數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)

1、課程名稱 : 數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)專 業(yè)： 電子信息工程班 級(jí)： 0學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師 ：目錄1、設(shè)計(jì)任務(wù) 31.1設(shè)計(jì)目的31.2設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求32、設(shè)計(jì)思路與總體框圖 33、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 43.1主控芯片4 3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換部分3.3電阻測(cè)量輸入電路63.4電壓測(cè)量輸入電路73、5電流輸入測(cè)量電路93.6 自鎖開關(guān)104、軟件設(shè)計(jì) 104.1 主程序設(shè)計(jì)104.2 A/D轉(zhuǎn)換子模塊115、系統(tǒng)調(diào)試115.1硬件調(diào)試115.2硬件故障115.3硬件調(diào)試方法125.4軟件調(diào)試125.5軟件故障125.6軟件調(diào)試方法126實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理126.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)126.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析137總結(jié)與體會(huì)13

2、7.1 總結(jié)147.2體會(huì)148 參考文獻(xiàn)149 附錄程序141 、設(shè)計(jì)任務(wù)1 1 設(shè)計(jì)目的采用 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0804 和 STC89C51 單片機(jī)，設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)字多用表，能進(jìn)行電 壓、電流和電阻的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果通過 LCD 液晶顯示器顯示，通過按鍵進(jìn)行測(cè)量功能 轉(zhuǎn)換。12設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求電壓測(cè)量范圍020V，測(cè)量誤差約為0.05V，電流測(cè)量范圍1200mA，測(cè)量誤差約為30.5mA，電阻測(cè)量范圍01000 Q,測(cè)量誤差約為2Q。2、設(shè)計(jì)思路與總體框圖1.方案選擇用單片機(jī)STC89C51與ADC0804設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字萬用表，配合分流電阻、分壓電阻、基準(zhǔn)電阻可以測(cè)量直流電壓值，直流電流、直流

3、電阻，四位數(shù)碼顯示。實(shí)現(xiàn)各級(jí)量程的直流電壓測(cè)量，其量程范圍為0 20(V)。實(shí)現(xiàn)不同量程的直流電流測(cè)量，其量程范圍為0200 ( mA)。實(shí)現(xiàn)不同量程的電阻測(cè)量，其量程范圍為0 1000 (Q)。ADC0804是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMO組件。它是逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。首先，利用P1 口數(shù)據(jù)地址復(fù)用，將地址通過P1 口輸入到單片機(jī)中。然后，充分利用單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算轉(zhuǎn)化功能將其轉(zhuǎn)成適當(dāng)?shù)亩M(jìn)制信號(hào)控制數(shù)顯以確保正確的顯示被測(cè)量的讀數(shù)。2.總體框圖圖一：總體框圖3、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3.1主控芯片#本電壓表采用 STC89C52為

4、主控芯片，電路如下圖所接:U1PIO1PHP123P134P145P156P161Pl 7SRSTgP30luP3111P321213Ll15P351617KTAL218KT AU1920|vcc40T39POO38pot37P02315P0335PL 434P0533P0632P073130卻23kev327Plfi26EK25RW24RS23Iwvfl22kl21PLOPL1Pl.2Pl.iPl.4PLSPl.6Pl.7KSTP3.0CRXDIM-1TXDP12(IMDiP3.4(T0)P3.5(T1)P3.6O) 玖兀RD) XTAL?XT.AL1CCPO.O(ADO) Pt).l(AD

5、l)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4) PO.S(ADS) PO血 ADA)F07(AD7) EX(vdd) .UEiPROGPSENP2.7(A15) P2fi(A14) P2.5(ABP2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A?)P2O(A8)4ATS9C?!GXD3.2模擬轉(zhuǎn)換部分8位,該電壓表采用的 ADC0804，此芯片優(yōu)點(diǎn)是并行輸出，速率快，缺點(diǎn)是只有 精度不高。下來 ADC0804芯片圖：3.3數(shù)字多用表電阻輸入電路u?itlCTplR曲1；CS RDVCC林EVER CLKINDBOCLKOUTDBLDB22DB3DCDB4DBSAG

6、XDDBGDGXDDBFp訂二.ADCCS04INI3_P10 TTph 匝12TTpiiTTP151Tp16 TFpi?RJ2 keslIKGND8GXD單片機(jī)的P2.0 P2.2引腳通過一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)接地，通過判斷P2.0 P2.2引腳電平的高低，決定是否進(jìn)行電阻測(cè)量、電壓測(cè)量或電流測(cè)量。為了方便，將數(shù)字地和模擬地都直接接 到了一起，DB0DB7為并行輸出口， CS, RD，WR為控制芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換及讀取芯片數(shù) 據(jù)和寫數(shù)據(jù)的引腳，ADC0804可以自己產(chǎn)生時(shí)鐘， 只要在CLKR和CLKIN端接入電阻（10K）和電容（理論為 150pf本人接的220pf），可產(chǎn)生脈沖信號(hào)。 VREF為參考電壓端

7、，VIN+和VIN 為電壓輸入端。當(dāng)電壓加在 VIN+和VIN 端時(shí)，在 DB0DB7可輸出八位到單片機(jī)，本處參考電壓為5V，則當(dāng)輸入電壓 U時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為 temp，則U/temp=5/255.R10Re 2VCC圖-二所示為數(shù)字多用表的電阻測(cè)量輸入電路。運(yùn)算放大器的反饋電阻 Rx作為待測(cè)電阻，通過1K電阻R10接到5V電源上，那么放大器的輸出電壓 Rv=5*Rx/(Rp+R15+R0+Rx)，將 Rv送給 ADC0804 轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量為 Dv=Rv*255/5。單 片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再經(jīng)過逆向運(yùn)算可得Rx=Dv*(R1p+R0+R15)/(5-Dv)*255，注意此時(shí)得到的Rx是

8、二進(jìn)制數(shù)，需要轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)后才能送給1602顯示，程序中采取用4字節(jié)無符號(hào)除法，連續(xù)進(jìn)行4次除以10的除法，依次取得 4位數(shù)值，并且電阻測(cè)量范圍只保證在 01KQ范圍內(nèi)誤差不超過 2Q,如果要測(cè)量其他電阻，則需該改Rp的值。3.4數(shù)字多用表的電壓測(cè)量輸入電路R2Chesder 213R233：2：KCzp Wtm: lOOpFRJ4Ke*2100Ku護(hù)腫4.58kD4R17L?左MEi210KMlU n ic1：3Wj 社9RP*t70011圖-四圖-四所示為數(shù)字多用表的交流電壓測(cè)量輸入電路，ACV量程為012V待測(cè)電壓經(jīng)交流電壓測(cè)量圖過低通濾波器濾除干擾，再經(jīng)過同向放大器送給ADC0804

9、電壓測(cè)量輸入范圍012 V, ADC084的分辨率為8位，測(cè)量誤差為12/255=0.05V 。 D5為整流管，D4起保護(hù)作用。R24、C6組成平滑濾波器。C5 C4為隔直電容。Uout=Uac（有效值）圖-五直流電壓測(cè)量圖圖-五直流電壓測(cè)量電路。DCV量程為 012V。Uout=R8*U/(R7+R8+R11),所以，U=(R7+R8+R11)* Uout/R8。R7和R8為分壓電阻，大小都為 10M。R11為匹配電阻，保證等值分壓。R13為限流電阻，大小為1Mo3.5數(shù)字萬用表的電流測(cè)量輸入電路JL圖-六電流測(cè)量電路圖圖-六是數(shù)字萬用表電流測(cè)量輸入電路。電流測(cè)量范圍為1-200mA,因?yàn)锳

10、DC0804是電壓轉(zhuǎn)化器，必須將電壓才能進(jìn)行測(cè)量，這可以通過串接電阻RP來實(shí)現(xiàn)，注意 RP必須很小（如0.1 Q ），否則營銷電流數(shù)值，由于待測(cè)電流和RL都很小，RL兩端的電壓也很小，必須將其放大到 ADC0804能夠分辨的范圍之內(nèi)。R12為限流電阻，大小為 1M D2, D3為雙向限幅過壓保護(hù)二極管，起過流保護(hù)作用。133.6 自鎖開關(guān)lixesiCHOKE1畑I三GDR1L丹+用來控制測(cè)量哪一種變量,10K的限流電阻。4、軟件設(shè)計(jì)4.1主程序主程序包括初始化部分FJR43LK.CHOKfS7T3CB-Q1CEDiod4LN4CC7 S3圖-七自鎖開關(guān)圖同時(shí)用來檢測(cè)正測(cè)的信息，通過導(dǎo)線送入到

11、單片機(jī)。上面接調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和調(diào)用顯示程序，如下圖所示:164.2 A/D轉(zhuǎn)換子模塊：A/D轉(zhuǎn)換子程序用于對(duì) ADC0804八路輸入模擬電壓進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)值 存入八個(gè)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，如下圖：返回*5、系統(tǒng)調(diào)試基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表在組裝好以后，便可進(jìn)入系統(tǒng)的在線調(diào)試，起主要任務(wù)是排除樣機(jī)硬件故障并完善其硬件結(jié)構(gòu)，試運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序，排除程序錯(cuò)誤，優(yōu)化程序 結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的功能，進(jìn)而固化軟件。5.1硬件調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試時(shí)交叉進(jìn)行的，但通常是先排除樣機(jī)中明顯的硬 件故障，尤其是電源故障，才能安全和仿真器相連，進(jìn)行綜合調(diào)試。5.2硬件電路故障（1）錯(cuò)線

12、開路短路；（2）元器件損壞（3）電源故障5.3 硬件調(diào)試方法 本設(shè)計(jì)調(diào)試中所用的調(diào)試方法是靜態(tài)測(cè)試： 在樣機(jī)加電之前，首先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查樣 機(jī)線路的正確性，并核對(duì)元器件的型號(hào) 規(guī)格和安裝是否符合要求。第二步是加電后檢 查各插件上引腳的點(diǎn)位，仔細(xì)測(cè)量各電位是否正常。第三步是在不加電的情況下，除單 片機(jī)以外，插上所有的元器件，最后用仿真適配器將樣機(jī)的單片機(jī)插座盒仿真器的仿真 接口相連，為聯(lián)機(jī)調(diào)試做準(zhǔn)備。5.4 軟件調(diào)試5.5 軟件電路故障（1）當(dāng)以斷點(diǎn)或連續(xù)方式運(yùn)行時(shí)，目標(biāo)系統(tǒng)沒有按規(guī)定的功能進(jìn)行操作或什么結(jié)果 也沒有，這是由于程序轉(zhuǎn)移到意外之外或在某處死循環(huán)所

13、造成的。（ 2 ）結(jié)果不正確5.6 軟件調(diào)試方法軟件調(diào)試所使用的方法有：計(jì)算程序的調(diào)試方法， 法6、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理6.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)012 直流電壓為次數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)值 電壓示值 滿度誤差123456789101112131415I/O 處理程序的調(diào)試法，綜合調(diào)試0 12 交流電壓為次數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)值 電壓示值 滿度誤差123456789101112131415161718192017實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)0-1K 電阻為0-200mA電流為次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值電壓示值滿度誤差次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值電壓示值 滿度誤11223344556677889910101111121213131414151516171819206 2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析直流 0

14、-12V 量程精度為滿度誤差 為交流 0-21V 量程精度為滿度誤差為電流 0-200mA 量程精度為滿度誤差為7、 總結(jié)與體會(huì)數(shù)字多用表的課程設(shè)計(jì)，從確定方案、查找資料、仿真電路圖，到最后電路設(shè)計(jì)實(shí)踐，耗時(shí)2個(gè)星期。數(shù)字多用表的設(shè)計(jì)方案采取STC89C51單片機(jī)結(jié)合 A/D轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電流和電壓的測(cè)量的方案，從而實(shí)現(xiàn)電阻、電流和電壓的 數(shù)字化測(cè)量。本次課程設(shè)計(jì)，雖然方案基本出來了，但是在硬件制作方面出現(xiàn)了幾個(gè)問題，這也 暴露出我們知識(shí)方面的一欠缺。不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）ADC0804 的第 10 腳的時(shí)鐘信號(hào)，我們是通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的但是由于頻率 過低，只有 500

15、KHz ，造成 1602 液晶顯示器顯示不穩(wěn)定而出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。最終驗(yàn)收 時(shí)是通過從外部信號(hào)發(fā)生器輸入 2MHz 時(shí)鐘信號(hào)解決的。（2）萬用板焊接時(shí)，由于布線不太合理，使得背面線很零亂。并給后面的線路檢 查帶來了不少麻煩。（3）51 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)，電路分析遇到比較多的問題歷經(jīng)兩個(gè)星期的課18/ 頭文件 #include/ 宏定義程設(shè)計(jì)后我深得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知 識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi) 容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其 在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。雖然最終的結(jié)果讓人

16、失望， 但在此期間我們也曾一度熱情高漲。 從開始時(shí)滿 8、參考文獻(xiàn)單片機(jī)原理及應(yīng)用 張毅剛 主編高等教育出版社單片機(jī)原理實(shí)用教程 徐愛鈞 編著 電子工業(yè)出版社 電子技術(shù)基礎(chǔ)康華光 主編高等教育出版社集成電路原理及應(yīng)用譚博學(xué)、苗匯靜 主編 電子工業(yè)出版社 9、附錄程序主程序：#include/頭文件 #include #include #include #include #include #include #include void main() while(1) write_com(0x01); lcd_init(); display_voltage(); 1、宏定義和定義變量：#define

17、 uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar table= measurement: uchar range20=RANGE020V: uchar range200=RANGE0200mA: uchar range2000=RANGE02K:;uchar warning=Please Choice! ;/*uchar error=error!; */ uint measure10;sbit key3=P2A7;sbit keyO=P2A2;sbit key1=P2A1;/ 定義液晶的 rs 端口/ 定義液晶的 rw 端口/ 定義液晶的

18、 en 端口/定義AD的cs端口/ 定義 AD 的 rd 端口sbit key2=P2A0; sbit lcd_rs=P2A3;sbit lcd_rw=P2A4;sbit lcd_en=P2A5;sbit back=P2A6;sbit spk=P2A7;sbit cs=P3A2;sbit rd=P3A1;sbit wr=P3A0;/sbit dula=P3A7;sbit INTR=P3A7;/ 定義 AD 的 wr 端口uint temp,i,A1,A2,A3,A4;/ 定義變量uint date;2、延時(shí)部分：void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)

19、 for(y=110;y0;y-);void delay_lcd()/1602 指令之間延時(shí)uint x=5;while(x-);3、AD 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送：void AD_init()/初始化 ADC0804cs=0;wr=1;_nop_();wr=0;_nop_();wr=1;uint AD_switch() /AD 轉(zhuǎn)換部分uint temp;P1=0xff;rd=1;_nop_();rd=0;_nop_();temp=P1;將轉(zhuǎn)后的原始值返給單片機(jī)P1 口return temp;uint AD_smooth()/ 軟件濾波uint xx,i,temp; AD_init(); for(i=

20、0;i20;i+)measurei=AD_switch();delay(10);/每隔 10us ADC 轉(zhuǎn)換并采集一次數(shù)據(jù)，將得/到的數(shù)據(jù)放到數(shù)組中，采集十個(gè)數(shù)據(jù)24for(xx=0;xx20;xx+)/將十個(gè)數(shù)據(jù)冒泡法排序for(i=xx;imeasurei)temp=measurei;measurei=measurexx; measurexx=temp;for(i=6;i16;i+)/ 去掉了三個(gè)最小值和兩個(gè)最大值， /取中間五個(gè)數(shù)的平均值xx+=measurei;xx=xx/10;return xx;/將濾過波后的值存入單片機(jī)4、1602 子程序：void write_com(ucha

21、r com)/ 寫指令delay(5);lcd_en=0;lcd_rs=0;lcd_rw=0;_nop_();lcd_en=1;P0=com;lcd_en=0;lcd_rs=0;void write_date(uchar date)/ 寫數(shù)據(jù) delay(5); lcd_en=0; lcd_rs=1; lcd_rw=0; _nop_(); lcd_en=1; P0=date; lcd_en=0; lcd_rs=0;void lcd_init()/ 初始化back=0; delay(15); lcd_en=0;write_com(0x38); write_com(0x38); write_com

22、(0x38);write_com(0x06); write_com(0x0c);write_com(0x01);5、鍵盤掃描：uint keyscan() if(key0=0&key1=1&key2=1&key3=1) return 1;else if(key0=1&key1=0&key2=1&key3=1) return (2);else if(key0=1&key1=1&key2=0&key3=1) return (3);else if(key0=1&key1=1&key2=1&key3=0) return (4);else if(key0=1&key1=1&key2=1&key3=1)

23、return(5);else return (6);6、數(shù)據(jù)整理及顯示：void display20V(uint temp)/ 量程為 20V 時(shí)的顯示狀態(tài) uint num0,num1,num2,num3; if(temp7) temp=0;else temp=temp-7; num0=temp/ 51; num1=temp%51*10/ 51;num2=temp%51*10%51*10/ 51; num3=temp%51*10%51*10%51*10/ 51;write_com(0x80+0x40+11); write_date(num0+0x30); delay_lcd();write_

24、com(0x80+0x40+12);write_date(.); delay_lcd(); write_com(0x80+0x40+13); write_date(num1+0x30);delay_lcd(); write_com(0x80+0x40+14); write_date(num2+0x30);delay_lcd(); write_com(0x80+0x40+15); write_date(num3+0x30);delay_lcd();void display200mA(uint temp)/ 電流 200mA 時(shí)的顯示狀態(tài) uint num0,num1,num2,num3; if(

25、temp7) temp=0;else temp=temp-7; num0=temp/ 510; num1=temp%51*10/ 510;num2=temp%51*10%51*10/ 510; num3=temp%51*10%51*10%51*10/ 510;write_com(0x80+0x40+11); write_date(num0+0x30); delay_lcd();write_com(0x80+0x40+12);write_date(.);delay_lcd();write_com(0x80+0x40+13);write_date(num1+0x30);delay_lcd(); w

26、rite_com(0x80+0x40+14);write_date(num2+0x30);delay_lcd(); write_com(0x80+0x40+15);write_date(num3+0x30);delay_lcd();void display2000(uint temp)/ 量程為 2000 歐時(shí)的顯示狀態(tài) uint num0,num1,num2,num3; if(temp7) temp=0;else temp=temp-7; num0=temp/ 51;num1=temp%51*10/ 5.1; num2=temp%51*10%51*10/ 5.1; num3=temp%51*

27、10%51*10%51*10/ 5.1;write_com(0x80+0x40+11); write_date(num0+0x30);delay_lcd(); write_com(0x80+0x40+12);write_date(.);delay_lcd(); write_com(0x80+0x40+13);write_date(num1+0x30);delay_lcd(); write_com(0x80+0x40+14);write_date(num2+0x30);delay_lcd(); write_com(0x80+0x40+15);write_date(num3+0x30);delay_lcd();void displ