数字万用表的设计

P3口：是一组带有内部上拉电阻的8位双向并行I/O口。P3口输出缓冲级可驱动4个TTL负载。作为输入及输出口时，情况与P1口相似。P3口还能接收一些用于Flash存储器编程和程序校验的控制信号。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，见表2。
其他引脚
RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
图2.硬件系统总体设计框图
1、STC的89C52单片机的特点及功能介绍
（1）89C52单片机的主要特点及功能特性
89C52是一款低电压，高性能的8位CMOS型单片机，片内有8k字节以Flash闪存为介质的，能擦写的只读程序存储器及256字节的随机存取数据存储器。89C52型单片机仍属于51单片机家族群，都支持一个共同的指令集（MSC-51），但各自拥有不同的存储器容量及端口设置等内置资源，使其更符合成本效益的需要，满足特定的场合的生产需求。该单片机在嵌入式控制应用系统中有着广泛的应用。
4组I/O口
P0口：一组8位漏极开路的准双向并行I/O口，扩展片外存储时的地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个LS型TTL负载，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。P0口与其他几组I/O口的最大区别是其内部不带有上拉电阻。
P1口：是一组带内置上拉电阻的8位双向并行I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL负载。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉至高电平后，可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，引脚被外部信号拉低时会输出电流。
图9.电压衰减电路原理图
如图9所示，R1和R2是分压电阻，其阻值均为按档位需要计算后所得，可以将20V的直流电压衰减为2V输出，配合20V的直流电压挡。
（3）多量程数字电流表设计
图10.分流电路的原理
如图10电路所示，万用表测量电流的原理是，用合适的取样电阻，将待测的电流量根据欧姆定律转换为电压量，才能进行测量。若取样电阻阻值为R，根据欧姆定律，可以获得被测电流Ii的值。
EXT：内部、外部时钟选择线，采用内部时钟时EXT接地；
AGND：模拟信号地；
AOUT：数模转换输出端；
VREF：基准电源端。
图7.模数转换部分原理图
图7所示为模数转换部分。PCF8591芯片作为ADC芯片，使用I2C总线与单片机通讯，SCL是串行时钟，SDA是串行数据线，输出转换后的数字量。待测模拟量从AIN0进入，其余模拟输入口因本设计不需使用而接地。AGND端是模拟地，接上0Ω电阻，而VDD接上接地电容，有效分割模拟地和数字地，减少高频数字信号的干扰。
图13.电阻-电压变换电路原理图
图13所示电路为电阻测量电路。其中，电阻R13和R14构成一组基准电阻。电路工作时，PNP管Q3的集电极电流IC3是恒定的，R18和R19负责调节IC3的大小。通过接入不同的电阻（R20或R21），可获得不同的倍率的集电极电流IC3，电流通过待测电阻Rx形成电压Vx。通过测量Vx即可获得待测电阻的阻值。经过计算，可知R20分支可测量的最大电阻值为2kΩ，R21分支为20kΩ。而P4端则是作为待测电阻的接口。
3、电源模块
图14.电源部分原理图
如图14所示，POWER端接外部直流电源，另外可以利用USB（Universal Serial Bus）端口直接提供5V电压。7805是三端稳压集成芯片，起稳压输出的作用，通过外围电路的组合，可以稳定输出5V直流电压。图中的LED灯可以作为电源电路开始工作的提示器。
单片机数字万用表的设计
一、引言
数字万用表是一种多用途电子测量仪器。它采用数字化测量技术，把实际测量的模拟量，转化为离散的数字量进行输出显示，主要用于物理、电气、电子等测量领域，一般包含电流表（安培计）、电压表（伏特计）、电阻表（欧姆计）等功能，也称为万用计、多用计、多用电表或万用电表。
万用表是电子和电气技术领域必备的测量仪器，用于测量电子电路中的各种物理量（电压、电流、电阻等），常作为基本故障诊断的便携式装置，也有放置在工厂或实验室工作台上作为桌上型装置。有的万用电表分辨率能达到七、八位数，常用在实验室，作为电压或电阻的基准，或用来调校多功能标准器的性能。相比传统的指针式万用表，数字万用表具有以下的主要优点：
（1）可以测量直流电压、直流电流和电阻；
（2）能将测量得到的数值直观、准确地显示出来，并标明相应的单位；
（3）具有超量程时的报警提示。
二、系统硬件分析与设计
数字万用表的基本功能是，能够测量直流电压、电流以及电阻的阻值，数字万用表的基本组成由图1所示，其中，模数转换是数字万用表的核心：
图1.数字万用表的基本原理图
（4）电阻测量设计
图12.电阻-电压变换电路的原理
数字万用表通常采用电阻-电压变换电路来测量电阻（欧姆档）。如图7所示电路，VDZ1是2.7V稳压管，是一种用特殊工艺制造的硅半导体二极管（康华光，2006）。VT1、VT2、VDZ1组成恒流源，保持V3的值恒定不变。V3的值等于V1电压减去VDZ1上的电压，约为2.3V。VT3的基极电压亦保持不变，若VT3基极和发射极之间的电压为0.5V，则可知V2的值恒为2.8V左右，并可得出VT3集电极电流的IC3也是恒定的。
如图2所示，本设计将由以下几大部分组成。包括：复位电路、震荡电路、A/D转换和控制、测量值输出、超量程报警和档位选择。
其中，复位电路用于单片机上电复位使系统清零；震荡电路为单片机提供精确的时钟频率，使电路工作更加稳定；A/D转换和控制部分负责模数转换及输入输出信号的控制；测量值输出则负责显示待测物理量大小的数值；超量程报警用于超出量程范围时的报警提示，提醒使用者更换量程。
图5.PCF8591的内部原理图
PCF8591芯片的引脚功能
图6.PCF8591的引脚图
图6所示为PCF8591的引脚图。
AIN0～AIN3：模拟信号输入端；
A0～A2：引脚地址端；
VDD、VSS：电源端（2.5-6V）；
SDA、SCL：I2C总线的数据线、时钟线；
OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端；
另外，P1的P1.0和P1.1口存在第二功能，见下表。
表1.P1口的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时/计数器2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数器2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P2口：是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O并行口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL负载。作输入及输出口时，情况与P1口相似。扩展片外存储时，作为低8位地址总线口。
在基准数字电流表头前在加上电流信号衰减电路（分流电路），即可实现直流电流测量量程的扩展。如上图所示，四个电阻串联值是1kΩ，若选取第1挡，并使输出电压不超过2V，即可计算出Ii必须小于等于2mA。同理可计算出其他档位的满量程电流分别为20mA、200mA、2A。
图11.电流衰减电路原理图
如图11所示，R15和R16是分流电阻，其阻值均为按档位需要计算后所得，可以将2A的直流电流衰减为200mA，并将电流变换成电压以供模数转换器测量，配合2A的直流电流档使用。
a．兼容标准的MCS-51的指令系统；
b．内置8k字节可擦写的闪存ROM（Read-Only Memory）；
c．4组共32个双向I/O口；
d．256×8位大小的内部RAM；
e．3个16位可编程定时/计数器中断；
f．支持3.5-12/24/33MHz多种时钟频率；
g．1个全双工可编程的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitte）串行口；
其中，接在VT3的发射极上的一组电阻是基准电阻，按档位不同分别是：2.2kΩ、22kΩ、220kΩ、2MΩ。通过选择不同的档位开关，可以得到恒定的、不同倍率的电流IC3，它的电流分别是1mA、0.1mA、0.01mA、0.001mA。RX是待测电阻，接在VT3的集电极上，当恒定电流IC3流经时，产生电压VX，测量VX则可推算出待测电阻的阻值。RW用于调整恒流源IC3的大小，VD3作为保护管，当电阻档所加的电压过高时，VD3对VT3有保护作用。
c．易于扩展：
单片机片内已经具有计算机正常运行时所必需的部件，但仍然预留了很多片外扩展用的引脚（各种总线，并行/串行的输入/输出），易于组成更庞大计算机系统完成更复杂的任务。
d．内部功能较强：
单片机有着各种的内部资源，功能强大。
e．低功耗、低电要功能特性：
2、模数转化电路
实际的物理量都是幅值大小连续变化的模拟量，或称为模拟信号。旧式的指针万用表可以直接对模拟电压、电流进行测量并显示。对于数字万用表，则需要把模拟量（多是电压量）转换为数字信号的形式，通过相关的处理（包括存储、传输、计算等）再进行显示。数字信号是量化的模拟信号，若将最小的量化单位记为Δ，那么数字信号的大小一定为Δ的整数倍。该倍数可以用二进制数码表示，但为了便于直观地读数，通常把数码进行译码后，由数码管或液晶屏幕显示。
GND：接地端。
表2.P3口的第二功能
引脚号
功能特性
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写有效）
P3.7
RD（外部数据存储器读有效）
h．6个中断源，4级优先级中断结构；
i．2个W/R（Write/Read）读写中断口，3级加密位；
j．低功耗空闲和掉电节省模式，带有软件设置睡眠及相应的唤醒功能；
k．有PDIP及PLCC两种封装形式。
（2）89C52单片机的引脚功能
图3.89C52单片机微架构图
图4.89C52单片机引脚图