簡(jiǎn)易數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)(共17頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2013年江西省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字萬用表（C 題）2013年5月28日目 錄專心-專注-專業(yè)摘 要本次設(shè)計(jì)用單片機(jī)芯片STC12C5A60S2設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字萬用表，能夠測(cè)量直流電壓值、直流電流、直流電阻以及電容和電感，四位數(shù)碼顯示。此系統(tǒng)由分流電阻、分壓電阻、基準(zhǔn)電阻、555振蕩電路、51單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示部分、AD轉(zhuǎn)換和控制部分組成。為使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，使系統(tǒng)整體硬件更簡(jiǎn)單，本電路使用了STC12C5A60S2自帶的AD，它單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，配以RC上電復(fù)位電路和11.0592MHZ震蕩電路，顯示用四位數(shù)碼管。程序每執(zhí)行

2、周期耗時(shí)縮到最短，這樣保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。關(guān)鍵字：數(shù)字萬用表；單片機(jī)；AD轉(zhuǎn)換一設(shè)計(jì)任務(wù)1.設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)支持直流電壓、直流電流、電阻測(cè)量的數(shù)字萬用表。2. 測(cè)量范圍：直流電壓0.1V-100V；直流電流10mA-500mA；電阻100-1M。3使用按鍵或者撥碼開關(guān)進(jìn)行測(cè)量類型選擇，并用數(shù)碼管顯示器顯示測(cè)量數(shù)值，發(fā)光二極管指示測(cè)量類型與單位。4. 測(cè)量精度：±5%。二系統(tǒng)方案選用STC12C5A60S2單片機(jī)來制作數(shù)字萬用表。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全

3、兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。1.增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V- 3.3V（5V單片機(jī)）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V- 2.2V（3V單片機(jī)）3.通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)

4、芯片最大不要超過55mA。4.共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器。5.2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘。6.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒， INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2

5、 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)。7.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口。三理論分析與計(jì)算3.1器件的選擇與比較方案1.選用AT89S52和ADC0809芯片，通過ADC0809轉(zhuǎn)換芯片來對(duì)電壓的采集。方案2.選用STC12C5A60S2單片機(jī)，它有自帶的 AD，操作起來硬件電路更方便。通過分析選擇方案2.3.2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)和分析3.2.1 模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路常見的物理量都是幅值(大小)連續(xù)變

6、化的所謂模擬量(模擬信號(hào))。指針式儀表可以直接對(duì)模擬電壓、電流進(jìn)行顯示。而對(duì)數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號(hào)(通常是電壓信號(hào))轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行顯示和處理(如存儲(chǔ)、傳輸、打印、運(yùn)算等)。數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)不同，其幅值(大小)是不連續(xù)的。這種情況被稱為是“量化的”。若最小量化單位(量化臺(tái)階)為D，則數(shù)字信號(hào)的大小一定是D的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進(jìn)制數(shù)碼表示。但為了能直觀地讀出信號(hào)大小的數(shù)值，需經(jīng)過數(shù)碼變換(譯碼)后由數(shù)碼管顯示出來。例如，設(shè)D=0.1mV，我們把被測(cè)電壓U與D比較，看U是D的多少倍，并把結(jié)果四舍五入取為整數(shù)N (二進(jìn)制)。一般情況下，N1000即可滿足測(cè)量精度要求(量化誤差1/1

7、000=0.1%)。最常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為1999，被稱為三位半(1 32 )數(shù)字 表。 對(duì)上述情況，我們把小數(shù)點(diǎn)定在最末位之前，顯示出來的就是以mV為單位的被測(cè)電壓U的大小。如：U是 D (0.1mV)的1234倍，即N=1234，顯示結(jié)果為123.4(mV)。這樣的數(shù)字表頭，再加上電壓極性判別顯示電路，就可以測(cè)量顯示-199.9199.9mV的電壓，顯示精度為0.1mV。由上可見，數(shù)字測(cè)量?jī)x表的核心是模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換、譯碼顯示電路。A/D轉(zhuǎn)換一般又可分為量化、編碼兩個(gè)步驟。3.2.2 多量程數(shù)字電壓表原理在基準(zhǔn)數(shù)字電壓表頭前面加一級(jí)分壓電路(分壓器)，可以擴(kuò)展直流電壓測(cè)量的量程。如

8、圖3.1所示，0U為電壓表頭的量程(如200mV)，r為其內(nèi)阻(如10MW)，1r、2r為分壓電阻，10U為擴(kuò)展后的量程。圖3.1 電壓測(cè)量原理圖由于r>>r2，所以分壓比為：擴(kuò)展后的量程為：3.2.3 多量程數(shù)字電流表原理測(cè)量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測(cè)電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測(cè)量。如圖3.2，由于rR，取樣電阻R上的電壓降為：即被測(cè)的電流為：圖 3.2 電流測(cè)量原理圖若數(shù)字表頭的電壓量程為Uo，欲使電流檔量程為Io，則該檔的取樣電阻(也稱分流電 阻)為： 如Uo=200mV，則Io=200mA檔的分流電阻為1R。3.2.4 電阻的測(cè)量原理方案一: R/

9、U轉(zhuǎn)換測(cè)量法數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例測(cè)量法，給電路 提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓，流過標(biāo)準(zhǔn)電阻Ro和被測(cè)電阻Rx的電流基本相等(數(shù)字表頭的輸入阻抗很高，其取用的電流可忽略不計(jì))。所以A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓Uref和輸入電壓Uin有如下關(guān)系：即：因此，我們只要選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻并適當(dāng)?shù)貙?duì)小數(shù)點(diǎn)進(jìn)行定位，就能得到不同的電阻測(cè)量檔。方案二：R/f轉(zhuǎn)換測(cè)量法把電阻R轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f ，轉(zhuǎn)換的原理分別是RC振蕩電路和555電路，單片機(jī)根據(jù)所選通道，向模擬開關(guān)送兩路地址信號(hào)，取得振蕩頻率，作為單片機(jī)的時(shí)鐘源，通過計(jì)數(shù)則可以計(jì)算出被測(cè)頻率，再通過該頻率，通過公式計(jì)算出各個(gè)電阻參數(shù)。然后根據(jù)所測(cè)頻率來判斷是否轉(zhuǎn)換

10、量程，或者是把數(shù)據(jù)處理后，把電阻的值送到顯示部分顯示出相應(yīng)的參數(shù)值，利用編程實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換公式為：T=0.693*R*C 。方案三：基于恒流源法的轉(zhuǎn)換測(cè)量法該方法是給待測(cè)電阻提供一個(gè)恒定電流，利用單片機(jī)的A/D采集其兩端的電壓來確定其電阻值，方式為R=U/I。3.2.5 電容測(cè)量原理把電容C轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f ，轉(zhuǎn)換的原理分別是RC振蕩電路和555電路，單片機(jī)根據(jù)所選通道，向模擬開關(guān)送兩路地址信號(hào)，取得振蕩頻率，作為單片機(jī)的時(shí)鐘源，通過計(jì)數(shù)則可以計(jì)算出被測(cè)頻率，再通過該頻率，通過公式計(jì)算出各個(gè)電阻參數(shù)。然后根據(jù)所測(cè)頻率來判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)處理后，把電阻的值送到顯示部分顯示出相應(yīng)的參

11、數(shù)值，利用編程實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換公式為：T=0.693*R*C四電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)4.1 直流電壓測(cè)量電路圖4.1 直流電壓測(cè)量電路該電路功能為電壓轉(zhuǎn)換電路，主要功能是將較大的電壓按一定比例轉(zhuǎn)換成小電壓（0-5v）再通過Vout將電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到MCU處理并且顯示出來（即達(dá)到測(cè)量電壓的效果）。圖中Vin：為被測(cè)電壓正輸入端；COM：為被測(cè)電壓地；A、B、C為MCU的I/O控制端，通通過A、B、C三端電平組合狀態(tài)可以切換被測(cè)電壓范圍（分別是0-5v、0-30v、0-125v、0-255v）。4.2 直流電流測(cè)量電路圖4.2直流電流測(cè)量電路本電路功能是將被測(cè)直流電流或微直流電流放大并且轉(zhuǎn)換成

12、電壓輸出。通過選擇不同的電阻網(wǎng)絡(luò)可以改變放大倍數(shù)。4.3 電阻測(cè)量電路圖4.3 電阻測(cè)量電路圖此電路通過測(cè)被測(cè)電阻兩端的電壓，然后將此電壓與相應(yīng)檔位的電阻兩端的電壓的比值，MCU控制四個(gè)檔位。4.4 測(cè)電容電路圖 4.4 電容測(cè)量電路圖通過T=0.693*R*C，得C=T/(0.693*R),在被測(cè)端接入被測(cè)電容，根據(jù)3腳輸出的脈沖周期求出電容的大小。4.5 最小系統(tǒng)電路圖 4.5 最小系統(tǒng)圖五測(cè)試方案5.1 硬件調(diào)試測(cè)試儀器與方法1.測(cè)試儀器測(cè)試儀器包括數(shù)字萬用表、直流穩(wěn)壓電源等。2.測(cè)試方法數(shù)字萬用表主要用來測(cè)試分立元件的電阻、壓降等參數(shù)，以檢測(cè)模塊是否可行。軟件KEIL4用于調(diào)試軟件。5

13、.2 軟件調(diào)試本程序較大且復(fù)雜，因此采用C語言編寫，通過keil軟件的不斷調(diào)試修改，采自下而上的調(diào)試方法，先調(diào)試功能模塊電路，再調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)。在調(diào)試的過程中與硬件的調(diào)試相結(jié)合，提高了調(diào)試的效率。程序參考附錄一。5.3 硬件軟件聯(lián)合調(diào)試當(dāng)軟件和硬件的基本功能分別調(diào)試后，進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試及優(yōu)化。在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)產(chǎn)生對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是

14、使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)蝹€(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫及調(diào)試；模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用；模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便；模塊程序簡(jiǎn)單性為觀察者帶來方便。5.4測(cè)試流程5.4.1 整體測(cè)試流程圖5.1 整體測(cè)試流程圖5.4.2電壓測(cè)試流程圖5.2 電壓測(cè)量流程圖5.4.3 電阻測(cè)量流程圖 5.3 電阻測(cè)量流程圖5.4.4 電流測(cè)試流程圖5.4 電流測(cè)試流程圖5.5 測(cè)試結(jié)果5.5.2 電流測(cè)試結(jié)果 表 一待測(cè)電流測(cè)量電流誤差