1、2013 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1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
2、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 1125.4.4 电流测试流程 11参考文献 12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 STC12C5A60
3、S2 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11.0592MHZ 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11一设计任务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%。22二系统方案选用 STC12C5A60S2
4、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
5、.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 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
6、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/P1.3(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
7、PCA 软件实现多串口。33三理论分析与计算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
8、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。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=0.1mV，我们把被测电压 U 与 比较，看 U 是的多少倍，并把结果四舍五入取为整数 N (二进制 )。一般情况下，N 1000 即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
9、小。如：U 是 (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) ，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 10M于)，1r 、2r 为分压电阻，10U 为扩展后的量程。44图 3.1 电压测
10、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55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
11、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
12、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。663.2.5 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*C7
13、7四电路设计与程序设计4.1 直流电压测量电路 R410K6852GNDL3+VCOMinABoutQ9PHeadr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 UI-图 4.2 直流电流测量
14、电路本电路功能是将被测直流电流或微直流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。884.3 电阻测量电路 12PHeadrVCLly34KRs0MDGNQ9567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 TIOUS?E.uF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。994.5 最小系统电路 EA/VP31XTL28RS.7(D)6WIN045OGCUsabc
15、defgpKYMHJuF图 4.5 最小系统图1010五测试方案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 KEIL4 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
16、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。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
17、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。11115.4 测试流程5.4.1 整体测试流程 于.AD图 5.1 整体测试流程图5.4.2 电压测试流程 125V30图 5.2 电压测量流程图12125.4.3 电阻测量流程 于1M0K图 5.3 电阻测量流程图5.4.4 电流测试流程 5mA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10mA 10mA 050mA 52mA 4%100mA 101mA 1%1313参考文献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
