基于单片机的数字万用表设计.doc

1、1基于单片机的数字万用表设计摘 要本次设计用单片机芯片 AT89C52 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，四位数码显示。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51 单片机最小系统、显示部分、报警部分、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 AT89C52 单片机作为主控芯片，驱动液晶显示管显示。程序每执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。关键词 数字万用表 AT89C52 单片机 AD 转换与控制AbstractThis design is design

2、a digital universal meter with chip AT89C52 of one-chip computer, can measure and hand in , direct current pressing value , direct current flow , the direct current is hindered, four numbers show. This system is shunted resistance, resistance of partial pressure, basic resistance, minimum system of

3、51 one-chip computers, shown that some , warning part , AD change and control making up partly. In order to make the system more steady, make the whole precision of the system be ensured, this circuit has used AD0809 data to change the chip, the one-chip computer system is designed to adopt AT89C52

4、one-chip computer as the top management chip, urge 4 numbers to be in charge of showing. The every execution cycle consuming time of procedure contracts to get shortest, in this way the real-time character of the security system. Keyword: Digital universal meter AT89S52 one-chip computer AD changes

5、and controls 21、设计背景数字万用表亦称数字多用表,简称 DMM(Digtial Multimeter)。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。传统的指针式万用表功能单精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片的数字万用表，精度高、抗干扰能力强，可扩展尾强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字电万用表，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，显示出强大的生命力。二、数字万用表的设计依据根据数字万用表的原理，结合以下的设计要求：“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，四位数

6、码显示。实现多级量程的直流电压测量，其量程范围是 5V、 ,20V,.实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是 2mA ，20mA，200mA.实现多级量程的电阻测量，其量程范围是200、1k ,10k。 ”由此设想出以下的解决方法，即数字万用表的系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51 单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD 转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障。三、设计任务31 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，测量结果通过液晶显示管显示，通

7、过按键进行测量功能转换。32 设计指标及要求电压测量范围 05，020V，电流测量范围 12，120，1200mA，电阻测量范围 0200,01K,010K。四、设计思路与总体框图41 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。42 总体框图389S52振荡电路复位电路ADC0809液晶显示管显示待测电阻电路阻待测电流电路待测电压电路图 11五、 MCU 主控制器的选择与论证方案一 此方

8、案 采用凌阳公司的 16 位单片机 SPCE061A 作为主控制器，它具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强、处理速度高等特点，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是其软件设计相对复杂，故我们放弃此方案。方案二 此方案采用 STC 公司的 8 位单片机 STC89C52 作为主控制器，具有与 MCS-51 指令集完全兼容的 CIP-51 内核，但其同样时钟下运行速度和抗干扰能力军比普通 8051 8 位单片机要高，而且开发环境是我们很熟悉的 Keil C51 ,编译效率高，非常适合 C 语言开发人员，因此我们采用该方案。六、 A/D 转换器的选择与论

9、证方案一 此方案选用 12 位串行 A/D 转换集成 AD，只需要根线就能够很好的与相通信组成测量系统，但其输入电压不能为负值，故使用范围受到了限制，不适合用作负压测量电路中而且价格较高。因此，我们放弃此方案。方案二 此方案选用双积 A/D 转换器 AD0809，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。它的特点是在每次 A/D 转换前，内部电路都自动进行调零操作，可保证零点在常温下的长期稳定。4STSTEOCO1O2O3O4O5O6O7O0OEclockOUT1 21ADD B24 ADD A25 ADD C23VREF(+)12 VREF(-)

10、16IN31 IN42IN53 IN64IN75START 6OUT5 8EOC 7OE 9CLOCK 10OUT2 20OUT7 14OUT6 15OUT8 17OUT4 18OUT3 19IN228 IN127IN026ALE22U3ADC0808+5VGNDGNDav图 21 AD 转换电路七、 测量电路的选择与论证7.1 电阻测量图 1 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 R 作x为待测量电阻，通过 R14，R2，R15 及多路开关接到电源-5V 。假定运算放大器理想，那么放大器的输出电压 RV= ，将 RV 送给 ADC0809，转换后得到Rx5数字量为 DV=

11、 。单片机读取 A/D 转换数据，再经过逆向运算可得52RVR = ，注意此时得到的 R 为二进制数，需要转化为十进制数后才能x219Dx送给液晶显示管显示。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。为使电路所求电阻更加精确，故采用了一个单刀三掷开关，当所测电阻处于千欧级别时，闭合开关一，由所得电压得出待测电阻。当待测电阻处于200 至一千欧时，如果再次以 10 千欧作为比例电阻，则所测待测电阻准确度大大下降，顾此时应闭合开关二，以一千欧电阻作为比例电阻，可大大扩大所测电阻精度。同理当所测电阻为 0 至 200 欧时，闭合开关三，此时所测电阻才能更加精确。5-5VR2

12、1k2%待 测 电 阻10k-12V+12V+8.8Volts32 141 U1:ALM324R1520R1410k图 1 电阻测量原理图72 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，再送给 ADC0809，电压测量范围为 05,020V，ADC0809 的分辨率为 8 位.当待测电压为为 05V,关闭开关一，经过滤波电路后此时输出的电压VV=Vx,将 VV 送给 ADC0809，转换后得到数字量为 DV= 。单片机读52V取 A/D 转换数据，再经过逆向运算可得 Vx= 注意此时得到的 Vx 为二进制25数，需要转化为十进制数后才能送给

13、液晶管显示。当电压为 520V 时，因为AD0809 的工作电压为 5V，所以需降压，闭合开关二，输出的电压为待测电压的五分之一。6VR34kR41kR510k R610kR710kR3(1) C60.1uFC70.1uF-12V+12V+8.8Volts32 141 U1:ALM324图二 直流电压的测量7. 3 直流电流的测量测量电流的原理是：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。如下图为直流电流的测量原理图，当输入一个电流时，先判断待测电流大概在哪个范围内，然后根据下图中的开关，来控制待测电流的精确度和准确度。如输入一个待测电流时，集成运放正相端电压即为V

14、+=R Ix,同时此电流也经过一个交流滤波电路，滤除交流成分，由于 V+最大值为 0.2V，比较小，若直接输出，则误差较大，因此进行同相放大 4 倍，使输出的电压大大提高，从而使输出的电流更加准确。从运放端输出的电压 IV=V+4，将 IV 送给 ADC0809，转换后得到数字量为 DV= 。单片机读取52IVA/D 转换数据，再经过逆向运算可得 Ix= 注意此时得到的 Vx 为二进制数，25需要转化为十进制数后才能送给液晶显示管显示。根据不同的开关可得到在不同范围内待测电流值。720mA20mA2mA AVR890R99R101OF ON 12345DSW2DIPSWC_4109 841U1

15、:CLM324+12V-12V+8.8VoltsDSW2(NO)C82.3pFR1470K R124k R1320k7. 4 蜂鸣器的设置如下图所示，为报警部分，当万用表的外接部分短接时，则电路出现高电平，此时蜂鸣器发出声音。P1.7GNDQ12N3053 LS1SPEAKER图四 蜂鸣器的设计8八、结论和体会8. 1 设计结果综述：（1） 、数字万用表完成的功能主要是对电压、电流、电阻的测量，它主要由分流电阻、分压电阻、基准电阻、51 单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD 转换和控制部分组成。（2） 、数字万用表属于一种测量工具，其本身的好坏直接影响到测量结果。（3） 、单片机部分跟 A

16、D 转换部分是整个设计的核心，ADC0809 的参考电压VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(D/256*VREF)；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，使系统稳定运行。（4） 、在本次软件设计过程中，采用的是 c 语言。（5） 、对于硬件的制作，由于布线麻烦等原因，做起来复杂，对 Proteus仿真软件使用不熟练，使画仿真图时遇到不少问题。51 单片机基础知识不扎实，电路分析遇到比较多的问题。捍接也很难，以致未能完全实现设计报告要求。8. 2 体会这次课程设计暴露出了很多问题，但

17、在做课程设计的过程中也学到了很多东西。比如查阅资料，动手焊接万用板等等，这些都是平时很少做的。此次课程设计让我对基于单片机的 c 语言有了新的认识，另外对于电子设计也有基本的了解，这会让我在以后更能有效地去学习这方面的知识，对单片机学习有很大的助益，也在激励我们多动手，从实践中去获取新知识。附录一电路图仿真图（图 21）：9STSTEOCO12O34O56O70OEOECSTP1.7K12K3K1K2K3O01O23O45O67VCaleclockaleclockXTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/AD237.3/36P0.4/AD4

18、35.5/54P0.6/AD63.7/72P2.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47P1.0/T2./EXP1.2.34P1.45.56P1.67.78 P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15U180C52C13pFC23pF X1CRYSTALGND C310uR110kOUT121AD B24 A5C3VREF(+)12 (-)6IN31I42IN53I64IN75 START6OUT58EOC7OE9CLOCK1020OUT714658741

19、OUT39I228IN17I026ALE2U3ADC08+5VC40.1uFC510u VCQ12N3053 LS1SPEAKER电 压电 阻电 流234567891RP1ESACK-8GND GNDR34kR41kR510k R610kR710kR3(1) C60.1uFC70.1uF-12V+12VVolts+1.4GND56 741U1:BLM324D2 Q5CLK3 Q6S4R1U4:A74LS74D12 Q9CLK1 Q8S10R13U4:B74LS74GNDGNDGNDavav+5VD71463D5124D31029D1807E6RW5S4VS1D2VE3LCD1LM016LA12

20、A87A65A43A12A34A56A78B1B2B3B21B320mA20mAGNDLS1SPEAKER-5VR21k 2%待 测 电 阻10k-12V+12V Volts+0.32 141U1:ALM324R520R1410k R890R99R101109 841U1:CLM324+12V-12VVolts+0.1(1) C82.3pFR1470KR124k R320k图 21程序#include #include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char10uchar code table=“0123456789.vAmA“

21、;uint i,j;sbit ST=P20;sbit EOC=P21;sbit OE=P22;sbit k1=P10;sbit k2=P11;sbit k3=P12;sbit x1=P24;sbit x2=P25;sbit x3=P26;sbit E=P15;sbit RS=P14;sbit RW=P13;void delay()_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();void Delay(uint i)uint x,j;for(j=0;ji;j+)for(x=0;x=148;x+);bit Busy(void)11bit busy_flag = 0;R

22、S = 0;RW = 1;E = 1;Delay(5);busy_flag = (bit)(P3 E = 0;return busy_flag;void wcmd(uchar del)while(Busy();RS = 0;RW = 0;E = 0;Delay(5);P3 = del;Delay(5);E = 1;Delay(5);E = 0;void wdata(uchar del)while(Busy();RS = 1;RW = 0;E = 0;Delay(5);P3 = del;Delay(5);E = 1;Delay(5);E = 0;void L1602_init(void)wcmd

23、(0x38);12Delay(5);wcmd(0x38);Delay(5);wcmd(0x38);Delay(5);wcmd(0x38);wcmd(0x08);wcmd(0x0c);wcmd(0x04);wcmd(0x01);void L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;wcmd(a);wdata(sign);void main()uint a1,a2,a3,a4;uchar add;while(1)ST=0;O

24、E=0;P0=0xff;ST=1;_nop_(); _nop_(); _nop_();ST=0;_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();while(EOC=0);OE=1;add=P0;_nop_();OE=0;Delay(30);L1602_init();if(k2=0)13Delay(10);if(k2=0)if(x1=0)Delay(10);if(x1=0)a1=(add*20)/1000;a2=(add*20)%1000/100;a3=(add*20)%100/10;a4=(add*20)%10;L1602_char(2,7,table10);L1602_

25、char(2,6,tablea1);L1602_char(2,8,tablea2);L1602_char(2,9,tablea3);if(x2=0)a1=(add*10)/1000;a2=(add*10)%1000/100;a3=(add*10)%100/10;a4=(add*10)%10;L1602_char(2,8,table10);L1602_char(2,6,tablea1);L1602_char(2,7,tablea2);L1602_char(2,9,tablea3);if(k3=0) if(x1=0)a1=(add*2)/1000;a2=(add*2)%1000/100;a3=(a

26、dd*2)%100/10;a4=(add*2)%10;L1602_char(2,7,table10);L1602_char(2,6,tablea1);14L1602_char(2,8,tablea2);L1602_char(2,9,tablea3);L1602_char(2,10,tablea4);if(x2=0)a1=add/5/1000;a2=add/5%1000/100;a3=add/5%100/10;a4=add/5%10;L1602_char(2,7,table10);L1602_char(2,6,tablea1);L1602_char(2,8,tablea2);L1602_char

27、(2,9,tablea3);if(x3=0)a1=add/50/1000;a2=add/50%1000/100;a3=add/50%100/10;a4=add/50%10;L1602_char(2,7,table10);L1602_char(2,6,tablea1);L1602_char(2,8,tablea2);L1602_char(2,9,tablea3);L1602_char(2,10,tablea4);if(k1=0)if(x1=0)a1=add*2/5/1000;a2=add*2/5%1000/100;a3=(add*2/5)%100/10;a4=(add*2/5)%10;L1602

28、_char(2,8,table10);L1602_char(2,6,tablea1);L1602_char(2,7,tablea2);L1602_char(2,9,tablea3);if(x2=0)15a1=(add*4)/1000;a2=(add*4)%1000/100;a3=(add*4)%100/10;a4=(add*4)%10;L1602_char(2,7,table10);L1602_char(2,6,tablea1);L1602_char(2,8,tablea2);L1602_char(2,9,tablea3);if(x3=0)a1=(add*80)/1000;a2=(add*80

29、)%1000/100;a3=(add*80)%100/10;a4=(add*80)%10;L1602_char(2,9,table10);L1602_char(2,6,tablea1);L1602_char(2,7,tablea2);L1602_char(2,8,tablea3);L1602_char(2,10,tablea4);附录二：主要元器件功能介绍1、AT89S52 芯片功能特性描述AT89S52 引脚框图：16图 2.12 AT89S52 芯片引脚图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 Flash 存储器3、1000 次擦写周期4

30、、全静态操作：0Hz 33Hz 5、 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、八个中断源9、全双工 UART 串行通道10、低功耗空闲和掉电模式l 1、掉电后中断可唤醒l2、 看门狗定时器13、双数据指针l 4、掉电标识符功能特性描述：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 位 CPU 和在系统可编程

31、 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 具有以下标准功能： 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172 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。P1 口：P

32、1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/ 计数器 2 的外部计数输（P1.0/T2）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX ） ，具体如下表所示。在 flash 编程和校验时， P1 口接收低 8 位地址字节。表 2.1 P1 口的第二功能P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能

33、驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出

34、缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。2、ADC0809 介绍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。（1）ADC0809 的内部逻辑结构 18图 2.14 ADC0809 的内部逻辑结构上图可知，

35、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 2.15 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 05V，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

36、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。通道选择表如下表所示。表 2.3 地址输入线的通道选择C B A选择的通道190 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7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；

37、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 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。D7 D0 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， VREF（） ， 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。