毕业设计（论文）-基于单片机的多功能数字测量仪

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1、长春理工大学本科毕业设计编号 本科生毕业设计基于单片机的多功能数字测量仪Design of Digital MultipurposeMeter Based on Single Chip Microcomputer学 生 姓 名 专 业 电气工程及其自动化学 号 指 导 教 师 学 院 电子信息工程学院2015年6月毕业设计（论文）原创承诺书 1.本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）基于单片机的多功能数字测量仪，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。 2本人在毕业设计（论文）中引用他

2、人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。 3.在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。 4.本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月日摘 要本次设计用单片机芯片AT89S52设计一个多功能数字测量仪，实现电

3、压、电流、电阻、温度等测量，并配有计时功能，具有按键与显示功能。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、单片机最小系统、显示部分、报警部分、A/D转换和控制等部分组成。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，显示采用LCD1602液晶显示屏，程序每次执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。温度的测量则采用温度传感器DS18B20来完成。本次设计会通过硬件和软件两个方面的实现来展开。关键词： 多功能数字测量仪 AD转换与控制 AT89S52Abstr

4、act This design used to design a digital multipurpose meter, with chip AT89S52 of one-chip computer, it can measure voltage,current,resistance,the temperature and so on, and it is equipped with timing function,with buttons and display function.This system is made up of shunted resistance, resistance

5、 of partial pressure, basic resistance, minimum system of 52 one-chip computers, shown that some , warning part , AD change and control.In order to make the system more stable , and to make the whole precision of the system will be ensured, this circuit has used AD0809 data to change the chip, the o

6、ne-chip computer system is designed to adopt AT89S52 one-chip computer as the master chip, together with the RC power-on reset circuit and 11.0592MHZ oscillator circuit, shown with LCD1602 screens. Each execution cycle time-consuming process reduced to a minimum, thus ensuring that the system in rea

7、l time，the measurement of the temperature is adopted DS18B20 to complete.This design will be through the two aspects of hardware and software implementation.Key words: Digital multipurpose meter；AD changes and controls；AT89S52 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1多功能数字测量仪的设计目的和意义11.2国内外研究现状11.3多功能数字测量仪的特点21.4

8、多功能数字仪的发展趋势31.5本设计的任务4第2章 总体设计方案及选用芯片介绍52.1总体设计方案52.2芯片的选择及介绍6 2.2.1 AT89S52芯片的介绍62.2.2 ADC0809芯片的介绍82.2.3 DS18B20芯片的介绍92.2.4 LCD1602液晶显示器介绍11第3章 多功能数字测量仪硬件设计123.1电路工作过程描述123.2系统各部分实现方法123.2.1电源电路123.2.2输入端子133.2.3直流电流测量电路133.2.4直流电压测量电路153.2.5电阻测量电路183.2.6温度测量电路193.2.7交直流转换电路203.2.8模数转换电路213.2.9报警电

9、路223.2.10显示电路223.2.11单片机最小系统233.2.12选择开关和按键23第4章 多功能数字测量仪软件设计254.1系统设计目标254.2 C语言概述254.3软件设计思路264.4系统模块设计284.4.1初始化模块284.4.2 A/D数据采集和转换模块294.4.3数据处理模块304.4.4按键模块314.4.5显示模块324.4.6计时模块334.5量程选择框图34总结35参考文献36致谢37附录38附录138附录2 39 IV 第1章 绪论 本章将介绍多功能数字测量仪的设计目的和意义，结合国内外研究现状，深入研究和了解多功能数字测量仪的特点，对本次设计的内容有一定程度

10、的了解，为后续的设计打下一定的基础。 1.1多功能数字测量仪的设计目的和意义传统的指针式多功能仪表单一精度低，不能满足数字化时代的需求，而数字多功能测量仪表则具有精度高、输入快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、可扩展性强、集成方便、抗干扰能力强、测量自动化程度高等优点，因而被广泛应用，得到工程师的青睐。数字多功能测量仪表是利用模数转换原理，将被测数据转化为数字量，并将测量结果以数字的形式显示出来的一种测量仪表。数字多功能测量仪表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域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领域，显示出强大的生命力。多功能数字测量

11、仪表作为电子测试领域不可缺少的产品之一，已随着时代科技的进步，把电量及非电量的测量技术提高到了崭新水品。 1.2国内外研究现状多功能数字测量仪表是在20世纪60年代问世的，而我国的多功能数字测量仪表起步于20世纪70年代中期，先后经历了引进、发展、技术创新3个阶段，目前，我国每年生产大量的中低档多功能数字测量仪表，并向100多个国家大量出口，然而我国所需的高档多功能数测量仪表以进口为主，随着大规模集成电路构成的单片机多功能数字测量仪表和高档智能多功能数字测量仪表的问世，标志着电子测量领域的迅速发展。现在，多功能数字测量仪表已成为主流，有取代模拟式仪表的趋势，与模拟式仪表相比，数字式仪表灵敏度高

12、、准确度高、显示清晰、过载能力强、便于携带、使用简单等优点。目前电子行业具有很高的发展速度，测试测量仪器更是走在行业的尖端，便携式高精度仪器更是发挥了巨大的作用，并且显示了无比的潜力。当今多功能数字测量仪表种类繁多，型号各异而且多样化。按量程转换方式可分为手动、自动量程和手动/自动量程：按用途及功能分为低档、中档、智能和双显示及多重显示多功能数字测量仪表，其中中档和智能数字仪表又具有多种分类，现如今，已形成普通式、单片式和智能式多功能数字仪表。且市场上已形成多功能数字仪表的专用集成电路，如：A/D转换器芯片、电源集成电路、数字/模拟条图双显示多功能数字仪表集成电路、带微处理器和串行接口的高精度

13、多功能数字测量仪表集成电路等。由于科学的进步，社会的发展，电子产业也会发展到一个新的阶段，电子技术的提高在一定程度上代表了一个国家的整体实力，高精尖的电子产品更新换代的周期越来越短，每一款电子产品的设计生产都需要更精密的电子测量仪与子相配合，这样我们就需要更为先进的测量仪表来为电子产品的开发提供支持，所以，精密的测量仪器将是电子行业发展的重中之重。 1.3多功能数字测量仪的特点数字多功能测量仪，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。传统的指针式多功能仪表功能单精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片的多功能数字测量仪，精度高、抗干扰能力强，可扩

14、展尾强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的多功能数字测量仪，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。多功能数字测量仪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，新型的手持式多功能数字测量仪已普遍采用字高为26mm的大屏幕LCD。有些多功能数字测量仪表还增加了背光源，以便于夜间观察读数。（2）显示位数多多功能数字测量仪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。多功能数字测量仪表的准确

15、度远优于传统的指针的多功能仪表。（4）分辨力高多功能数字测量仪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）测试功能强多功能数字测量仪表可以测量直流电压（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、等等。新型多功能数字测量仪表大多增加了下述测试功能：读数保持（HOLD）、逻辑（LOGIC）测试等等。（6）测量范围宽多功能数字测量仪表可满足常规电子测量的需要。多功能数字测量仪表的测量范围更宽。（7）测量速率快多功能数字测量仪表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量

16、速率，单位是“次/秒”。它主要取决于A/D转换器的转换速率。一般多功能数字测量仪表的测量速率为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。多功能数字测量仪表可满足不同用户对测量速率的需要。（8）输入阻抗高多功能数字测量仪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，功耗低新型多功能数字测量仪表普遍采用CMOS大规模集成电路的A/D转换器，整机功耗很低，3位半，4位半手持式多功能数字测量仪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

17、力强多功能数字测量仪表具有比较完善的保护电路，过载能力强，新型多功能数字测量仪表还增加了高压保护器件，能防止浪涌电压。 1.4多功能数字仪的发展趋势随着单片机技术和多功能数字测量仪技术的发展，未来多功能数字测量仪的发展有以下几点的发展趋势： （1）广泛采用新技术和新工艺，不断开发新产品， 电子技术的进步，就能推动着多功能数字仪表的研制，新技术和新工艺的应用将被越来越广泛的应用，进一步实现小型化、复合化、精度高及可靠性高等。 （2）多重显示仪表。“数字/模拟条图”双显示仪表已成为国际主流，它兼有数字仪表准确度高，模拟使仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势这两大优点，多重显示仪表是在双显示仪表基

18、础上发展起来的，此类仪表同时显示3组或3组以上的相关数据。 （3）安全性。仪器仪表的安全性对于生产对于生产厂家和用户都至关重要，一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准：另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警示。仪表的保护电路在于最大限度的减小和防止因误操作而造成的危害，将高电压或大电流输入到未加适当保护的仪表，会产生电弧，电火花，容易使仪表损坏甚至危及人身安全，所以国内外厂家对于安全性愈来愈重视。 （4）操作简单化。手持式仪表的操作日趋简单，单刀操作，单按钮手动量程是优先选择的方案之一，自动量程的操作键也不断在减少。为了便于单手操作，福鲁克公司采用一只定时功能的

19、按钮，根据按下时间的长短，可以先择不同的功能，并能产生声、光提示信号。 （5）VXI总线仪器系统。VXI是一种新型测量仪器的标准总线，VXI总线仪器系统则是面向21世纪的高科技产品，它的问世给电子测量领域带来了一场具有巨大历史意义的革命。VXI总线及测量系统于80年代末问世，并逐步实现了全球标准化，我国90年代初开始引进，现在已能自行开发主机箱和多种功能模块，并研制成不同用途的综合测试仿真系统，自动测试系统等。 1.5本设计的任务 本次设计的任务是设计一个多功能数字测量仪，根据设计任务要求，通过分块设计的方法，对硬件和软件分别进行设计，可实现如下的功能及要求：（1）完成系统的方案设计；（2）完

20、成系统的硬件设计；（3）完成系统的软件设计；（4）可以实现电压、电流、电阻、温度的测量；（5）具有按键、显示、计时和报警功能。第2章 总体设计方案及选用芯片介绍 2.1总体设计方案 本系统是由微控制器最小系统、显示部分、报警部分、量程选择电路（由分流电阻、分压电阻、基准电阻组成）、A/D转换电路和控制等部分组成。本次设计拟用单片机AT89S52、ADC0809、DS18B20以及LCD1602液晶显示器设计一个多功能数字测量仪表，配合分流电阻、分压电阻、基准电阻可以实现电压值、电流值、电阻和温度等的测量，并配有按键、计时和液晶显示功能。基于设计要求，本次设计可实现四级量程的电压测量，其量程范围

21、是200mV,2V,20V和200V；实现四级量程的电流测量，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200,2K,20K和200K.；能实现温度的测量 55+125的测量，并且有超出量程的情况发生时，蜂鸣器发声报警。被测信号电压、电流、电阻单片机最小系统主要完成单片机和其他外围电路的连接，通过程序的运行完成单片机对所测的电流、电压、电阻、温度等进行处理和显示；增益放大电路主要是采集并放大被测信号；A/D转换电路将采样放大电路送来的模拟信号转换成数字信号输入单片机，由显示电路对被测信号进行数字显示；按键输入电路进行物理量、量程、交直流的选择以及计时，

22、当被测信号超过所选量程时进行报警。因此，可将整个设计过程分为硬件和软件来完成，按照需求设计多功能数字测量仪表：先按照硬件需求，研究硬件实现的框架结构和模块划分，再对软件设计进行分块设计。下图是多功能数字测量仪表的系统总体设计图2-1： 通道选择与整形 增益放大 AD转换器 按键输入微控制器最小系统 温度测量信号 液晶显示超限报警 图2-1 多功能数字测量仪系统总体设计图 2.2芯片的选择及介绍2.2.1 AT89S52芯片的介绍 （1）AT89S52引脚框图： 图2-2 AT89S52芯片引脚图 （2）AT89S52 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Fla

23、sh 存储器3）1000 次擦写周期 4）全静态操作：0Hz33Hz5）三级加密程序存储器6）32 个可编程I/O 口线7）三个16 位定时器/计数器 8）多个中断源9）全双工UART 串行通道 10）低功耗空闲和掉电模式 11）掉电后中断可唤醒 12）看门狗定时器 13）双数据指针 14）掉电标识符 （3）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 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

24、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有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 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。RST: 复位输入。晶振工作时，

25、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。ALE/：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（）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。这个ALE 使能标志位

26、（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。: 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，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，该引脚将不被激活。/VPP: 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，必须接GND，为了执行内部程序指令，应该接VCC，在flash编程期间，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。 2.2.2 ADC0809芯片的介绍ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以

27、及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 （1）ADC0809的内部逻辑结构 图2-3 ADC0809的内部逻辑结构 上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D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A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D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2-4 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05

28、V，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。 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A/D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A/D

29、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， V（），VREF（）为参考电压输入。 ADC0809应用说明： 1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 2） 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 3） 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 4） 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5） 是否转换完毕，我们根

30、据EOC信号来判断。 6） 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 2.2.3 DS18B20芯片的介绍 （1）DS18B20测温原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3-5所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号

31、进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。斜率累加器比较预置LSB置位/清除预置计数器1低温度系数晶振加1=0温度寄存器计数器2 高温度系数晶振停止=0 图2-5 DS18B20的测温原理图（2）DS18B20的引脚结构 图2-6 DS18B20的引脚结构图 （3）DS18B20的技术性能描述 1）采用单总线技术，与单片机通

32、信只需要一根I/O线，在一根线上可以挂接多个DS18B20。 2）每只DS18B20具有一个独有的，不可修改的64位序列号，根据序列号访问相应的器件。 3）低压供电，电源范围从3.05.5V，可以本地供电，也可以直接从数据线窃取电源（寄生电源方式）。 4）测温范围为-55+125，在-10+85范围内误差为0.5。 5）可编辑数据为912位，转换12位温度时间为750ms（最大）。 6）用户可自设定报警上下限温度。 7）报警搜索命令可识别和寻址超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。 8）DS18B20的分辨率由用户通过EEPROM设置为912位。 9）DS18B20可将检测到温度值直接转化为

33、数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。 10）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因为发热而烧毁，只是不能正常工作。 2.2.4 LCD1602液晶显示器介绍 （1）LCD1602液晶显示器的基本特征 LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示1602共32个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，目前市面上的1602液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，其控制原理是完全相同，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于大部分1602字符型液晶。 （2）LCD1602液晶显示器的引脚功能 LCD1602液晶

34、显示器的引脚功能如表2-1所示，引脚结构图2-7。表2-1 1602液晶显示器的引脚功能引脚符号 功能引脚符号功能 1VSS电源地 9D2数据I/O口 2VCC电源正极 10D3数据I/O口 3VO液晶显示偏压信号 11D4数据I/O口 4RS数据/命令选择端（H/L） 12D5数据I/O口 5R/W读/写选择（H/L） 13D6数据I/O口 6E使能信号 14D7数据I/O口 7D0数据I/O口 15BLA液晶背光源正极 8D1数据I/O口 16BLK液晶背光源负极 图2-7 LCD1602引脚结构图第3章 多功能数字测量仪硬件设计本章将对多功能数字测量仪的硬件进行研究，通过对电路的工作过程

35、进行简单的描述，根据功能对其进行模块的划分，进行硬件的设计，完成整体电路原理图的绘制，整体原理图见附录1。 3.1电路工作过程描述根据本次设计要求实现的功能，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。通过按按键选取要测量的信号（电压、温度、电流、电阻和时间），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。单片机通过控制ADC0809芯片，完成A/D转换，通过P0口将转换得到的数字信号送入单片机。单片机根据按键，确定所选档位和量程对数据进行处理后，送至LCD1602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

36、测量。 3.2系统各部分实现方法 3.2.1电源电路为了满足在绝大多数情况下都能正常使用，本次设计采用220V的交流电压作为供电电源，再通过变压、整流、滤波以及三端稳压器得到+5V电压源，电路如下图。图3-1电源电路在图3.1的电路里稳压器7805的压降是2.5V，偏移电流是6mA，我们需要的电压是5V，电路提供的电压是9V，则电阻承担的电压为1.5V，由此得 R=U/I=(9-5-2.5)V/6mA=200 （3-1）3.2.2输入端子 图3-2 多功能数字测量仪输入端被测量的信号通过输入端子经过表笔流经保险丝，后面接2个二极管，具有双向限幅的作用，这样做是为了起到保护作用,防止过压过流而烧

37、坏元器件，开关S1则是对所测量物理量进行选择。 3.2.3直流电流测量电路测量电流的原理是：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3-3，r为表头输入电阻，由于rR，取样电阻R上的电压降为 Ui =Ii R （3-2）即被测电流 Ii= （3-3） 图3-3电流测量原理 图3-4多量程分流器电路若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻(也称分流电阻)为 R= （3-4）如U0=200mV，则I0=200mA档的分流电阻为R=1。多量程分流器原理电路见图3-4。图3-4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

38、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3-5所示。图3-5改进分流器电路 图3-5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R5 R= =0.1（） （3-5）再计算下一档的R4 R=-R=-0.1=0.9 （3-6）依次可计算出R3、R2和R1。图中的BX是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，起过流保护作用。其中本次设计测量直流电流的电路见图3-6。图3-6直流电流测量电路如上图，使用有一定规律的R20R23电阻组合构成精密的电阻分流器，能够实现分流的目的，通过测量参考电压经过计算得到实际的电流值。3.2.4直流电压测量电路在基准数字测量表头前

39、面加一级分压电路(分压器)，可以扩展直流电压测量的量程。如图3-7所示，r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。图3-7分压电路原理图3-8多量程分压器原理由于rr2，所以分压比为 （3-7）扩展后的量程为 U0 （3-8） 多量程分压器原理电路见图3-8，5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2000V、200V、20V、2V和200mV。 采用图3-8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3-9所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到

40、同样的分压效果。图3-9 使用分压电路 例如：其中200V档的分压比为 （3-9）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 （3-10）再计算2000V档的电阻 （3-11）再逐档计算R4、R3、R2、R1。尽管上述最高量程档的理论量程是2000V，但通常的多功能数字测量仪出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为1000V，本次设计最高电压量限为200V。其中本次设计的直流电压测量电路见图3-10.图3-10直流电压测量电路如上图，使用有一定规律的R1R4电阻组合构成精密的电阻分压器，能够实现分流大电压的目的，即0200V的电压一律衰减到200

41、mV以下，通过测量参考电压，经过计算得到实际的电压值。3.2.5电阻测量电路图3-11电阻测量 多功能数字测量仪的电阻档采用的是比例测量法，其原理电路见图3-11。 由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻R0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： （3-12）即 （3-13）根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与UREF的比值，当UIN=UREF时显示“1000”，UIN =0.5UREF时显示“500”，以此类推。所以，当Rx =R0 时，表头将显示“1000”，当Rx

42、 =0.5R0 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R01=100，小数点定在十位上。当Rx=100时，表头就会显示出100.0。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.1测到199.9。由上分析可知，R1=R01=100 R2=R2-R20=900R3=R3-R30=9k R4=R4-R40=90k 其中 R2、R3为基准电阻，R02、R03为相应基准电阻的一半。本次设计电阻测量电路如图3-12： 图3-12 电阻测量电路测量电阻与测量电流或者电压一样重要，利用多功能数字测量仪做成的多量程电

43、阻表，采用的是比例法测量，因此，它比起指针仪表的电阻测量来具有更高的精度，而且功耗很小，上图示中所配置的一组电阻就叫基准电阻，就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值，再由AD0809的参考电压VREF与被测电阻上得到的电压测进行比例读数，然后在LCD1602液晶显示器上进行显示，就可以直接读出被测电阻的阻值来了。 3.2.6温度测量电路温度的测量，采用合适的温度传感器检测，由传感器直接读取被测温度值，再将得到的信号直接送入单片机进行处理，最后再由液晶显示输出，整个过程简单明了，能准确快速的实现温度的测量。本次设计采用DS18B20传感器来进行温度的测量，测量电电路见图3-13。 图3-13温

44、度测量电路 3.2.7交直流转换电路 方案一：利用半波整流电路。合理二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，而且能满足设计要求。 方案二：采用真有效值转换芯片,性能参数方面也都能满足设计要求,并且还能测量非正弦波，但一般真有效值转换芯片价格比较贵。鉴于此，故采用方案一。 如图3-14所示,这个电路是利用低漂移单运算放大器TL062与二极管D1 1N4148组成半波整流电路。该电路可避免二极管在小信号整理时所引起的非线性误差，使交流/直流转换电路的输入电压与输出电压成线性关系，适合测量40-400Hz的正弦电压，测量准确度优于1%。图3-14交直流转换电路通过该电路达到控制交直流的目的，并

45、且通过调节可变电阻又可以有效地减少电压的损耗。 3.2.8模数转换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。A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程

46、。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。本次设计采用的是ADC0809 转换芯片，ADC0809是带有8位A/D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A/D转换器，可以和单片机直接接口。本次设计只使用了一个通道，故ADC0809上的A、B、C三个引脚接地，模拟信号由IN0进入，本次设计采用的模数转换部分电路见图3-15。 图3-15模数转换电路由于ADC0809的参考电压VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在液晶显示器上显示出电压值。 3.2.9报警电路报警部分电路见图3-16当检

47、测到被测量超出预定值的值时候，蜂鸣器发出“嘀”声。具体的实现过程是单片机P3.3脚输出高电平，使得VCC对地导通，蜂鸣器发出响声。 图3-16报警电路3.2.10显示电路 图3-17显示电路LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示1602共32个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，如图3-17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、R/W、E为液晶的控制线，DB0-DB7为液晶的数据线，均与单片机的P2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

48、字符显示的明暗度。3.2.11单片机最小系统 图3-18单片机最小系统电路本次设计采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为主控芯片，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 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灵活、超有效的解决方案。如图3-18，本次设计采用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。P1.4、P

49、1.5、P1.6、P1.7作为按键的输入线，P3.2作为ADC0809的控制线。P2口作为1602液晶的数据总线，P1.1、P1.2和P1.1作为LCD1602的控制线，P0口作为ADC0809的数据总线。P2口则作为单片机与液晶显示器LCD相连的数据线。三个计时器都被使用，T0用来给ADC0809提供时钟信号，T1作为对按键扫描的中断源，T3则用于计时。开机自动复位。3.2.12选择开关和按键如图3-19、3-20、3-21、3-22所示，按键S1的右侧三个端口分别接上分压器、分流器、基准电阻，使用时拨动不同开关，连通对应的电路，测量不同的物理量。而按键S2，负责量程的选择，S3则是对所测量

50、进行交直流的选择，S4是控制计时的按键。S1，S2，S3、S4都将跟单片机相连，将及时的告诉单片机所测取得物理量、量程、交直流的选择以及计时。 图3-19 功能选择开关 图3-20量程选择开关 图2-21 交直选择开关 图3-22按键第4章 多功能数字测量仪软件设计软件是整个系统的灵魂，软件的质量对系统的功能，性能指标等有很大的影响，良好的软件设计往往能弥补硬件设计的不足。本章将对编程语言（C语言）进行简单介绍，除此之外，还将介绍软件的设计思路，并根据设计任务软件设计分模块设计，最后给出量程选择框图，程序代码见附录2。4.1系统设计目标该多功能数字测量仪表的主要功能是：对电压、电流、电阻、温度

51、信号进行测量，得到的实时数据保存到RAM中；再通过调整测量量程，测量物理量以及交直流转换通道的切换，把得到的数据进行处理，在送入LCD进行显示，系统根据不同的键值进入，显示相应的测量功能，并同时具有计时功能。4.2 C语言概述软件开发采用模块化设计，运用C语言编写，其开发工具本次设计采用美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单机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、可维护性上有明显的优势，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。 （1）单片机的C语言的特点： 1）本身不依赖机器硬件系统，方便从其他系统移植程序直接使用； 2） 能方便管理寄

52、存器储存器和数据类型等问题，但对相关的硬件的控制有限； 3）在较大的程序代码中效率更高，在执行大应用程序时有优势； 4）程序由若干模块组成，适用于模块化设计和维护； 5）相比汇编函数，具有良好的可读性和可维护性，减少开发难度； 6）有丰富的库函数，大大减少用户的编程强度，缩短编程时间及调试时间，提高软件的开发效率； 7） 能在不同类型的机器上使用，具有较好的可移植性。 （2）单片机的C语言与标准C语言的区别： 1）标准C语言的库函数是按照通用计算机来定义的，而单片机的C语言库函数是按照单片机的应用情况来定义的； 2）单片机C语言增加了集中针对单片机特有的数据类型，如单片机包含位操作空间和丰富的

53、位操作指令； 3）单片机C语言的存储模式与单片机的存储器紧密相关。使用不同存储器将会影响程序执行的效率，但标准C语言对存储模式的要求不高； 4）单片机C语言中有专门的中断函数。4.3软件设计思路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、计时等）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，进行物理量和量程以及所测量是直流还是交流的选择，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

54、至液晶显示器进行输出。根据上述设计目标和设计思想软件可划分为：初始化模块、AD数据采集和转换模块、数据处理模块、按键模块、显示模块以及计时模块，软件模块框图如图4-1所示，主程序框图如图4-2所示。初始化模块AD数据采集及转换模块 主 程 序 数据处理模块显示模块 按键模块 计时模块 图4-1软件模块框图直流测量？物理量及量程的选择 开始 初始化模块 通道及量程选择 直流？N交直流转换Y AD数据采集和转换Y 测温？NY 计时？N 温度信号 开中断计时 数据处理Y 超限？ 报警N 液晶显示 图4-2 主程序框图28 4.4系统模块设计4.4.1初始化模块对于任何单片机系统，想要使其工作，首先要

55、进行初始化设置，只有正确初始化，才能保证芯片的正确运行，这关系到单片机内部资源的有效利用和后面处理计算的意义，也是软件调试的一个重点，可概括为如下程序框图。系统开始初始化 上电初始化系统工作状态初始化结束初始化 图4-3 系统初始化框图 如图4-3所示，初始化的的重点在于系统工作状态的初始化，初始化配置主要是完成对AT89S52单片机的系统资源的初始化，主要包括各种变量的初始化、各I/O口的初始化、ADC0809的初始化、DS18B20的初始化、液晶初始化。各种变量的初始化主要包括所要用到的寄存器的初始化、定时器/计数器的初始化、中断的初始化以及延时程序的初始化等，这些初始化为完成单片机与外接电路的任务做好准备，如中断的初始化在与实现模数转换、按键功能和计时都有一定的关联。I/O口的初始化，根据事先对I/O口的分配，对所用到的I/O进行相应状态的初始化。ADC0809的初始化，包括对各个模拟输入通道地址的分配，在本次设计中只采用一个模拟通IN0，除此之外，还应使ST和OE处于低电平等。DS18B20的初始化，通过几次将DQ的电平拉高和降低，配合延时子程序完成对DS18B20的初始化，确保测温的准确无误。液晶初始化，液晶初始化是保证显示模块正常工作的前提，一般液晶初始化的方法有2种，第一种是利用模