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文檔簡介
1、目錄1 前言1 1.1 課題的提出1 1.2 研究的意義1 1.3 設計的任務12 總體方案確定1 2.1 方案比較及選擇1 2.1.1 模數(shù)轉換芯片方案1 2.1.2 顯示器方案4 2.2 確定設計方案53 系統(tǒng)硬件分析及設計5 3.1 數(shù)字萬用表的基本原理5 3.1.1 模數(shù)轉換及顯示電路原理5 3.1.2 多量程數(shù)字電壓表原理6 3.1.3 多量程數(shù)字電流表原理6 3.1.4 電阻測量原理7 3.2 硬件系統(tǒng)總體設計框圖8 3.3 硬件電路所用芯片及元件介紹8 3.3.1 STC的89C52單片機的特點及功能介紹8 3.3.2 PCF8591模數(shù)及數(shù)模轉換芯片介紹11 3.3.3 LCD
2、1602液晶顯示器介紹12 3.4 硬件電路設計13 3.4.1 電源部分13 3.4.2 電壓衰減電路14 3.4.3 電流衰減電路14 3.4.4 電阻-電壓變換電路15 3.4.5 模數(shù)轉換部分15 3.4.6 報警提示部分16 3.4.7 單片機最小系統(tǒng)16 3.4.8 顯示輸出部分17 3.4.9 開關及量程選擇部分17 3.4.10 整體硬件電路18 3.5 電路工作過程描述184 系統(tǒng)軟件設計18 4.1 C語言概述18 4.2 軟件設計思路19 4.3 程序流程圖19 4.3.1 系統(tǒng)軟件總流程圖19 4.3.2 電壓測量流程圖20 4.3.3 電流測量流程圖20 4.3.4
3、電阻測量流程圖205 測試及實驗分析21 5.1 電路功能仿真21 5.1.1 數(shù)字電壓表功能仿真21 5.1.2 數(shù)字電流表功能仿真22 5.1.3 數(shù)字歐姆表功能仿真236 總結23參 考 文 獻24附 錄25摘要 基于51單片機的數(shù)字萬用表,可用于測量直流電壓、直流電壓及電阻,并使用1602進行顯示。系統(tǒng)由分壓電阻、分流電阻、電阻-電壓變換電路、單片機最小系統(tǒng)、液晶顯示器、報警器、模數(shù)轉換器及等部分組成。采用STC公司的89C52單片機作為主控芯片,PCF8591作為模數(shù)轉換芯片。主控芯片與模數(shù)轉換芯片之間使用I2C總線進行數(shù)據通訊,簡化了硬件線路,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量準確度。從電源獲
4、取的電壓或電流信號,通過衰減電阻進行衰減后,進入模數(shù)轉換器的模擬輸入端,而待測電阻則通過電阻-電壓變換電路,把阻值轉化為電壓值進行測量。模數(shù)轉換器進行轉換之后,得到的數(shù)字編碼通過I2C總線送回單片機。單片機對數(shù)據進行一定的處理后,測量結果由1602液晶顯示器負責輸出。設計的數(shù)字萬用表共分為6個檔位,分別是2V電壓、20V電壓、200mA電流、2A電流、2k電阻、20k電阻,超出量程時會自動使用蜂鳴器進行報警提示。本系統(tǒng)程序執(zhí)行周期耗時較短,保證了系統(tǒng)的響應速度。經過初步調試,本系統(tǒng)能較準確的測量量程范圍內的電壓及電流值,誤差范圍均在8%以內,而電阻值測量的誤差值稍大,誤差范圍在8.2%以內。另
5、外,本文詳細地介紹了89C52型單片機及PCF8591模數(shù)轉換芯片的基本功能及性能特征,并敘述了數(shù)字萬用表測量電壓、電流及電阻的基本原理。關鍵詞:數(shù)字萬用表 89C52單片機 模數(shù)轉換III1 前言1.1 課題的提出數(shù)字萬用表是一種多用途電子測量儀器。它采用數(shù)字化測量技術,把實際測量的模擬量,轉化為離散的數(shù)字量進行輸出顯示,主要用于物理、電氣、電子等測量領域,一般包含電流表(安培計)、電壓表(伏特計)、電阻表(歐姆計)等功能,也稱為萬用計、多用計、多用電表或萬用電表。1.2 研究的意義萬用表是電子和電氣技術領域必備的測量儀器,用于測量電子電路中的各種物理量(電壓、電流、電阻等),常作為基本故障
6、診斷的便攜式裝置,也有放置在工廠或實驗室工作臺上作為桌上型裝置。有的萬用電表分辨率能達到七、八位數(shù),常用在實驗室,作為電壓或電阻的基準,或用來調校多功能標準器的性能。相比傳統(tǒng)的指針式萬用表,數(shù)字萬用表具有以下的主要優(yōu)點:(1)數(shù)字顯示直觀準確,無視覺誤差,讀數(shù)準確;(2)測量精度和分辨率都很高;(3)輸入阻抗高,減少對被測電路的工作影響;(4)電路集成度高,便于組裝和維修;(5)測量功能齊全,測量速率快;(6)保護功能齊全,有過壓、過流保護電路;(7)功耗低,抗干擾能力強;(8)便于攜帶,使用方便。1.3 設計的任務本次設計的任務是制作一個數(shù)字萬用表,可實現(xiàn)如下的功能及要求:(1)可以測量直流
7、電壓、直流電流和電阻;(2)能將測量得到的數(shù)值直觀、準確地顯示出來,并標明相應的單位;(3)具有超量程時的報警提示。2 總體方案確定2.1 方案比較及選擇2.1.1 模數(shù)轉換芯片方案方案一:積分型模數(shù)轉換芯片積分型模數(shù)轉換器又稱雙斜率或多斜率數(shù)據轉換器,是典型的雙斜率轉換器。積分型轉換器包含兩個主要的轉換步驟:前端的電路負責輸入模擬電壓的采樣和量化,產生一個在時域上間隔的的脈沖序列,然后將脈沖輸入計數(shù)器并轉換為數(shù)字進行輸出。積分型轉換器由一個可進行輸入通道切換的模擬積分器、一個比較器及一個計數(shù)器組成。在一個固定的時間間隔內,積分器對輸入電壓信號進行積分。定時時間到后,計數(shù)器被復位并將其輸入連接
8、到反向極性的基準電壓端上。由于反極性信號中的作用,積分器會進行反向積分,直到輸出為零,使計數(shù)器中止工作復位積分器。積分型模數(shù)轉換器的精度可以達到很高,有效抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾,適合在嘈雜的工業(yè)環(huán)境及對轉換速率要求較低的場合下使用。圖1所示為雙積分型模數(shù)轉換器的原理框圖。圖1 積分型模數(shù)轉換器原理框圖方案二:逐次比較(逼近)型模數(shù)芯片逐次比較型轉換器包含一個比較器、一個數(shù)模轉換器、一個數(shù)碼寄存器和一個電路控制單元。轉換時的逐次逼近是按對分原理,由控制電路完成的。在邏輯控制電路產生的時鐘信號驅動下,數(shù)碼寄存器不斷進行比較和移位操作,直至完成全部有效位的轉換。此時數(shù)碼寄存器的各位的值都已確定
9、,轉換步驟完成。由于逐次逼近型模數(shù)轉換器在單個時鐘周期內只能完成1位轉換,N位轉換需要N個時鐘周期,因此這種模數(shù)轉換器采樣速率不高,輸入帶寬也較低。圖2所示為逐次比較型模數(shù)轉換器的原理框圖。圖2 逐次比較型模數(shù)轉換器原理框圖方案三:并聯(lián)比較型模數(shù)芯片并聯(lián)比較型模數(shù)轉換器由電阻分壓器、電壓比較器及編碼電路組成,輸出的各位數(shù)碼是一次形成的,它是轉換速度最快的一種模數(shù)轉換器。圖3所示為并聯(lián)比較型模數(shù)轉換器的原理框圖。圖3 并聯(lián)比較型模數(shù)轉換器原理框圖圖3中,8個大小相等的電阻串聯(lián)構成電阻分壓器,產生不同數(shù)值的參考電壓,共形成共7種量化電平。7個量化電平分別加在7個電壓比較器的反相輸入端,模擬輸入電壓
10、加在比較器的同相輸入端。當模擬輸入電壓大于或等于量化電平時,比較器輸出為1,否則輸出為0,電壓比較器用來完成對采樣電壓的量化。并聯(lián)比較型模數(shù)轉換器轉換精度主要取決于量化電平的劃分,分得越精細,精度越高。這種轉換器的最大優(yōu)點是具有較快的轉換速度,但所用的比較器及其他硬件較多,輸出數(shù)字量位數(shù)越多,轉換電路將越復雜。由此可知,該類型的模數(shù)轉換器適用于高速度、低精度要求的場合。方案選擇:三個方案相比較,方案一中的積分型模數(shù)轉換器的采樣速度和帶寬都非常低,難以滿足本系統(tǒng)的實時性要求。與方案一和方案二相比,方案三中的并聯(lián)型模數(shù)轉換器轉換速度更高,但是當精度要求較高時,轉換電路將變得復雜且成本較高,因此,選
11、擇方案二的逐次比較型模數(shù)轉換器,擁有中等的轉換速度,且可以達到一定的精度水平。2.1.2 顯示器方案方案一:LED(Light Emitting Diode)數(shù)碼管顯示器LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形,并加上小數(shù)點共八個發(fā)光二極管構成。這些發(fā)光二極管構成段,當特定的段被加上電壓后,這些特定的段就會發(fā)亮,以形成我們能看到的字樣。LED數(shù)碼管通常能夠顯示的數(shù)字和字母有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。LED數(shù)碼管的驅動形式通常分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類:(1)靜態(tài)驅動也稱直流驅動,是指每個數(shù)碼管的每一個段碼,都由一個單片機的I/O口進行驅動,或者使用BCD碼的
12、二-十進位器進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單,顯示亮度高,但缺點也比較明顯,占的用I/O口很多,耗費了單片機的資源并增加了硬體電路的復雜性。(2)動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的各個顯示段的同名端相連,另外為每個數(shù)碼管的公共端增加位選通電路。使用時,控制電路根據數(shù)碼管選取的不同,在特定的位置上顯示字符。透過分時技術輪流地控制每個數(shù)碼管,使各個數(shù)碼管輪流進行發(fā)光顯示,由于人眼的視覺殘留現(xiàn)象及LED的余輝效應,會出現(xiàn)各個位上的數(shù)碼管在同時顯示的假象。相比靜態(tài)驅動,動態(tài)驅動節(jié)省單片機的I/O口,硬件電路更加簡化,但顯示亮度會明顯降低且可能有閃爍感。方案二:1602液晶顯示器1602液晶顯示器是一個兩行每行
13、16個5×7點陣字符的微型液晶顯示器,可以顯示較多ASCII標準的字符。1602液晶只有16個引腳,僅包含必要的數(shù)據線及數(shù)根控制線。1602液晶顯示的不需要占用單片機大量的掃描時間,而僅在需要顯示的時候調用液晶的控制子函數(shù)即可。而且1602液晶可以通過ASCII碼來顯示字符,并在內部集成了存儲160個字符ASCII碼的寄存器,可以直接顯示ASCII碼表示的字符。而且液晶能比數(shù)碼管顯示更多的字符,增強了系統(tǒng)顯示輸出的可讀性和直觀性。方案選擇:與方案二相比,方案一中的數(shù)碼管,雖然成本較低,但是耗費大量的單片機資源,不利于后續(xù)系統(tǒng)的設計。而且液晶顯示的視覺效果和可讀性遠優(yōu)于數(shù)碼管,且節(jié)省單
14、片機資源,因此選擇方案二。2.2 確定設計方案經過了上述的比較,最終的方案是:使用逐次比較型模數(shù)轉換芯片,獲取系統(tǒng)良好的實時性及相對高的精度;使用1602液晶作為數(shù)據輸出顯示器,提高系統(tǒng)的人機交互方面的友好性。3 系統(tǒng)硬件分析及設計3.1 數(shù)字萬用表的基本原理數(shù)字萬用表的基本功能是,能夠測量直流電壓、電流以及電阻的阻值,數(shù)字萬用表的基本組成由圖4所示,其中,模數(shù)轉換是數(shù)字萬用表的核心:小數(shù)點驅動(根據物理量和量程)數(shù)值顯示屏(數(shù)碼管或液晶)基準電壓數(shù)模轉換,數(shù)值輸出基準電阻分壓器分流器過壓過流保護過壓過流保護譯碼驅動被測量信號圖4 數(shù)字萬用表的基本原理圖3.1.1 模數(shù)轉換及顯示電路原理實際的
15、物理量都是幅值大小連續(xù)變化的模擬量,或稱為模擬信號。舊式的指針萬用表可以直接對模擬電壓、電流進行測量并顯示。對于數(shù)字萬用表,則需要把模擬量(多是電壓量)轉換為數(shù)字信號的形式,通過相關的處理(包括存儲、傳輸、計算等)再進行顯示。數(shù)字信號是量化的模擬信號,若將最小的量化單位記為,那么數(shù)字信號的大小一定為的整數(shù)倍。該倍數(shù)可以用二進制數(shù)碼表示,但為了便于直觀地讀數(shù),通常把數(shù)碼進行譯碼后,由數(shù)碼管或液晶屏幕顯示。當模擬信號經過量化之后,還需要進行編碼處理,是用二進制碼組表示固定電平的量化值。目前普遍使用的是非線性的8位二進制編碼,可以將輸入的幅度范圍分成256個量化級。由此可知,數(shù)字萬用表測量的核心步驟
16、是模數(shù)轉換以及譯碼顯示,其中模數(shù)轉換又可以分為量化及編碼兩大步驟。3.1.2 多量程數(shù)字電壓表原理圖5 分壓電路的原理如圖5所示,在基準數(shù)字電壓表頭前加上一級電壓信號衰減電路(分壓電路),可以擴展直流電壓測量的量程。圖中,Vo為輸出電壓,基準電壓表的量程為2V,四個分壓電阻串聯(lián)值為10M,則第4個開關接入時輸入電壓Vi可以達到2000V,同理可得其他檔位量程分別為2V、20V、200V、200V。但基于測試安全性,第4檔測試電壓不應高于500V。3.1.3 多量程數(shù)字電流表原理圖6 分流電路的原理如圖6電路所示,萬用表測量電流的原理是,用合適的取樣電阻,將待測的電流量根據歐姆定律轉換為電壓量,
17、才能進行測量。若取樣電阻阻值為R,根據歐姆定律,可以獲得被測電流Ii的值。在基準數(shù)字電流表頭前在加上電流信號衰減電路(分流電路),即可實現(xiàn)直流電流測量量程的擴展。如上圖所示,四個電阻串聯(lián)值是1k,若選取第1擋,并使輸出電壓不超過2V,即可計算出Ii必須小于等于2mA。同理可計算出其他檔位的滿量程電流分別為20mA、200mA、2A。3.1.4 電阻測量原理圖7 電阻-電壓變換電路的原理數(shù)字萬用表通常采用電阻-電壓變換電路來測量電阻(歐姆檔)。如圖7所示電路,VDZ1是2.7V穩(wěn)壓管,是一種用特殊工藝制造的硅半導體二極管(康華光,2006)。VT1、VT2、VDZ1組成恒流源,保持V3的值恒定不
18、變。V3的值等于V1電壓減去VDZ1上的電壓,約為2.3V。VT3的基極電壓亦保持不變,若VT3基極和發(fā)射極之間的電壓為0.5V,則可知V2的值恒為2.8V左右,并可得出VT3集電極電流的IC3也是恒定的。其中,接在VT3的發(fā)射極上的一組電阻是基準電阻,按檔位不同分別是:2.2k、22k、220k、2M。通過選擇不同的檔位開關,可以得到恒定的、不同倍率的電流IC3,它的電流分別是1mA、0.1mA、0.01mA、0.001mA。RX是待測電阻,接在VT3的集電極上,當恒定電流IC3流經時,產生電壓VX,測量VX則可推算出待測電阻的阻值。RW用于調整恒流源IC3的大小,VD3作為保護管,當電阻檔
19、所加的電壓過高時,VD3對VT3有保護作用。3.2 硬件系統(tǒng)總體設計框圖如圖8所示,本設計將由以下幾大部分組成。包括:復位電路、震蕩電路、A/D轉換和控制、測量值輸出、超量程報警和檔位選擇。其中,復位電路用于單片機上電復位使系統(tǒng)清零;震蕩電路為單片機提供精確的時鐘頻率,使電路工作更加穩(wěn)定;A/D轉換和控制部分負責模數(shù)轉換及輸入輸出信號的控制;測量值輸出則負責顯示待測物理量大小的數(shù)值;超量程報警用于超出量程范圍時的報警提示,提醒使用者更換量程。 復位電路震蕩電路A/D輸入測量值顯示超量程報警A/D使能主控單元圖8 硬件系統(tǒng)總體設計框圖3.3 硬件電路所用芯片及元件介紹3.3.1 STC的89C5
20、2單片機的特點及功能介紹(1)89C52單片機的主要特點及功能特性89C52是一款低電壓,高性能的8位CMOS型單片機,片內有8k字節(jié)以Flash閃存為介質的,能擦寫的只讀程序存儲器及256字節(jié)的隨機存取數(shù)據存儲器。89C52型單片機仍屬于51單片機家族群,都支持一個共同的指令集(MSC-51),但各自擁有不同的存儲器容量及端口設置等內置資源,使其更符合成本效益的需要,滿足特定的場合的生產需求。該單片機在嵌入式控制應用系統(tǒng)中有著廣泛的應用。89C52具有以下幾個主要特點:1體積小但集成度高、可靠性較高:該單片機把各個功模塊集成在一塊芯片上,內部采用總線結構,將各種信號的通道封裝在同一個芯片中,
21、減少了與其他芯片之間的連線,大大提高了可靠性與線路的抗干擾能力。2控制能力較強:一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極為豐富的轉移指令、存儲器讀寫指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能,滿足工業(yè)控制的各種要求。3易于擴展:單片機片內已經具有計算機正常運行時所必需的部件,但仍然預留了很多片外擴展用的引腳(各種總線,并行/串行的輸入/輸出),易于組成更龐大計算機系統(tǒng)完成更復雜的任務。4內部功能較強:單片機有著各種的內部資源,功能強大。5低功耗、低電壓,便于生產便攜式產品。下面介紹89C52單片機的主要功能特性:1兼容標準的MCS-51的指令系統(tǒng);2內置8k字節(jié)可擦寫的閃存ROM(Read-Only Memo
22、ry);34組共32個雙向I/O口;4256×8位大小的內部RAM;53個16位可編程定時/計數(shù)器中斷;6支持3.5-12/24/33MHz多種時鐘頻率;71個全雙工可編程的UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitte)串行口;86個中斷源,4級優(yōu)先級中斷結構;92個W/R(Write/Read)讀寫中斷口,3級加密位;10低功耗空閑和掉電節(jié)省模式,帶有軟件設置睡眠及相應的喚醒功能;11有PDIP及 PLCC兩種封裝形式。圖9 89C52單片機引腳圖 89C52單片機引腳主要功能:14組I/O口P0口:一組8位漏極開路的準雙向并行I/
23、O口,擴展片外存儲時的地址/數(shù)據總線復用口。作為輸出口用時,每位能驅動8個LS型TTL負載,對端口P0寫“1”時,可作為高阻抗輸入端用。P0口與其他幾組I/O口的最大區(qū)別是其內部不帶有上拉電阻。P1口:是一組帶內置上拉電阻的8位雙向并行I/O 口,P1的輸出緩沖級可驅動4個TTL 負載。對端口寫“1”,通過內部的上拉電阻把端口拉至高電平后,可作輸入口。作輸入口使用時,因為內部存在上拉電阻,引腳被外部信號拉低時會輸出電流。另外,P1的P1.0和P1.1口存在第二功能,見下表。表1 P1口的第二功能引腳號功能特性P1.0T2(定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入),時鐘輸出P1.1T2EX(定時/計數(shù)器2
24、的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制)P2口:是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O并行 口,P2 的輸出緩沖級可驅動4個TTL負載。作輸入及輸出口時,情況與P1口相似。擴展片外存儲時,作為低8位地址總線口。P3口:是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向并行I/O 口。P3口輸出緩沖級可驅動4個TTL負載。作為輸入及輸出口時,情況與P1口相似。P3 口還能接收一些用于Flash存儲器編程和程序校驗的控制信號。P3 口除了作為一般的I/O 口線外,更重要的用途是它的第二功能,見表2。2其他引腳RST:復位輸入。當振蕩器工作時,RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。EA/VPP:外部訪問允許
25、。要讓CPU只訪問外部程序存儲器(地址為0000HFFFFH),EA 端必需保持低電平(或接地)。當EA端為高電平(接Vcc端)時,CPU會執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。XTAL1:振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。VCC:接電源+5V。GND:接地端。表2 P3口的第二功能引腳號功能特性P3.0RXD(串行輸入)P3.1TXD(串行輸出)P3.2INT0(外部中斷0)P3.3INT1(外部中斷1)P3.4T0(定時器0外部輸入)P3.5T1(定時器1外部輸入)P3.6WR(外部數(shù)據存儲器寫有效)P3.7RD(外部數(shù)據存儲器讀有效)3.3.2 PC
26、F8591模數(shù)及數(shù)模轉換芯片介紹(1)PCF8591芯片的主要功能特征PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗及8位CMOS工藝制造的AD-DA器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0、A1和A2可用于硬件地址編程。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。(2)PCF8591芯片的引腳功能圖10 PCF8591的引腳圖圖10所示為PCF8591的引腳圖。1AIN0AIN3:模擬信號輸入端;2A0A2:引腳地址端;3VDD、VSS:電源端(2.5-6V);4SDA
27、、SCL:I2C總線的數(shù)據線、時鐘線;5OSC:外部時鐘輸入端,內部時鐘輸出端;6EXT:內部、外部時鐘選擇線,采用內部時鐘時EXT接地;7AGND:模擬信號地;8AOUT:數(shù)模轉換輸出端;9VREF:基準電源端。3.3.3 LCD1602液晶顯示器介紹(1)LCD1602液晶顯示器的基本特征LCD1602是工業(yè)字符型液晶,能夠同時顯示16×02共32個字符。1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊,目前市面上的1602液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的,其控制原理是完全相同,因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于
28、大部分1602字符型液晶。(2)LCD1602液晶顯示器的引腳功能LCD1602液晶顯示器的引腳功能如表3所示。表3 1602液晶的引腳功能引腳符號功能引腳符號功能1VSS電源地9D2數(shù)據I/O口2VDD電源正極10D3數(shù)據I/O口3VL液晶顯示偏壓信號11D4數(shù)據I/O口4RS數(shù)據/命令選擇端(H/L)12D5數(shù)據I/O口5R/W讀/寫選擇(H/L)13D6數(shù)據I/O口6E使能信號14D7數(shù)據I/O口7D0數(shù)據I/O口15BLA液晶背光源正極8D1數(shù)據I/O口16BLK液晶背光源負極3.4 硬件電路設計3.4.1 電源部分圖11 電源部分原理圖如圖11所示,POWER端接外部直流電源,另外可
29、以利用USB(Universal Serial Bus)端口直接提供5V電壓。7805是三端穩(wěn)壓集成芯片,起穩(wěn)壓輸出的作用,通過外圍電路的組合,可以穩(wěn)定輸出5V直流電壓。圖中的LED燈可以作為電源電路開始工作的提示器。3.4.2 電壓衰減電路圖12 電壓衰減電路原理圖如圖12所示,R1和R2是分壓電阻,其阻值均為按檔位需要計算后所得,可以將20V的直流電壓衰減為2V輸出,配合20V的直流電壓擋。3.4.3 電流衰減電路圖13 電流衰減電路原理圖如圖13所示,R15和R16是分流電阻,其阻值均為按檔位需要計算后所得,可以將2A的直流電流衰減為200mA,并將電流變換成電壓以供模數(shù)轉換器測量,配合
30、2A的直流電流檔使用。3.4.4 電阻-電壓變換電路圖14 電阻-電壓變換電路原理圖圖14所示電路為電阻測量電路。其中,電阻R13和R14構成一組基準電阻。電路工作時,PNP管Q3的集電極電流IC3是恒定的,R18和R19負責調節(jié)IC3的大小。通過接入不同的電阻(R20或R21),可獲得不同的倍率的集電極電流IC3,電流通過待測電阻Rx形成電壓Vx。通過測量Vx即可獲得待測電阻的阻值。經過計算,可知R20分支可測量的最大電阻值為2k,R21分支為20k。而P4端則是作為待測電阻的接口。3.4.5 模數(shù)轉換部分圖15 模數(shù)轉換部分原理圖圖15所示為模數(shù)轉換部分。PCF8591芯片作為ADC芯片,
31、使用I2C總線與單片機通訊,SCL是串行時鐘,SDA是串行數(shù)據線,輸出轉換后的數(shù)字量。待測模擬量從AIN0進入,其余模擬輸入口因本設計不需使用而接地。AGND端是模擬地,接上0電阻,而VDD接上接地電容,有效分割模擬地和數(shù)字地,減少高頻數(shù)字信號的干擾。3.4.6 報警提示部分圖16 報警提示部分原理圖圖16所示為蜂鳴器驅動電路。當出現(xiàn)測量值超出預定量程時,蜂鳴器會發(fā)出“嘀”聲報警。其實質是通過編程使單片機的引腳輸出低電平,使Q1導通,蜂鳴器發(fā)聲。3.4.7 單片機最小系統(tǒng)圖17 單片機最小系統(tǒng)如圖17所示,本次設計采用STC公司的89C52型單片機作為控制芯片,并采用RC上電復位電路用于單片機
32、復位,配合頻率為11.0592MHz的外部震蕩電路,作為外部時鐘信號,提供單片機片內各種操作的時間基準。P1.0-P1.3作為按鍵的輸入線,P1.4及P1.5分別作為ADC芯片I2C總線的時鐘線和數(shù)據線。P0口作為1602液晶的數(shù)據總線,P2.0和P2.1作為1602液晶的控制線,另外P3.7用作控制蜂鳴器。3.4.8 顯示輸出部分圖18 顯示輸出部分原理圖如圖18所示,采用1602液晶作為輸出顯示器,讀數(shù)更加準確和直觀,能顯示比數(shù)碼管更豐富的信息。其中RS和RE為液晶的控制線,DB0-DB7為液晶的數(shù)據線,均與單片機的相應I/O口相連。Vo端接上一個10k的電位器再接地,通過調節(jié)電位器,可以
33、調節(jié)液晶字符顯示的明暗度,防止“鬼影”現(xiàn)象的出現(xiàn)。3.4.9 開關及量程選擇部分圖19 開關及量程選擇部分原理圖如圖19所示,撥碼開關S1的左側三個端口分別接上分壓器、分流器、電阻測量電路,使用時撥動不同開關,連通對應的電路,測量不同的物理量。而下面的4個按鍵,負責通知單片機當前所選的待測物理量及檔位,改變液晶顯示器數(shù)值的輸出方式。3.4.10 整體硬件電路 見附錄3.5 電路工作過程描述將相應的控制程序寫入單片機是使電路各部分能協(xié)調工作,完成既定任務的前提。通過按鈕選取要測量的物理值(電壓、電流或電阻),然后通過選取合適的量程進行測量,以獲得更準確的測量數(shù)據。單片機通過I2C總線控制PCF8
34、591芯片,完成A/D轉換,并通過該總線讀取其輸出的數(shù)據。單片機根據所選檔位和量程對數(shù)據進行處理后,送至1602液晶處進行輸出。若發(fā)生待測信號超出量程的情況,蜂鳴器會立即報警,提示使用者切換更高的量程進行測量。另外,通過單片機的復位按鈕,可以對系統(tǒng)進行清零。4 系統(tǒng)軟件設計4.1 C語言概述(1)單片機的C語言的特點:1. 本身不依賴機器硬件系統(tǒng),方便從其他系統(tǒng)移植程序直接使用(郭天祥,2009);2. 能方便管理寄存器儲存器和數(shù)據類型等問題,但對相關的硬件的控制有限;3. 在較大的程序代碼中效率更高,在執(zhí)行大應用程序時有優(yōu)勢;4. 程序由若干模塊組成,適用于模塊化設計和維護;5. 相比匯編函
35、數(shù),具有良好的可讀性和可維護性,減少開發(fā)難度;6. 有豐富的庫函數(shù),大大減少用戶的編程強度,縮短編程時間及調試時間,提高軟件的開發(fā)效率;7. 能在不同類型的機器上使用,具有較好的可移植性。(2)單片機的C語言與標準C語言的區(qū)別:1. 標準C語言的庫函數(shù)是按照通用計算機來定義的,而單片機的C語言庫函數(shù)是按照單片機的應用情況來定義的;2. 單片機C語言增加了集中針對單片機特有的數(shù)據類型,如單片機包含位操作空間和豐富的位操作指令;3. 單片機C語言的存儲模式與單片機的存儲器緊密相關。使用不同存儲器將會影響程序執(zhí)行的效率,但標準C語言對存儲模式的要求不高;4. 單片機C語言中有專門的中斷函數(shù)。4.2
36、軟件設計思路本系統(tǒng)軟件設計的思路是:使用C語言,將各部分的驅動程序(1602液晶、模數(shù)轉換器、按鍵、蜂鳴器等)分別編寫在不同子文件中,減少主文件的復雜度,增加可讀性。然后,在主函數(shù)中,先初始化液晶顯示器,然后進入大循環(huán)。在大循環(huán)中,讀取模數(shù)轉換芯片轉換后數(shù)據,并根據按鍵的輸入情況,確定物理量和量程,如果發(fā)生超出量程的情況,調用蜂鳴器進行報警,否則對獲取的數(shù)據進行一定處理,最后發(fā)送至液晶顯示器進行輸出。4.3 程序流程圖4.3.1 系統(tǒng)軟件總流程圖初始化系統(tǒng)開始結束初始化液晶獲取量程信息開始A/D轉換讀取轉換數(shù)據處理數(shù)據超限?送液晶顯示報警YN圖20 軟件總流程圖4.3.2 電壓測量流程圖Y開始
37、電壓量程選擇選擇20V檔位選擇2V檔位結束是否超過2V?N圖21 電壓測量流程圖4.3.3 電流測量流程圖開始電流量程選擇選擇200mA檔位選擇2A檔位結束是否超過2A?NY圖22 電流測量流程圖4.3.4 電阻測量流程圖開始電阻量程選擇選擇2k檔位選擇20k檔位結束是否超過2k?NY 圖23 電阻測量流程圖5 測試及實驗分析5.1 電路功能仿真5.1.1 數(shù)字電壓表功能仿真(1)如圖26所示,當輸入的模擬直流電壓為1.6V時(2V電壓檔),系統(tǒng)測量后,液晶顯示輸出電壓值為1.6V。圖24 2V電壓表仿真圖(2)如圖27所示,當輸入的模擬直流電壓為16V時(20V電壓檔),系統(tǒng)測量后,液晶顯示輸出電壓值為16V。圖25 20V電壓表仿真圖5.1.2 數(shù)字電流表功能仿真(1)如圖28所示,當輸入的模擬直流電壓為180mA時(200mA電流檔),系統(tǒng)測量后,液晶顯示輸出為180mA。圖
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