基于S52单片机的毫欧表(万用表)设计

基于S52单片机的毫欧表设计2摘要基于AT89S52单片机的毫欧表设计是采用伏安法测量电阻。采用TLC5615数模转换芯片和LM358运算放大器及三极管TIP41构成的压控恒流源提拱恒定的电流。测量电阻时可选择的电流分别为1mA，10mA，100mA。测量电阻的量程分别为40.00Ω、4000mΩ、400.0mΩ。测量的电压信号通过LM358运算放器放大100倍后经过TLC1549模数芯片传入单片机进行计算处理并在数码管上输出电阻值!关键字：毫欧表压控恒流源3目录：一.总体方案设计：...................................................4二.方案选择：...................................................52.1.1方案一比较法测电阻：.................................52.1.2方案二替代法测电阻：.................................52.1.3方案三直流电桥测电阻.................................52.1.4方案四伏安法测电阻...................................62.2压控恒流源方案：............................................62.2.1方案一.................................................62.2.2方案二.................................................62.2.3方案三.................................................6三.单元模块设计：...................................................73.1数控恒流源..................................................73.2电压放大模块设计............................................83.3AD转换与单片机处理..........................................93.4DA转换......................................................93.5按键的输入及数码管的显示输出................................9四.软件设计........................................................104.1主程序流程图...............................................105.1系统实现的功能，...........................................115.2测量电阻方法：.............................................115.3实际测试结果...............................................125.4对测理结果的分析：.........................................14六.设计总结........................................................15七.参考文献........................................................16八.附：............................................................178.1电路仿真原理图.............................................179.2程序:......................................................184一.总体方案设计：采用伏安法测电阻，通以恒定的电流，测量电阻上的电压。因为U＝R×I由于电阻为毫欧，如果电流为毫安的话，则所得的电压值很小，难以通过ADC识别出来。可以采用大电流的方法和把电压信号放大的方法来使ADC芯片识别出来并由通过单片机计算得出电阻值。采用大电流的话，由于很多小电阻无法承受较大的电流，通过电阻的电流较大时，产生的热量也多，会带来较大的误差。所以采用把电压信号放大的方法，把微小的电压信号放大后经过AD转换，把信号送入单片机，然后由单片机计算并显示出电阻值。测量范围测量电流最大输出电压电压放大100倍40.00Ω1mA40mV4V4000mΩ10mA40mV4V400.0mΩ100mA40mV4V上图为测试电阻的范围及测量时的电流：5二.方案选择：2.1电阻测量方案2.1.1方案一比较法测电阻：在乙图中,K1闭合，K2断开测得U1;K1断开，K2闭合测得U2，使用条件：在乙图中应保证AB间电压恒定。上图中的比较法测量电阻值的阻值非常小时，电阻R0难以选取。并且要用电压表测量两处电阻的电压。其中的导体接触间的电阻也会对测量结果造成一定的误差，并且对电压表的要求高。没有采用此方案。2.1.2方案二替代法测电阻：步骤：①K1打开，K2接1，调节R1为最大，电阻箱R0为最大。②闭合K1。调节R1使、指针指在2/3处，读数。③K2接2，保持R1不动，调节R-0，使、读数不变。④RX=电阻箱读数。条件：被测量的部份电路电流或电压不变。上图但不适合于测量小电阻。因为电阻箱的阻值一般都较大。测量的电阻精度低。2.1.3方案三直流电桥测电阻直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。采用上面的两种方法时要用很多操作需要手动操作，并且对元件选取要求高，是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，调节困难，需要采用数控电阻，用单片机处理计算杂复并且测量时操作不方便。62.1.4方案四伏安法测电阻采用伏安法测量电阻时，恒流源电路产生恒定的电流源通过被测电阻Rx,只需要测量出Rx上的电压大小，然后用Rx＝U/I即可算出电阻的阻值大小。方便单片机进行处理。实际操作起来相对也比较简单。方案四,操作简单，计算方便。精度比方案一和方案二高，但操作和计算比方安三更简单和方案。所以采用方案四伏安法测电阻。2.2压控恒流源方案：2.2.1方案一I＝U/（R1+R2）,若R1R2，则电流I约为I＝U/R1；可以采用一个恒定的电压，然后除以一个大电阻，测试时由时所测的电阻很小，基本上可以看作电流是恒定的。但这种方案测量的电阻阻值越大，电流变化较大，电流精度不高。2.2.2方案二采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求。2.2.3方案三压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到运算放大器和大功率三极管进行放大输出电流。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作，故选择此方案。原理图如下面的数控恒流源中的原理图。7三.单元模块设计：3.1数控恒流源数控恒流源为电阻测量提供恒定的电流。单片机由测量所需的电流而控制输出恒定电流的大小。实际电路中采用的三极管为TIP41，三极管本身在这里不具备控制电流大小的作用，但是起到驱动和扩流的作用。前面是一个电压跟随，后面一个负反馈。R9上的电压为输入的电压Vin。理论计算I1=VR1/R1=(Vi-V+)/R1；I2=VR2/R2=(V+-Va)/R2；因为I+=0,得I1=I2所以Va=(V+-Vi)R2/R1+V+；I3=VR3/R3=V-/R1；I4=VR4/R4=(VO-V-)/R4；因为I-=0,得I3=I4所以VO=V-(R3/R4+1)；8从而可得R5上电压为UR5＝VO-Va=（R4/R3）×V--（R2/R1）×V++(V--V+）+（R2/R1）×Vi，若R2=R1,R3=R4,且V-＝V+则UR5＝Vi（输入电压）假设I5=IL可得VA/RL＝VI/R5，由上式的Va=(V+-V-)R2/R1+V+；及R2=R1；可得（２V+-V-）/RL＝Vi/R5即（２V+/V-）-1＝RL/R5；当V+Vi和RLR5，R3+R4R5,R3+R4RL,时可满足RL上电流恒定。3.2电压放大模块设计需要把测量到的直流电压信号放大100倍后，即可传给AD芯片再由单片机处量。原理图如下通过调节R2与R1的比值即可以改变电压放大倍数。上图为LM358的PDF里提供的电路原理图，实际电路中采用的电阻R2＝1MΩ，R1由3296电位器构成，阻值调成10K。上图是采用的单个运算放大一百倍。也可以采用两个运算，每个放大十倍。实际电路制作过程中，上面两种方法都进行测试，发现采用单个运算放大一百倍效果相对要好。所以实际电路中是采用的单个运算放大100倍的方法。93.3AD转换与单片机处理电阻测量所取得的电压信号放大100倍后，通过AD-IN传入ADC转换芯片。再由单片机计算，用所得的电压除以测量时恒定的电流可得电阻的阻值大小，但此时的电阻阻值还不是实际所测得的电阻阻值，因为电压是放大一百倍后所得的。所以结果应缩小100倍即可得到真实的电阻阻值大小。3.4DA转换由单片机控制DAC5615芯片分别产生40mV、400mV、4000mV的电压即可获得需要测量的电流分别为1mA(40mV/40Ω)、10mA(400mV/40Ω)、100mA(4000mV/40Ω)。实际电路中只需要选择好相应的电阻测量范围即可。不需要手机选择测试电流，电流将由单片机控制电压控制电流源电路输出所需要的电流。3.5按键的输入及数码管的显示输出采用了串行接口8位LED数码管及64键键盘智能控制芯片HD7279芯片来处理按键的输入及８位数码管的输出显示。本电路只采用了4×4的按键及８位数码管显示输出。10四.软件设计4.1主程序流程图开始初始化延时等待是否有按键按键识别调用相应的程序YESNOYESNO延时等待按键说明1：1mA电流测量电阻2：10mA电流测量电阻3：100mA电流测量电阻4：显示测量电压值5：备用（清除显示）6：备用（清除显示）7：暂停时钟进入调整8：调整时钟的数值9：启动并显示时钟0：自动调零（测量值减去导线电值）上：产生正弦波下：产生方波左：产生三角波右：皮生距齿波Enter：备用（清除显示）Esc：备用（清除显示）11五.系统功能，指标参数5.1系统实现的功能，（1）电阻的测量，测量电阻范量为0.1mΩ－40Ω。(理论值可达到0.1mΩ)（2）产生方波，正弦波，方波，锯齿波。（3）时钟的显示功能。并可调整时间。（4）测量0-4V间的直流电压值。（5）压控恒流源输入0-4V的电压，产生恒定的电流为0-100mA。5.2测量电阻方法：用小鳄鱼夹接好电阻，选估计被测电阻的范围，再按下按键来选择测试的电流。其中，在100mA电流(按键3)中设了自动调零技术。可以选用把测试导线直接短接后，选按下数字键３，再按一下自动调零按键（数字0）即可。测量出的电阻显示的是，测量值减去导线间的电阻值。注意：1必须在测试之前,确定被测电阻可以安全流过最大测试电流!尤其在使用0.4Ω（100mA）档时!2调零时，先把两根测试导线短接。按下要用的量程键（数字键3）之后，再按下调零键（数字键0）。此时，数码管会显示出当前导线间的电阻值一秒钟并保存。再按下量程键（数字键3）即可进行测量。125.3实际测试结果被测电阻全部为四色坏的碳膜电阻。0.24Ω、2Ω、2.2Ω、3.9Ω由于测试时