数字万用表的设计.docx
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数字万用表的设计
数字万用表的设计
单片机数字万用表的设计
一、引言
数字万用表是一种多用途电子测量仪器。
它采用数字化测量技术，把实际测量的模拟量，转化为离散的数字量进行输出显示，主要用于物理、电气、电子等测量领域，一般包含电流表（安培计）、电压表（伏特计）、电阻表（欧姆计）等功能，也称为万用计、多用计、多用电表或万用电表。
万用表是电子和电气技术领域必备的测量仪器，用于测量电子电路中的各种物理量（电压、电流、电阻等），常作为基本故障诊断的便携式装置，也有放置在工厂或实验室工作台上作为桌上型装置。
有的万用电表分辨率能达到七、八位数，常用在实验室，作为电压或电阻的基准，或用来调校多功能标准器的性能。
相比传统的指针式万用表，数字万用表具有以下的主要优点：
（1）数字显示直观准确，无视觉误差，读数准确；
（2）测量精度和分辨率都很高；
（3）输入阻抗高，减少对被测电路的工作影响；
（4）电路集成度高，便于组装和维修；
（5）测量功能齐全，测量速率快；
（6）保护功能齐全，有过压、过流保护电路；
（7）功耗低，抗干扰能力强；
（8）便于携带，使用方便。
本次设计的任务是制作一个数字万用表，可实现如下的功能及要求：
（1）可以测量直流电压、直流电流和电阻；
（2）能将测量得到的数值直观、准确地显示出来，并标明相应的单位；
（3）具有超量程时的报警提示。
二、系统硬件分析与设计
数字万用表的基本功能是，能够测量直流电压、电流以及电阻的阻值，数字万用表的基本组成由图1所示，其中，模数转换是数字万用表的核心：
图1.数字万用表的基本原理图
如图2所示，本设计将由以下几大部分组成。
包括：
复位电路、震荡电路、A/D转换和控制、测量值输出、超量程报警和档位选择。
其中，复位电路用于单片机上电复位使系统清零；震荡电路为单片机提供精确的时钟频率，使电路工作更加稳定；A/D转换和控制部分负责模数转换及输入输出信号的控制；测量值输出则负责显示待测物理量大小的数值；超量程报警用于超出量程范围时的报警提示，提醒使用者更换量程。
图2.硬件系统总体设计框图
1、STC的89C52单片机的特点及功能介绍
（1）89C52单片机的主要特点及功能特性
89C52是一款低电压，高性能的8位CMOS型单片机，片内有8k字节以Flash闪存为介质的，能擦写的只读程序存储器及256字节的随机存取数据存储器。
89C52型单片机仍属于51单片机家族群，都支持一个共同的指令集（MSC-51），但各自拥有不同的存储器容量及端口设置等内置资源，使其更符合成本效益的需要，满足特定的场合的生产需求。
该单片机在嵌入式控制应用系统中有着广泛的应用。
89C52具有以下几个主要特点：
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-OnlyMemory）；
c．4组共32个双向I/O口；
d．256×8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（UniversalAsynchronousReceiver/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
图4.89C52单片机引脚图
下面介绍89C52单片机引脚主要功能：
4组I/O口
P0口：
一组8位漏极开路的准双向并行I/O口，扩展片外存储时的地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能驱动8个LS型TTL负载，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
P0口与其他几组I/O口的最大区别是其内部不带有上拉电阻。
P1口：
是一组带内置上拉电阻的8位双向并行I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL负载。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉至高电平后，可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，引脚被外部信号拉低时会输出电流。
另外，P1的P1.0和P1.1口存在第二功能，见下表。
表1.P1口的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时/计数器2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数器2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P2口：
是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O并行口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL负载。
作输入及输出口时，情况与P1口相似。
扩展片外存储时，作为低8位地址总线口。
P3口：
是一组带有内部上拉电阻的8位双向并行I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动4个TTL负载。
作为输入及输出口时，情况与P1口相似。
P3口还能接收一些用于Flash存储器编程和程序校验的控制信号。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，见表2。
其他引脚
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
EA/VPP：
外部访问允许。
要让CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必需保持低电平（或接地）。
当EA端为高电平（接Vcc端）时，CPU会执行内部程序存储器中的指令。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
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
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写有效）
P3.7
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Δ，那么数字信号的大小一定为Δ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
图6.PCF8591的引脚图
图6所示为PCF8591的引脚图。
AIN0～AIN3：
模拟信号输入端；
A0～A2：
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。
待测模拟量从AIN0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0Ω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，Vo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10MΩ，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1kΩ，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。
同理可计算出其他档位的满量程电流分别为20mA、200mA、2A。
图11.电流衰减电路原理图
如图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
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，VDZ1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）。
VT1、VT2、VDZ1组成恒流源，保持V3的值恒定不变。
V3的值等于V1电压减去VDZ1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2.8V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：
2.2kΩ、22kΩ、220kΩ、2MΩ。
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VT3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R13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2kΩ，R21分支为20kΩ。
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（UniversalSerialBus）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，P1.4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
图18.开关及量程选择部分原理图
如图18所示，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。
8、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19.软件总流程图
Y
图20.电压测量流程图
图21.电流测量流程图
开始
电阻量程选择
选择2kΩ档位
选择20kΩ档位
结束
是否超过2k?
N
Y
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。
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1.8A时（2A电流档），系统测量后，液晶显示输出为1.8A。
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1.5kΩ时（2kΩ欧姆档），系统测量后，液晶显示输出阻值为1.39kΩ。
图27.2kΩ电阻表仿真图
如图28所示，当接入的电阻阻值为15kΩ时（20kΩ欧姆档），系统测量后，液晶显示输出阻值为13.9kΩ。
图28.20kΩ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，上层为红色走线，底层为蓝色走线。
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（%）
0.15
0.15
0
0.55
0.51
-7.3
1.00
0.97
-3
1.50
1.50
0.0
1.70
1.70
0.0
1.90
1.86
-2.1
3.30
3.52
+6.7
5.00
4.98
-0.4
7.55
7.60
+0.7
9.50
9.68
+1.9
12.50
12.37
-1.0
15.0
14.75
-1.7
表4.电流测量数据
稳压源输出值（mA）
测量值（mA）
误差（%）
55
56
+1.8
70
72
+2.9
80
81
+1.3
120
119
-0.8
180
193
+3.9
表5.电阻测量数据
标称值（kΩ）
测量值（kΩ）
误差（%）
1
0.92
-8.0
2
1.95
-2.5
2.7
2.54
-5.9
3.3
3.1
-6.1
4.7
4.56
-3.0
10
9.18
-8.2
13.3
12.9
-3.0
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20kΩ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。
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
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