基于单片机的数字万用表的设计.doc

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本科毕业设计

基于单片机的数字万用表的设计

摘要

本设计是基于51单片机的数字万用表，可用于测量直流电压、直流电压及电阻，并使用1602液晶进行显示。

本系统由分压电阻、分流电阻、电阻-电压变换电路、单片机最小系统、液晶显示器、报警器、模数转换器及等部分组成。

本系统采用STC公司的89C52单片机作为主控芯片，PCF8591作为模数转换芯片。

主控芯片与模数转换芯片之间使用I2C总线进行数据通讯，大大地简化了硬件线路，提高系统的稳定性及测量准确度。

从电源获取的电压或电流信号，通过衰减电阻进行衰减后，进入模数转换器的模拟输入端，而待测电阻则通过电阻-电压变换电路，把阻值转化为电压值进行测量。

模数转换器进行转换之后，得到的数字编码通过I2C总线送回单片机。

单片机对数据进行一定的处理后，测量结果由1602液晶显示器负责输出。

本次设计的数字万用表共分为6个档位，分别是2V电压、20V电压、200mA电流、2A电流、2kΩ电阻、20kΩ电阻，超出量程时会自动使用蜂鸣器进行报警提示。

本系统程序执行周期耗时较短，保证了系统的响应速度。

经过初步调试，本系统能较准确的测量量程范围内的电压及电流值，误差范围均在8%以内，而电阻值测量的误差值稍大，误差范围在8.2%以内。

另外，本文详细地介绍了89C52型单片机及PCF8591模数转换芯片的基本功能及性能特征，并叙述了数字万用表测量电压、电流及电阻的基本原理。

关键词：

数字万用表89C52单片机模数转换

DigitalMulti-meterBasedonSCM

LuoJiawei

（CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China）

Abstract:

Thisdesignisadigitalmulti-meterbasedon51SCM（Single-ChipComputer）,whichcanbeusedtomeasureDC（DirectCurrent）voltage,DCvoltageandresistanceanddisplayswitha1602LCD（LiquidCrystalDisplay）.Thesystemconsistsofdividingresistors,shuntresistors,theresistor-to-voltageconvertingcircuit,thesmallestSCMsystem,LCD,alarm,analog-to-digitalconverterandothercomponents.ThesystemusesSTC's89C52SCMasthemasterchipandPCF8591astheanalog-to-digitalconversionchip.TheyusetheI2Cbustocommunicatewitheachother,whichcanlargelysimplifyhardwarecircuitsandimprovethestabilityandaccuracyofmeasurement.Thesystemcapturesthevoltageorcurrentsignalfromapowersupplyandthesignalwillbeattenuatedbydividingresistorsorshuntresistors,beforeitenteringtotheanaloginputterminaloftheanalog-to-digitalconverter.Still,thevalueofresistorsismeasurediscarriedoutbytheresistor-to-voltageconvertingcircuitwhereresistors'valuewillbetransformingtovoltage.Aftertheanalog-to-digitalconverterfinishingtransformation,itsendsbackthedigitalencodingdatatoSCMthroughI2Cbus.Then,theSCMwillprocessthedataandoutputtheresultsofmeasurementbya1602LCD.Thedesignofdigitalmulti-meterisdividedintosixstallswhichare2Vvoltage,20Vvoltage,200mAcurrent,2Acurrent,2kresistorand20kresistor.Theresultsofmeasurementwillbeoutputtedby1602LCDandthebuzzerwillautomaticallyalarmwhensomethingoutofrangehappened.Theprogramexecutioncycleofthissystemtakeslesstimetoensurethattheresponsespeedofthesystem.Afterinitialdebugging,thesystemcanbeaccuratelymeasurevoltageandcurrentvalueintherange,withtheerrorrangelessthan8%,whilemeasurementofresistancehasaslightlylargererrorrange,lessthan8.2%.Inaddition,thispaperalsodescribesthebasicfunctionsandperformancecharacteristicsofthe89C52SCMandthePCF8591analog-to-digitalconversionchip,aswellasadescriptionofthebasicprinciplesofdigitalmulti-metertomeasurevoltage,currentandresistors.

Keywords:

DigitalMulti-meter89C52SCMA/Dconversion

目录

1前言 1

1.1课题的提出 1

1.2研究的意义 1

1.3设计的任务 1

2总体方案确定 1

2.1方案比较及选择 1

2.1.1模数转换芯片方案 1

2.1.2显示器方案 4

2.2确定设计方案 5

3系统硬件分析及设计 5

3.1数字万用表的基本原理 5

3.1.1模数转换及显示电路原理 5

3.1.2多量程数字电压表原理 6

3.1.3多量程数字电流表原理 6

3.1.4电阻测量原理 7

3.2硬件系统总体设计框图 8

3.3硬件电路所用芯片及元件介绍 8

3.3.1STC的89C52型单片机 8

3.3.2PCF8591模数及数模转换芯片 12

3.3.3LCD1602液晶显示器 13

3.4硬件电路设计 14

3.4.1电源部分 14

3.4.2电压衰减电路 14

3.4.3电流衰减电路 15

3.4.4电阻-电压变换电路 15

3.4.5模数转换部分 16

3.4.6报警提示部分 16

3.4.7单片机最小系统 17

3.4.8显示输出部分 17

3.4.9开关及量程选择部分 18

3.4.10整体硬件电路 18

3.5电路工作过程描述 19

4系统软件设计 19

4.1C语言概述 19

4.2软件设计思路 19

4.3程序流程图 20

4.3.1系统软件总流程图 20

4.3.2电压测量流程图 20

4.3.3电流测量流程图 21

4.3.4电阻测量流程图 21

5测试及实验分析 22

5.1电路功能仿真 22

5.1.1数字电压表功能仿真 22

5.1.2数字电流表功能仿真 23

5.1.3数字欧姆表功能仿真 24

5.2PCB布线图 25

5.3PCB制板成品图 25

5.4成品外观 25

5.5测试数据 26

5.5.1直流电压测量数据 26

5.5.2直流电流测量数据 27

5.5.3电阻测量数据 27

6结论 27

参考文献 29

附录 30

致谢 31

华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表

I

1前言

1.1课题的提出

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。

1.2研究的意义

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（李明生，2007）；

（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。

1.3设计的任务

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。

2总体方案确定

2.1方案比较及选择

2.1.1模数转换芯片方案

方案一：

积分型模数转换芯片

积分型模数转换器又称双斜率或多斜率数据转换器，是典型的双斜率转换器。

积分型转换器包含两个主要的转换步骤：

前端的电路负责输入模拟电压的采样和量化，产生一个在时域上间隔的的脉冲序列，然后将脉冲输入计数器并转换为数字进行输出。

积分型转换器由一个可进行输入通道切换的模拟积分器、一个比较器及一个计数器组成。

在一个固定的时间间隔内，积分器对输入电压信号进行积分。

定时时间到后，计数器被复位并将其输入连接到反向极性的基准电压端上。

由于反极性信号中的作用，积分器会进行反向积分，直到输出为零，使计数器中止工作复位积分器。

积分型模数转换器的精度可以达到很高，有效抑制高频噪声和固定的低频干扰，适合在嘈杂的工业环境及对转换速率要求较低的场合下使用。

图1所示为双积分型模数转换器的原理框图。

图1积分型模数转换器原理框图

方案二：

逐次比较（逼近）型模数芯片

逐次比较型转换器包含一个比较器、一个数模转换器、一个数码寄存器和一个电路控制单元。

转换时的逐次逼近是按对分原理，由控制电路完成的。

在逻辑控制电路产生的时钟信号驱动下，数码寄存器不断进行比较和移位操作，直至完成全部有效位的转换。

此时数码寄存器的各位的值都已确定，转换步骤完成。

由于逐次逼近型模数转换器在单个时钟周期内只能完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期，因此这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。

图2所示为逐次比较型模数转换器的原理框图。

图2逐次比较型模数转换器原理框图

方案三：

并联比较型模数芯片

并联比较型模数转换器由电阻分压器、电压比较器及编码电路组成，输出的各位数码是一次形成的，它是转换速度最快的一种模数转换器。

图3所示为并联比较型模数转换器的原理框图。

图3并联比较型模数转换器原理框图

图3中，8个大小相等的电阻串联构成电阻分压器，产生不同数值的参考电压，共形成共7种量化电平。

7个量化电平分别加在7个电压比较器的反相输入端，模拟输入电压加在比较器的同相输入端。

当模拟输入电压大于或等于量化电平时，比较器输出为1，否则输出为0，电压比较器用来完成对采样电压的量化。

并联比较型模数转换器转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越精细，精度越高。

这种转换器的最大优点是具有较快的转换速度，但所用的比较器及其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路将越复杂。

由此可知，该类型的模数转换器适用于高速度、低精度要求的场合。

方案选择：

三个方案相比较，方案一中的积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，难以满足本系统的实时性要求。

与方案一和方案二相比，方案三中的并联型模数转换器转换速度更高，但是当精度要求较高时，转换电路将变得复杂且成本较高，因此，选择方案二的逐次比较型模数转换器，拥有中等的转换速度，且可以达到一定的精度水平。

2.1.2显示器方案

方案一：

LED（LightEmittingDiode）数码管显示器

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形，并加上小数点共八个发光二极管构成。

这些发光二极管构成段，当特定的段被加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们能看到的字样。

LED数码管通常能够显示的数字和字母有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

LED数码管的驱动形式通常分为静态式和动态式两类：

（1）静态驱动也称直流驱动，是指每个数码管的每一个段码，都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用BCD码的二-十进位器进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，但缺点也比较明显，占的用I/O口很多，耗费了单片机的资源并增加了硬体电路的复杂性。

（2）动态驱动是将所有数码管的各个显示段的同名端相连，另外为每个数码管的公共端增加位选通电路。

使用时，控制电路根据数码管选取的不同，在特定的位置上显示字符。

透过分时技术轮流地控制每个数码管，使各个数码管轮流进行发光显示，由于人眼的视觉残留现象及LED的余辉效应，会出现各个位上的数码管在同时显示的假象。

相比静态驱动，动态驱动节省单片机的I/O口，硬件电路更加简化，但显示亮度会明显降低且可能有闪烁感。

方案二：

1602液晶显示器

1602液晶显示器是一个两行每行16个5×7点阵字符的微型液晶显示器，可以显示较多ASCII标准的字符。

1602液晶只有16个引脚，仅包含必要的数据线及数根控制线。

1602液晶显示的不需要占用单片机大量的扫描时间，而仅在需要显示的时候调用液晶的控制子函数即可。

而且1602液晶可以通过ASCII码来显示字符，并在内部集成了存储160个字符ASCII码的寄存器，可以直接显示ASCII码表示的字符。

而且液晶能比数码管显示更多的字符，增强了系统显示输出的可读性和直观性。

方案选择：

与方案二相比，方案一中的数码管，虽然成本较低，但是耗费大量的单片机资源，不利于后续系统的设计。

而且液晶显示的视觉效果和可读性远优于数码管，且节省单片机资源，因此选择方案二。

2.2确定设计方案

经过了上述的比较，最终的方案是：

使用逐次比较型模数转换芯片，获取系统良好的实时性及相对高的精度；使用1602液晶作为数据输出显示器，提高系统的人机交互方面的友好性。

3系统硬件分析及设计

3.1数字万用表的基本原理

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4所示，其中，模数转换是数字万用表的核心（杨建平，2004）：

小数点驱动

（根据物理量和量程）

数值显示屏（数码管或液晶）

基准电压

数模转换，数值输出

基准电阻

分压器

分流器

过压过流保护

过压过流保护

译码驱动

被测量信号

图4数字万用表的基本原理图

3.1.1模数转换及显示电路原理

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（王兴亮等，2009）。

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。

3.1.2多量程数字电压表原理

图5分压电路的原理

如图5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（杨刚等，2009）。

3.1.3多量程数字电流表原理

图6分流电路的原理

如图6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。

3.1.4电阻测量原理

图7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。

3.2硬件系统总体设计框图

如图8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。

复位电路

震荡电路

A/D输入

测量值显示

超量程报警

A/D使能

主控单元

图8硬件系统总体设计框图

3.3硬件电路所用芯片及元件介绍

3.3.1STC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（DavidCalcuttetal,2004）。

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：

1．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。

2．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。

3．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（王卫星，2009）。

4．内部功能较强：

单片机有着各种的内部资源，功能强大。

5．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：

1．兼容标准的MCS-51的指令系统；

2．内置8k字节可擦写的闪存ROM（Read-OnlyMemory）；

3．4组共32个双向I/O口；

4．256×8位大小的内部RAM；

5．3个16位可编程定时/计数器中断；

6．支持3.5-12/24/33MHz多种时钟频率；

7．1个全双工可编程的UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitte）串行口；

8．6个中断源，4级优先级中断结构；

9．2个W/R（Write/Read）读写中断口，3级加密位；

10．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；

11．有PDIP及PLCC两种封装形式。

（2）89C52单片机的引脚功能

图989C52单片机微架构图

图1089C52单片机引脚图

下面介绍89C52单片机引脚主要功能：

1．4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