[高等教育]万用表设计毕业论文.doc
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1、学校代码: 11059 学 号:0705074037Hefei University 毕业论文(设计)BACHELOR DISSERTATION论文题目: 基于单片机的数字万用表设计 学位类别: 工 学 学 士 学科专业: 自 动 化 作者姓名: 马 典 波 导师姓名: 丁 健 完成时间: 2011年5月15号 基于单片机的数字万用表设计中 文 摘 要本次设计用单片机芯片AT89S52设计一个数字万用表,能够测量交、直流电压值、直流电流、直流电阻以及电容,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
2、统更加稳定,使系统整体精度得以保障,本电路使用了ADC0832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,显示芯片用LCD1602。关键词 数字万用表 AT89S52单片机 AD转换与控制ABSTRACTThis design is design a digital universal meter with chip AT89s52 of one-chip computer, can measure and hand in , direct current pressing value , direct current
3、flow , the direct current is hindered, four numbers show. This system is shunted resistance, resistance of partial pressure, basic resistance, minimum system of 51 one-chip computers, shown that some , warning part , AD change and control making up partly. In order to make the system more steady, ma
4、ke 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 AT89S52 one-chip computer as the top management chip, the electricity is restored to the throne the circuit and 11.0592MHZ and shaken the circuit t
5、o match on RC, show that the chip uses LCD1602. Keyword: Digital universal meter ;AT89S52 ;one-chip computer;AD changes and controls 第一章 前 言51.1数字万用表的设计目的和意义71.2 数字万用表的设计依据71.3数字万用表设计重点解决的问题7第二章 数字万用表总体设计方案72.1模数(A/D)转换与数字显示电路72.2多量程数字电压表原理82.3多量程数字电流表原理102.4 交流电压电流测量处理原理10第三章 数字万用表的硬件系统设计123.1数字万用表
6、的硬件系统设计总体框架图123.2硬件电路设计方案及选用芯片介绍133.2.1 设计方案133.2.2 芯片选择及功能简介133.4数字万用表的硬件设计183.4.1分模块详述系统各部分的实现方法183.4.2 数字万用表控制硬件整体结构图223.4.3 电路的工作过程描述22第四章 系统软件与流程图234.1 电路功能模块234.2系统总流程图244.3物理量采集处理流程254.4电压测量过程流程图264.5电流的测量过程流程图274.6电阻的测量过程流程图28第五章 结 论29参考文献30致 谢31第一章 前 言数字万用表亦称数字多用表,简称DMM(Digtial Multimeter)。
7、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。数字万用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,新型的手持式数字用用表(HDMM)已普遍采用字高为26mm的大屏幕LCD(液晶显示器)。有些数字万用表还增加了背光源,以便于夜间观察读数。2)显示位数数字万用表的显示位数通常为3
8、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。数字万用表的准确度远优于指针万用表。4)分辨力高数字万用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)测试功能强数字万用表不公可以测量直流电压(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(Uf)、等等。新型数字万用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)测量范围宽数字万用表
9、可满足常规电子测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。7)测量速率快数字万用表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率,单位是“次/秒”。它主要取决于A/D转换器的转换速率。一般数字万用表的测量速率为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。数字万用表可满足不同用户对测量速率的需要。8)输入阻抗高数字万用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,微功耗新型数字万用表普遍采用CMOS大规模集成电路的A/D转换器,整机功耗很低,3位半,4位半手持式数字万用表的
10、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,抗干扰能力强数字万用表具有比较完善的保护电路,过载能力强,新型数字万用表还增加了高压保护器件,能防止浪涌电压。本设计就是基于这个基础设计一个基于单片机的数字万用表。该设备具有直观简单的优点。并且能深入的说明万用表的测量原理。能直观的了解万用表各个部分的结构和测试原则。1.1数字万用表的设计目的和意义数字万用表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量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,示出强大的生命力。随着时代科技的进步,数字万用表的功能越来越强大,把电量及非电量的测量技术
11、提高到崭新水平。1.2 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,能够测量交、直流电压值,直流电流、直流电阻,四位数码显示。实现多级量程的直流电压测量,其量程范围是200mv,2v ,20v,200v和500v。实现交流电压测量。实现多级量程的直流电流测量,其量程范围是2mA,20mA,200mA、2A和20A.实现多级量程的电阻测量,其量程范围是200、2k 和20k 。以及电容测量电路。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、555震荡电路、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
12、更加稳定,使系统整体精度得以保障。1.3数字万用表设计重点解决的问题本设计重点要解决的问题是对不同量程的各种测量内容的转换,还有就是各部分电路组合成一个完整的数字万用表,而难点解决的问题就是程序的设计,要保正其可行性从而保证设计的正确性。第二章 数字万用表总体设计方案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)。数字信号与模拟信号不同,其幅值(大小)是不连续的。这种情况被称为是“量化的
13、”。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)后由数码管或液晶屏显示出来。例如,设=0.1,我们把被测电压与比较,看是的多少倍,并把结果四舍五入取为整数 (二进制)。一般情况下,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()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为单位的被测电压的大小。如:是 (0.1)的1234倍,即=1234,显示结果为123.4()。这样的数字表头,再加上电压极性判别显
14、示电路,就可以测量显示-199.9199.9的电压,显示精度为0.1。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。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2.2所示,为电压表头的量程(如200),为其内阻(如10),、为分压电阻,为扩展后的量程。 图2.1分压电路原理 图2.2多量程分压器原理由于rr2,所以分压比为扩展后的量程为多量程分压器原理电路见图2.3,5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2000、200、20
15、、2和200。采用图3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2.4所示,它能在不降低输入阻抗的情况下,达到同样的分压效果。图2.3 使用分压电路例如:其中200档的分压比为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。如先确定再计算2000档的电阻再逐档计算、。尽管上述最高量程档的理论量程是2000,但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑,规定最高电压量限为1000。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
16、为相应的电压,再进行测量。如图2.5,由于,取样电阻上的电压降为即被测电流 图2.4电流测量原理 图2.5多量程分流器电路若数字表头的电压量程为,欲使电流档量程为,则该档的取样电阻(也称分流电阻)为 ,如=200,则=200档的分流电阻为。2.4 交流电压电流测量处理原理为了保证硬件电路设计的通用性,采用单级性电压测量的方法,将输入的双极性电压转换成单级性电压进行测量。整个电路主要包括极性转换电路和输入处理电路。其中,极性转换电路主要由放大电路实现,在此我采用MCP601放大芯片。在进行A/D转换时,我们一般会采用芯片的工作电压作为A/D转换的参考电压。由于一般芯片的工作电压都为正电压,而我们
17、在这里要测量交流电压,所以要对输入的交流信号进行极性转换,将双极性变成单级性。在极性转换电路中,AD为输出信号。输出信号是在输入信号ADIN的基础上叠加了一个直流分量,调节上面的Vref的值就可以改变直流分量的值。如果调节Vref使直流分量的值为1.5V,并且此时输入信号是幅值为1.5V的交流正弦信号,那么输出信号就为最大值为3V,最小值为0V的单级性正弦信号。在极性转换电路基础上将很容易设计出需要的输入电路。在极性转换电路基础上,输入处理电路需要将220V的交流电压信号变为幅值为1.5V左右的交流信号,此外,还需要为MCP601提供适当的参考电压信号。从所设计的电路中我们可以得到,首先通过变
18、压器将220V的交流电压降成8V的交流电压,再经过极性转换电路将双极性的交流电压转换为单级性的交流电压。电路中的R405电位器主要用于调节参考电压,R404电位器用于调节交流输入电压的幅度。经过上面电路的处理,可以将输入的交流电压转换成03V的单级性交流电压,这样很容易使用89S52单片机和A/D转换通道进行模拟量采集,从而实现交流电压的测量。2.5 电阻电容测量电路RC振荡电路法。LM555和电阻、电容构成充放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定高低电平和放电开关管的通断。图中,LM555和Ra、Rb、C构成多谐振荡器,引脚2和6直接相连。电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路也
19、不需要外加触发信号,利用电源通过Ra、Rb向C充电,以及C通过Rb放电,使电路产生振荡。电容C在(1/3)VCC与(2/3)VCC之间充放电。其原理图如下所示:图2.6 RC振荡电路图中,LM555和Ra、Rb、C构成多谐振荡器,引脚2和6直接相连。电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路也不需要外加触发信号,利用电源通过Ra、Rb向C充电,以及C通过Rb放电,使电路产生振荡。由该电路的振荡周期为:其中为输出高电平的时间,为输出低电平的时间。则:为了使振荡频率保持在10100KHz这一段单片机计数的高精度范围内,需选择合适的C和R的值。取R=20k,C=470uF,得到。 第三章 数字万用表的硬件
20、系统设计3.1数字万用表的硬件系统设计总体框架图如下图2.11所示,本万用表由以下几部分功能组成,复位电路、震荡电路、ADC输入、被测量显示、超限报警、ADC使能控制。复位电路用来清零,进行下一次的测量;震荡电路用来消除一些外来干扰,使电路工作更加稳定;ADC输入则是将输入量进行AD转换;测量显示就是显示测量的数值;超限报警部分则是用作当测量量超出量程范围时发出警报,以便提醒用户更改大量程;ADC使能控制则用来对输入量进行控制,允许输入或者不允许。复位电路震荡电路ADC输入被测量显示超限报警ADC使能控制89s52图3.1 总体电路设计原理图3.2硬件电路设计方案及选用芯片介绍3.2.1 设计
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