萬用表課程設計報告

PAGE23電子測量課程設計題目數(shù)字萬用表的設計與制作學院名稱電氣工程學院指導老師班級電子3班學號學生姓名二0一二年一月摘要本文介紹的是數(shù)字萬用表的發(fā)展背景和利用單片機，A/D轉換芯片結合的方法設計一個數(shù)字萬用表。它的具體功能是：測量直流電壓5V擋和50V擋，測量電阻1k歐姆，10k歐姆，100k歐姆，1M歐姆，測量電流。單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術集成了具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)。隨著單片機技術的飛速發(fā)展，各種單片機蜂擁而至，單片機技術已成為一個國家現(xiàn)代化科技水平的重要標志。本課程設計的課題是“數(shù)字萬用表的設計”。主要考核我們對單片機技術，編程能力等方面的情況。觀察獨立分析、設計單片機的能力，以及實際編程技能。本課程設計主要解決電阻、交直流電流、交直流電壓的測量，被測量最后都是以電壓的形式送入AD進行測量的、A/D轉換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等六個模塊?？刂葡到y(tǒng)采用STC89C52單片機，A/D轉換采用ADC0804,顯示部分用1602液晶。關鍵字：數(shù)字萬用表A/D轉換與控制ADC0804單片機ABSTRACTThisarticleintroducedadigitalwatchmillioninthedevelopmentofthebackgroundandtheuseofamonolithicintegratedcircuits,theconversionofawaydchipdesignanumberofschedule.itsfunctionisadcvoltage5v,tomeasurethegearand50v,measuredinohm.resistance1k10ktheohm,theohm,100k1mohms,thecurrentmonolithicintegratedcircuits.acomputerchip,technicalintegrationVLSIadataprocessingcapabilityas(arithmetic,logicanddata,networkinterrupthandling)microprocessor(cpu)monolithicintegratedcircuits.astechnologyevolved.monolithicintegratedcircuitstomonolithicintegratedcircuitstechnologyhasbecomeamoderncountryleveloftechnology.thiscourseoftheimportantissueof"digitaldesignamillioninthedesignofthe"monolithicintegratedcircuits.themainexaminationinourabilityintechnicalandprogrammatic.Programmingabilitytoobservethesituation.anindependentanalysis,designingmonolithicintegratedcircuits,andpracticalskillsinprogramming.thiscourseisdesignedmainlytosolvethecurrent,voltage,stc89c52monolithicintegratedcircuits,theuseofADC0804thatwasliquidcrystal.keyword：DigitaluniversalmeterADchangsandcontrolsADC0804One-chipcomputer目錄一．課程設計任務1.1設計目的1.2設計指標與要求二．數(shù)字萬用表、STC89C52單片機及ADC0804芯片簡介2.1數(shù)字萬用表簡介2.2STC89C52單片機簡介2.3ADC0804芯片簡介三.數(shù)字萬用表設計的兩種方案介紹3.1由數(shù)字電路及芯片構造3.2由單片機系統(tǒng)及AD轉換芯片構造四．硬件電路系統(tǒng)模塊的設計4.1單片機最小系統(tǒng)4.2AD轉換芯片與單片機的連接4.3單片機與LCD1602的連接4.44.54.64.74.84.94.10系統(tǒng)軟件的設計總結參考文獻附錄附錄1：實物圖附錄2：元件清單課程設計任務1.1設計目的采用8位8路A/D轉換器ADC0804和STC89C52單片機，設計一臺數(shù)字多用表，能進行電壓、電流和電阻的測量，測量結果通過LED數(shù)碼管顯示，通過按鍵進行測量功能轉換。1.2設計指標及要求電壓測量范圍0~5V，測量誤差約為0.02V，電流測量范圍1~100mA，測量誤差約為0.5mA，電阻測量范圍0~1000Ω，測量誤差約為2Ω。二．數(shù)字萬用表、STC89C52單片機及ADC0804芯片簡介2.1數(shù)字萬用表簡介數(shù)字萬用表采用的是數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后再通過顯示器件顯示。這種電子測量的儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計算機的應用逐漸推廣到系統(tǒng)的自動控制信實驗研究的領域，提出了將各種被觀察量或被控制量轉換成數(shù)碼的要求，即為了實時控制及數(shù)據(jù)處理的需要；另一方面，也是電子計算機的發(fā)展，帶動了脈沖數(shù)字電路技術的進步，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測量儀表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計算機的發(fā)展是密切相關的；同時，為革新電子測量中的繁瑣和陳舊方式也催促了它的飛速發(fā)展，如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。 如今，數(shù)字萬用表已絕大部分已取代了傳統(tǒng)的模擬指針式萬用表。因為傳統(tǒng)的模擬指針式萬用表功能單一，精度低，讀數(shù)的時候也非常不方便，很容易出錯。而采用單片機的數(shù)字萬用表由于測量精度高，速度快，讀數(shù)時也非常的方便，抗干擾能力強，可擴展性強等優(yōu)點已被廣泛的應用于電子及電工的測量，工業(yè)自動化儀表，自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，顯示出強大的生命力。目前實現(xiàn)萬用數(shù)字化測量的方法仍然模-數(shù)（A/D）轉換的方法。而數(shù)字萬用表種類繁多，型號新異，目前國際仍未有統(tǒng)一的分類方法。而常用的分類方法有如下幾種：按用途來分：有直流數(shù)字萬用表，交、直流數(shù)字萬用表，交直流萬用表等。按顯示位數(shù)來分：有4位，5位，6位，7位，8位等。按測量速度來分：有低準確度，中準確度，高準確度等。按測量速度來分：有低速，中速，高速，超高速等。在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量。其中，電壓量的測量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字萬用表就成為一種必不可少的測量儀器。另外，由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點而倍受用戶青睞，數(shù)字式萬用表就是基于這種需求而發(fā)展起來的，是一種必不可少的電子測量儀表。2.2STC89C52單片機簡介51系列STC89C52，它是低電壓、低功耗、高性能的CMOS8位單片機，片內含8KB的可反復擦寫的只讀程序存儲器和256B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，片內振蕩器及時鐘電路，并與MCS-51系列單片機兼容。在設計中，單片機起著連接硬件電路與程序運行及存儲數(shù)據(jù)的任務，一方面，它將A/D轉換器、顯示器等通過I/O口地址線和數(shù)據(jù)線連接起來；另一方面，它將用戶下載的程序通過控制總線控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，從而實現(xiàn)測電壓的功能。2.3ADC0804芯片簡介ADC0804芯片引腳圖ADC0804工作原理ADC0804是屬于連續(xù)漸進式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D轉換器，這類型的A/D轉換器除了轉換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價錢便宜的優(yōu)點，普遍被應用于微電腦的接口設計上。以輸出8位的ADC0804動作來說明“連續(xù)漸進式A/D轉換器”的轉換原理，動作步驟如下表示（原則上先從左側最高位尋找起）。第一次尋找結果：10000000（若假設值≤輸入值，則尋找位＝假設位＝1）第二次尋找結果：11000000（若假設值≤輸入值，則尋找位＝假設位＝1）第三次尋找結果：11000000（若假設值>輸入值，則尋找位＝該假設位＝0）第四次尋找結果：11010000（若假設值≤輸入值，則尋找位＝假設位＝1）第五次尋找結果：11010000（若假設值>輸入值，則尋找位＝該假設位＝0）第六次尋找結果：11010100（若假設值≤輸入值，則尋找位＝假設位＝1）第七次尋找結果：11010110（若假設值≤輸入值，則尋找位＝假設位＝1）第八次尋找結果：11010110（若假設值>輸入值，則尋找位＝該假設位＝0）這樣使用二分法的尋找方式，8位的A/D轉換器只要8次尋找，12位的A/D轉換器只要12次尋找，就能完成轉換的動作，其中的輸入值代表圖1的模擬輸入電壓Vin。分辨率與內部轉換頻率的計算對8位ADC0804而言，它的輸出準位共有28＝256種，即它的分辨率是1/256，假設輸入信號Vin為0～5V電壓范圍，則它最小輸出電壓是5V/256＝0.01953V，這代表ADC0804所能轉換的最小電壓值。表1列出的是8～12位A/D轉換器的分辨率和最小電壓轉換值。表1A/D轉換器的分辨率和最小電壓值位數(shù)目分辨率最小電壓轉換值81/2560.01953V101/10240.00488V121/40960.00122V圖2ADC0804與CPLD&FPGA、8051單片機等典型連接圖頻率計算方式是：fCK＝1/(1.1×R×C)若以圖2的R＝10KΩ、C＝150PF為例，則內部的轉換頻率是fCK＝1/（1.1×10KΩ×150PF）＝606KHz三.數(shù)字萬用表設計的兩種方案介紹設計數(shù)字萬用表有多種的設計方法，方案是多種多樣的，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導致對模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進而又使對數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實的工作生活中，萬用表的測量范圍是比較大的，所以必須對輸入信號進行衰減，而各個數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹兩種數(shù)字萬用表的設計方案。3.1由數(shù)字電路及芯片構造這種設計方案是由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、A/D轉換器和基準電壓源；數(shù)字部分包括計數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，A/D轉換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是相互聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定的時序將A/D轉換器中各組模擬開關接通或斷開，保證A/D轉換正常進行。A/D轉換結果通過計數(shù)譯碼電路變換成段碼，最后驅動顯示器顯示出相應的數(shù)值。此方案設計其優(yōu)點是，設計成本低，能夠滿足一般的電壓測量。但設計不靈活，都是采用純硬件電路。很難將其在原有的基礎上進行擴展。3.2由單片機系統(tǒng)及AD轉換芯片構造這種方案是利用單片機系統(tǒng)與模數(shù)轉換芯片、顯示模塊等的結合構建數(shù)字電壓表。由于單片機的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機系統(tǒng)的軟硬件結合，可以組裝出來。此方案的原理是模數(shù)（A/D）轉換芯片的基準電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準電壓和被測電壓。模數(shù)（A/D）轉換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉換成相應的數(shù)字信號，然后通過對單片機系統(tǒng)進行軟件編程，使單片機系統(tǒng)能按規(guī)定的時序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法計算出被測量電量的值。最后單片機系統(tǒng)將計算好了的被測電量值按一定的時序送入顯示電路模塊加以顯示。此方案不僅能夠繼承上一種方案的各種優(yōu)點，還能改進上一種設計方案設計不靈活，難與在原基礎上進行功能擴展等不足。根據(jù)上述，我選擇單片機與A/D轉換芯片結合的方法實現(xiàn)本設計。使用的基本元器件是：STC89C51單片機，TLC2543模數(shù)轉換芯片，LM339電壓比較器，CD4051模擬開關，1602液晶顯示器，開關，按鍵，電容，電阻，晶振，標準電源等等。硬件電路系統(tǒng)模塊的設計4.1單片機最小系統(tǒng)4.2AD轉換芯片和單片機的連接4.3單片機與LCD1602的連接4.44.54.64.74.8PCB圖4.9交流電壓和電阻測量模塊交流電壓和電阻測量模塊的電路原理圖如下所示：交流電壓和電阻測量模塊的電路PCB圖如下所示：4.10峰值檢波器電路原理峰值檢波器工作原理：峰值檢波器，它是一個能記憶信號峰值的電路，其輸出電壓的大小，一直追隨輸入信號的峰值，而且保持在輸入信號的最大峰值。

峰值檢波器電路

當V1〉V時，信號由（+）端加入，OPA的輸出Va為正電壓，二級管D導通，于是輸出電流經(jīng)D對電容C充電一直充至與Vi相等之電壓。（當D導電時此電路作用如同—電壓跟隨器）。當V1〈V。時：OPA的輸出Va為逆向偏壓，相當于開路，于是電容C既不充電也不放電，維持于輸入之最大值電壓。下圖為輸出與輸入的充放電情形，其中輸出波形V。，一直保持在輸入波形Vi的最大峰值。峰值檢波、準峰值檢波和平均值檢波的區(qū)別采用準峰值檢波是民用電磁騷擾發(fā)射測試特點，由于民用的電磁兼容產(chǎn)品族標準都是從CISPR標準轉化過來的，這些標準都是為了保證通信和廣播的暢通而編制的，因此騷擾對通信和廣播的影響最終是有人的主觀聽覺效果來判斷，平均值檢波和峰值檢波都不足以描述脈沖的幅度，寬度和頻度對視覺造成的影響，而必須用準峰值檢波，只有準峰值檢波才比較符合人耳對聲音的反應規(guī)律。幾種檢波方式的各自特點：

1.平均值檢波：其最大特點是檢波器的充放電時間常數(shù)相同，特別適用于對連續(xù)波的測量。2.峰值檢波：它的充電時間常數(shù)很小，即使是很窄的脈沖也能很快充電到穩(wěn)定值，當中頻信號消失后，由于電路的放電時間常數(shù)很大，檢波的輸出電壓可在很長一段時間內保持在峰值上。峰值檢波的特點首先在軍用設備的騷擾發(fā)射試驗中被優(yōu)先采用，因為好多軍用裝備只要單次脈沖的激勵就可以造成爆炸或數(shù)字設備的誤動作，而無需像音響設備那樣講究時間的積累。

3.準峰值檢波：這種檢波器的沖放點時間常數(shù)介于平均值于峰值之間，在測量周期內的檢波器輸出既與脈沖幅度有關，又與脈沖重復頻率有關，其輸出與干擾對聽覺造成的效果相一致。4．準峰值測試的主要問題與改進措施

用準峰值檢波方式進行測試的主要問題是測量時間長。表1是準峰值檢波和峰值檢波的測試時間比較。

采由于準峰值測量占用的時間比較長，測試的效率比較低，作為改進，實用中常用峰值檢波作第一輪測試，因為三種檢波當中，用峰值檢波得到的測值應當最高，如果首輪測值比標準給定的準峰值和平均值都要來得低的話，則以后的試驗不用進行，便能判定試驗已經(jīng)通過。如果峰值測試中有部分測值高于標準規(guī)定準峰值和平均值，則就取超過部分的頻段補做準峰值和平均值的測試，即使這樣，整個測試時間也短于全部用準峰值和平均值檢波的測試。系統(tǒng)軟件的設計電壓表程序如下：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitADCS=P3^2;sbitADRD=P3^7;sbitADWR=P3^6;sbitlcdrs=P2^6;sbitlcdrw=P2^5;sbitlcden=P2^4;voiddelay(uintxms){uinti,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}voidwrite_com(ucharcom){lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;_nop_(); _nop_();P0=com;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();lcden=1;_nop_();_nop_();_nop_();lcden=0;}voidwrite_data(uchardate){lcdrs=1;lcden=0;lcdrw=0;P0=date;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();lcden=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();lcden=0;}voidlcd_init(){write_com(0x38);delay(1);write_com(0x0c);delay(1);write_com(0x06);delay(1);write_com(0x01);delay(1);}voidlcd_pos(ucharpos){ write_com(pos|0x80); //設定顯示位置}voiddis1(uchari){ switch(i) { case0: write_data(0x30); break; case1: write_data(0x31); break; case2: write_data(0x32); break; case3: write_data(0x33); case4: write_data(0x34); break; case5: write_data(0x35); break; case6: write_data(0x36); break; case7: write_data(0x37); break; case8: write_data(0x38); break; case9: write_data(0x39); break; case10: write_data(0x55); break; case11: write_data(0x3a); break; case12: write_data(0x2e); break; case13: write_data(0x76); break; case14: write_data(0x3e); break; case15: write_data(0x3e); break; case16: write_data(0x57); break; case17: write_data(0x65); break; case18: write_data(0x6c); break; case19: write_data(0x63); break; case20: write_data(0x6f); break; case21: write_data(0x6d); break; case22: write_data(0x65); break; }}voiddisplay(ucharbai,ucharshi,ucharge){