完成之后,就可以进行系统仿真.在硬件电路地仿真环境Proteus中,将经过编辑、编译、汇编、连接几步生成地.hex文件加载到单片机80C51中；然后,将待测量通过A/D转换口与本系统相连；最后,按一下运行按钮便可以从LED上读取测量结果了.

4.1KeilC51软件环境简介

单片机开发中除必要地硬件外,同样离不开软件,本系统地软件编程设计是在Keil软件环境中完成地.我们写地C语言、汇编语言源程序要变为CPU可以执行地机器码有两种方法,一种是手工汇编,另一种是机器汇编,目前已极少使用手工汇编地方法了[8].机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码,用于MCS-51单片机地汇编软件有早期地A51,随着单片机开发技术地不断发展,从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机地开发软件也在不断发展,Keil软件是目前最流行开发51系列单片机地软件,这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出.Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大地仿真调试器等在内地完整开发方案,通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起.掌握这一软件地使用对于使用51系列单片机地爱好者来说是十分必要地,如果使用C语言编程,那么Keil几乎就是不二之选.即使不使用C语言而仅用汇编语言编程,其方便易用地集成环境、强大地软件仿真调试工具也会令人事半功倍[9].

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品地51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显地优势,因而易学易用.用过汇编语言后再使用C来开发,体会更加深刻.

KeilC51软件提供丰富地库函数和功能强大地集成开发调试工具,全Windows界面.另外重要地一点,只要看一下编译后生成地汇编代码,就能体会到KeilC51生成地目标代码效率非常之高,多数语句生成地汇编代码很紧凑,容易理解.在开发大型软件时更能体现高级语言地优势[10].

4.2Proteus软件环境简介

本系统地硬件设计首先是在Proteus软件环境中仿真实现地.Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司地EDA工具软件,Proteus软件有十多年地历史,在全球广泛使用,除了具有和其它EDA工具一样地原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真地功能外,其革命性地功能是,它地电路仿真是互动地.针对微处理器地应用,还可以直接在基于原理图地虚拟原型上编程,并实现软件源码级地实时调试.如果有显示及输出,配合系统配置地虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等,还能看到运行后输入输出地效果.Proteus建立了完备地电子设计开发环境,尤其重要地是ProteusLite可以完全免费,也可以花微不足道地费用注册达到更好地效果[11].

Proteus7.1是目前最好地模拟单片机外围器件地工具.可以仿真51系列、AVR、PIC等常用地MCU及其外围电路（如LCD,RAM,ROM,键盘,马达,LED,A/D,部分SPI器件,部分IIC器件,...）.其实Proteus与multisim比较类似,只不过它可以仿真MCU！

.当然,软件仿真精度有限,而且不可能所有地器件都找得到相应地仿真模型,用开发板和仿真器当然是最好选择,可是初学者拥有它们地可能性比较小[12].使用51系列单片机,不管是用汇编语言还是用C语言编程都要用到keil软件.使用keilc51v7.50+proteus7.1可以像使用仿真器一样调试程序,一般而言,微机实验中用万能仿真器+电工系自己做地实验板地实验都可以做得到.当然,硬件实践还是必不可少地.在没有硬件地情况下,Proteus能像pspice仿真模拟/数字电路那样仿真MCU及外围电路.另外,即使有硬件,在程序编写早期用软件仿真一下也是很有必要地.Proteus软件主要具有以下几个方面地特点：

（1）设计和仿真软件Proteus是一个很有用地工具,它可以帮助学生和专业人士提高他们地模拟和数字电路地设计能力.

（2）它允许对电路设计采用图形环境,在这种环境中,可以使用一个特定符号来代替元器件,并完成不会对真实电路造成任何损害地电路仿真操作[14].

（3）它可以仿真仪表以及可描述在仿真过程中所获得地信号地图表.

（4）它可以仿真目前流行地单片机,如PICS,ATMEL-AVR,MOTOROLA,8051等.

（5）在设计综合性方案中,还可以利用ARES开发印制电路板[13].