简易数字万用表的设计

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1、22013年江西省大学生电子设计简易数字万用表（C 题）2013年5月28日目 录摘 要0一设计任务1二系统方案2三理论分析与计算33.1器件的选择与比较33.2 测量电路的设计和分析33.2.1 模数(A/D)转换与数字显示电路33.2.2 多量程数字电压表原理33.2.3 多量程数字电流表原理43.2.4 电阻的测量原理53.2.5 电容测量原理5四电路设计与程序设计64.1 直流电压测量电路64.2 直流电流测量电路64.3 电阻测量电路74.4 测电容电路74.5 最小系统电路8五测试方案95.1 硬件调试91.测试仪器92.测试方法95.2 软件调试95.3 硬件软件联合调试9模块程

2、序设计法的主要优点是：95.4测试流程105.4.1 整体测试流程105.4.2电压测试流程105.4.3 电阻测量流程115.4.4 电流测试流程11参考文献1213摘 要本次设计用单片机芯片STC12C5A60S2设计一个数字万用表，能够测量直流电压值、直流电流、直流电阻以及电容和电感，四位数码显示。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、555振荡电路、51单片机最小系统、显示部分、AD转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体硬件更简单，本电路使用了STC12C5A60S2自带的AD，它单片机系统设计采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和11.059

3、2MHZ震荡电路，显示用四位数码管。程序每执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。关键字：数字万用表；单片机；AD转换一设计任务1.设计并制作一台支持直流电压、直流电流、电阻测量的数字万用表。2. 测量范围：直流电压0.1V-100V；直流电流10mA-500mA；电阻100-1M。3使用按键或者拨码开关进行测量类型选择，并用数码管显示器显示测量数值，发光二极管指示测量类型与单位。4. 测量精度：5%。二系统方案选用STC12C5A60S2单片机来制作数字万用表。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的

4、新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V- 3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V- 2.2V（3V单片机）3.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O

5、口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。4.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。5.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟。6.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒， INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1

6、.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)。7.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。三理论分析与计算3.1器件的选择与比较方案1.选用AT89S52和ADC0809芯片，通过ADC0809转换芯片来对电压的采集。方案2.选用STC12C5A60S2单片机，它有自带的 AD，操作起来硬件电路更方便。通过分析选择方案2.3.2 测量电路的设计和分析3.2.1 模数(A/D)转换与数字显示电路

7、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D，则数字信号的大小一定是D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)后由数码管显示出来。例如，设D=0.1mV，我们把被测电压U与D比较，看U是D的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N (二进制)。一般情况下，N1000即

8、可满足测量精度要求(量化误差1/1000=0.1%)。最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半(1 32 )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U的大小。如：U是 D (0.1mV)的1234倍，即N=1234，显示结果为123.4(mV)。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-199.9199.9mV的电压，显示精度为0.1mV。由上可见，数字测量仪表的核心是模数(A/D)转换、译码显示电路。A/D转换一般又可分为量化、编码两个步骤。3.2.2 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

9、)，可以扩展直流电压测量的量程。如图3.1所示，0U为电压表头的量程(如200mV)，r为其内阻(如10MW)，1r、2r为分压电阻，10U为扩展后的量程。图3.1 电压测量原理图由于rr2，所以分压比为：扩展后的量程为：3.2.3 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3.2，由于rR，取样电阻R上的电压降为：即被测的电流为：图 3.2 电流测量原理图若数字表头的电压量程为Uo，欲使电流档量程为Io，则该档的取样电阻(也称分流电 阻)为： 如Uo=200mV，则Io=200mA档的分流电阻为1R。3.2.4 电阻的测量

10、原理方案一: R/U转换测量法数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，给电路 提供一个基准电压，流过标准电阻Ro和被测电阻Rx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A/D转换器的参考电压Uref和输入电压Uin有如下关系：即：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。方案二：R/f转换测量法把电阻R转换成频率信号f ，转换的原理分别是RC振荡电路和555电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率，通过公式计算出各个电阻参数。然后根据所测

11、频率来判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把电阻的值送到显示部分显示出相应的参数值，利用编程实现量程自动转换公式为：T=0.693*R*C 。方案三：基于恒流源法的转换测量法该方法是给待测电阻提供一个恒定电流，利用单片机的A/D采集其两端的电压来确定其电阻值，方式为R=U/I。3.2.5 电容测量原理把电容C转换成频率信号f ，转换的原理分别是RC振荡电路和555电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率，通过公式计算出各个电阻参数。然后根据所测频率来判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把电阻的值送到显示

12、部分显示出相应的参数值，利用编程实现量程自动转换公式为：T=0.693*R*C四电路设计与程序设计4.1 直流电压测量电路图4.1 直流电压测量电路该电路功能为电压转换电路，主要功能是将较大的电压按一定比例转换成小电压（0-5v）再通过Vout将电压值转换成数字信号送到MCU处理并且显示出来（即达到测量电压的效果）。图中Vin：为被测电压正输入端；COM：为被测电压地；A、B、C为MCU的I/O控制端，通通过A、B、C三端电平组合状态可以切换被测电压范围（分别是0-5v、0-30v、0-125v、0-255v）。4.2 直流电流测量电路图4.2直流电流测量电路本电路功能是将被测直流电流或微直流

13、电流放大并且转换成电压输出。通过选择不同的电阻网络可以改变放大倍数。4.3 电阻测量电路图4.3 电阻测量电路图此电路通过测被测电阻两端的电压，然后将此电压与相应档位的电阻两端的电压的比值，MCU控制四个档位。4.4 测电容电路图 4.4 电容测量电路图通过T=0.693*R*C，得C=T/(0.693*R),在被测端接入被测电容，根据3脚输出的脉冲周期求出电容的大小。4.5 最小系统电路图 4.5 最小系统图五测试方案5.1 硬件调试测试仪器与方法1.测试仪器测试仪器包括数字万用表、直流稳压电源等。2.测试方法数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降等参数，以检测模块是否可行。软件KEIL

14、4用于调试软件。5.2 软件调试本程序较大且复杂，因此采用C语言编写，通过keil软件的不断调试修改，采自下而上的调试方法，先调试功能模块电路，再调试整个系统。在调试的过程中与硬件的调试相结合，提高了调试的效率。程序参考附录一。5.3 硬件软件联合调试当软件和硬件的基本功能分别调试后，进行软硬件联合调试及优化。在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个产生对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。

15、过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便；模块程序简单性为观察者带来方便。5.4测试流程5.4.1 整体测试流程图5.1 整体测试流程图5.4.2电压测试流程图5.2 电压测量流程图5.4.3 电阻测量流程图 5.3 电阻测量流程图5.4.4 电流测试流程图5.4 电流测试流程图5.5 测试结果5.5.2 电流测试结果 表 一待测电流测量电流误差10mA10mA050mA52mA4%100mA101mA1%参考文献1. 李昌喜 智能仪表原理与设计 化学工业出版社 2005年2月2. 林家儒 电子电路基础（第二版） 北京邮电大学出版社 2006年5月3. 郭天祥 51单片机C语言教程 电子工业出版社 4. 阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社 1998年12月5. 丁元杰 单片微机原理及应用 机械工业出版社 2005年7月6. 李昌喜 智能仪表原理与设计 化学工业出版社 2005年2月13