基于单片机的数字万用表的设计 ――硬件设计

单片机课程设计目录引言............................................................................................................................................11.设计任务...............................................................................................................................21.1.设计目的....................................................................................................................21.2.设计指标及要求........................................................................................................22.设计思路与总体框图.............................................................................................................22.1.设计思路......................................................................................................................23.系统硬件电路的设计.............................................................................................................33.1.数字多用表的主电路..................................................................................................33.2.数字多用表的电阻测量输入电路..............................................................................43.3.电压测量输入电路......................................................................................................43.4.电流输入测量电路......................................................................................................54.系统的设计仿真.....................................................................................................................64.1.仿真原理图..................................................................................................................64.1.1.测量电阻仿真...................................................................................................64.1.2.测量电压仿真...................................................................................................74.1.3.测量电流仿真...................................................................................................74.2.主要元器件功能介绍..................................................................................................75.总结与体会...........................................................................................................................145.1总结..........................................................................................................................145.2体会...........................................................................................................................156.参考文献...............................................................................................................................15单片机课程设计引言本设计可以分为直流电压测量电路；交流/直流转换电路；电流/电压转换电路；电阻/电压转换电路；功能控制和数据显示电路这五个的主要电路模块。在设计直流电压测量电路时，利用反相比例运算电路，加上自己设计的四选一模拟开关，组成了一个直流电压测量电路。但该电路在实践中存在问题，不能实现预期的结果。做了适当的修改，改为由电阻、模拟开关和运放组成放大倍数可调的比例电路。由于无论是指针式万用表还是普通的真有效值或平均值响应的数字万用表，其交流电压档的频率特性都较差，一般只能测量几十赫兹到几千赫兹的低频电压。我发现对于指针式万用表造成频率特性较差的原因主要是万用表的分压电阻采用精密电阻器，其本身的分布电容较大，在对高频电压信号进行测量时，由于分布电容的容抗大为减少使得测量值明显低于实际电压值，而对于数字万用表除上述原因以外，另一主要原因是受平均值响应，转换器本身频率特性的限制。但此缺陷可通过采用宽频带运算放大器加以改善。因此，消除分压电阻器分布电容的影响就可以提高万用表工作频率的上限，大大改善其频率特性。数字万用表（DMM）亦称数字多用表，是目前在电子检测及维修工作中最常用、最得力的一种工具类数字仪表。它采用的数字化测量技术，通过对连续的模拟量（直流输入电压）的采样将其转换成不连续、离散的数字量，并以十进制数字形式显示出来。由于内部采用了运放电路,内阻可以做得很大,往往在1M欧或更大(即可以得到更高的灵敏度)。这使得对被测电路的影响可以更小，测量精度较高。传统的指针式万用表功能单一、精度低，已经不能满足数字化时代的需求，而采用单片A/D转换器构成的数字万用表，具有读数方便、精度高，测试功能强、集成度高、微功耗、抗干扰能力强等特点，另外带有单片机的智能型数字万用表更是具有自动校准，自动测量，自动数据处理和实时通讯等多种功能。目前，数字万用表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，示出强大的生命力。与此同时，由DMM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。单片机课程设计21.设计任务1.1.设计目的采用8位8路A/D转换器ADC0809和AT89S52单片机，设计一台数字多用表，能进行电压、电流和电阻的测量，测量结果通过LED数码管显示，通过按键进行测量功能转换。1.2.设计指标及要求电压测量范围0~5V，测量误差约为0.02V，电流测量范围1~100mA，测量误差约为0.5mA，电阻测量范围0~1000Ω，测量误差约为2Ω。2.设计思路与总体框图2.1.设计思路首先利用P0口数据地址复用，将地址通过P0口输入到单片机中。再利用模数转换将模拟信号转换成数字信号，再次利用P0口将其输入到单片机。最后，充分利用单片机强大的运算转化功能将其转成适当的二进制信号控制数显以确保正确的显示被测量的读数。2.2.总体思路单片机课程设计33.系统硬件电路的设计3.1.数字多用表的主电路数字多表仪表主电路如图1所示。89S52单片机通过线选方式扩展了A/D转换器ADC0809和4位LED数码管，单片机的P2.7引脚作为ADC0809的片选信号，因此A/D转换器的端口地址为7FFFH.片选信号和WR信号一起经或非门产生ADC0809的启动信号START和地址锁存信号ALE。片选信号和RD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的转换结果送入数据总路线。ADC0809的EOC信号经反相后接到89S52的1INT引脚，用于产生A/D转换完成中断请求信号。ADC0809芯片的3位模拟量输入通道地址输入端A、B、C分别接到89S52的P0.0、P0.1和P0.2，故只要向端口地址0C000H分别写入00H~07H，即可启动模拟量输入通道0~7进行A/D转换。ADC0809参考正电压为5V，参考负电压为0V，时钟输入为2MHz。单片机的P1.0~P1.2引脚通过一个转换开关接地，通过判断P1.0~P1..2引脚电平的高低，决定是否进行电阻测量、电压测量或电流测量。单片机课程设计43.2.数字多用表的电阻测量输入电路图2所示为数字多用表的电阻测量输入电路。运算放大器的反馈电阻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，那么放大器的输出电压RV=195RRx，将RV送给ADC0809，转换后得到数字量为DV=5255RV。单片机读取A/D转换数据，再经过逆向运算可得Rx=25519RDV，注意此时得到的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。程序中采用4字节专利号除法，连续进行4次除以10的除法，依1000Ω范围内不超过2Ω，如果测量其他范围的电阻，需要修改19R的数值，或者采用其他电路。3.3.电压测量输入电路图3所示为数字多用表的电压测量输入电路。待测电压经过低通滤波器滤除高频干扰，再通过同相放大器送给ADC0809，电压测量范围为0~5V，ADC0809的分辨率为8位，测量误差为5/2550.02V.单片机课程设计53.4.电流输入测量电路图4所示为数字多用表的电流输入电路。电流测量范围为1~100mA，因为ADC0809是电压转换器件，必须交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（例如00.1Ω）,否则影响电流数值。由于待测电流和RL都很小，RL两端的电压也很小，必须将其放大到ADC0809能够分辨的范围之内。假设待测电流大小为I，RL两端节点电压分别为VA和VB，VA经过反向缓冲电路之后VC=-VA。VA和VB经过差分放大电路得：VD=-（VB-VA）2729RR（VB-VA）27292729RRRIRRL再经过同相放大电路得：AV=VD3521.0)1()1(303227293032