数字万用表的设计毕业设计论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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教研室（或答辩小组）及教学系意见

摘要

本次设计用单片机芯片AT89s52设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值、直流电流、直流电阻以及电容，四位数码显示。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路使用了AD0809数据转换芯片，单片机系统设计采用AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和11.0592MHZ震荡电路，显示芯片用TEC6122，驱动8位数码管显示。程序每执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。

关键词：数字万用表；AT89S52单片机；AD转换与控制

Abstract

This design is design a digital universal meter with chip AT89s52 of one-chip computer, can measure and hand in , direct current pressing value , direct current flow , the direct current is hindered, four numbers show. This system is shunted resistance, resistance of partial pressure, basic resistance, minimum system of 51 one-chip computers, shown that some , warning part , AD change and control making up partly. In order to make the system more steady, make the whole precision of the system be ensured, this circuit has used AD0809 data to change the chip, the one-chip computer system is designed to adopt AT89S52 one-chip computer as the top management chip, the electricity is restored to the throne the circuit and 11.0592MHZ and shaken the circuit to match on RC, show that the chip uses TEC6122, urge 8 numbers to be in charge of showing. The every execution cycle consuming time of procedure contracts to get shortest, in this way the real-time character of the security system.

Keyword：Digital universal meter；AT89S52 one-chip computer AD changes and controls

目录

摘要 (1)

Abstract (8)

绪论 (1)

第一章数字万用表设计背景 (3)

1.1数字万用表的设计目的和意义 (3)

1.2 数字万用表的设计依据 (3)

1.3数字万用表设计重点解决的问题 (3)

第二章数字万用表总体设计方案 (5)

2.1数字万用表的基本原理 (5)

2.2 数字万用表的硬件系统设计总体框架图 (11)

2.3硬件电路设计方案及选用芯片介绍 (11)

2.3.1 设计方案 (12)

2.3.2 芯片选择及功能简介 (12)

2.4数字万用表的硬件设计 (25)

2.4.1分模块详述系统各部分的实现方法 (25)

2.4.2 数字万用表控制硬件整体结构图 (31)

2.4.3 电路的工作过程描述 (32)

第三章系统软件与流程图 (33)

3.1 电路功能模块 (33)

3.2系统总流程图 (34)

3.3物理量采集处理流程 (35)

3.4电压测量过程流程图 (35)

3.5电流的测量过程流程图 (36)

3.6电阻的测量过程流程图 (37)

3.7电容测量过程流程图 (38)

结论 (40)

致谢 (41)

参考文献 (42)

第一章绪论

数字万用表亦称数字多用表,简称DMM(Digtial Multimeter)。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式万用表功能单精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片的数字万用表，精度高、抗干扰能力强，可扩展尾强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字电万用表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。

数字万用表具有以下几点特点：

1）．显示清晰直观，计数准确

为了提高观察的清晰度，新型的手持式数字用用表（HDMM）已普遍采用字高为26mm 的大屏幕LCD（液晶显示器）。有些数字万用表还增加了背光源，以便于夜间观察读数。2）．显示位数

数字万用表的显示位数通常为3位半到8位半。

3）．准确度高

准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度，也反映了测量误差的大小，准确度愈高，测量误差愈小。数字万用表的准确度远优于指针万用表。

4）．分辨力高

数字万用表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称作仪表的分辨力，宏观世界反映了仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。

5）．测试功能强

数字万用表不公可以测量直流电压（DCV）、交流电压（ACV）、直流电流（DCA）、交流电流（ACA）、电阻（Ω）、二极管正向压降（Uf）、等等。新型数字万用表大多增加了下述测试功能：读数保持（HOLD）、逻辑（LOGIC）测试等等。

6）．测量范围宽

数字万用表可满足常规电子测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。

7）．测量速率快

数字万用表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率，单位是“次/秒”。它主要取决于A/D转换器的转换速率。一般数字万用表的测量速率为2~5次/秒。有的能达到20次/秒以上，另有的一些比这个还要高得多。数字万用表可满足不同用户对测量速率的需要。

8）．输入阻抗高

数字万用表电压挡具有很高的输入阻抗，通常为10~10000MΩ，从被测电路上吸取的电流小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。9）．集成度高，微功耗

新型数字万用表普遍采用CMOS大规模集成电路的A/D转换器，整机功耗很低，3位

半，4位半手持式数字万用表的整机功耗仅几十毫瓦，可用9V叠层电池供电。10）．保护功能完善，抗干扰能力强

数字万用表具有比较完善的保护电路，过载能力强，新型数字万用表还增加了高压保护器件，能防止浪涌电压。

本设计就是基于这个基础设计一个基于单片机的数字万用表。该设备具有直观简单的优点。并且能深入的说明万用表的测量原理。能直观的了解万用表各个部分的结构和测试原则。

1. 数字万用表设计背景

自从1977年世界上首台手持式数字万用表问世以来，研究者在万用表的功能和设计上不断创新，新品迭出。数字万用表是电测技术中的一种常用仪表，它把电子技术、计算技术、自动化技术的成果和电测技术结合在一起，以其操作方便、读数准确、体积小巧、携带方便等优点成为现代测量中不可缺少的仪器，它可以测量直流电流、交流电流、直流电压、交流电压、电阻、电容、二极管的正向压降等，正在许多领域取代模拟式(即指针式)万用表。具有使用方便、灵敏度高、测量速度快、量程宽、过载能力强、输人阻抗高、指示值具有客观性(不存在视觉误差)、扩展能力强等优点。

1.1数字万用表的设计目的和意义

数字万用表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量，已被广泛应用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。随着时代科技的进步，数字万用表的功能越来越强大，把电量及非电量的测量技术提高到崭新水平。

1.2 数字万用表的设计依据

根据数字万用表的原理，结合以下的设计要求：“设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值，直流电流、直流电阻，四位数码显示。实现多级量程的直流电压测量，其量程范围是200mv、2v ,20v,200v和500v.实现多级量程的交流电压测量，其量程范围是200mv、2v ,20v,200v和500v.实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是2mA ，20mA，200mA、2A和20A.实现多级量程的电阻测量，其量程范围是200、2k ,20k,200k 和2M。”以及电容测量电路。由此设想出以下的解决方法，即数字万用表的系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障。

1.3数字万用表设计重点解决的问题

本设计重点要解决的问题是对不同量程的各种测量内容的转换，还有就是各部分电路组合成一个完整的数字万用表，而难点解决的问题就是程序的设计，要保正其可行性从而保证设计的正确性。

2 数字万用表总体设计方案

2.1数字万用表的基本原理

数字万用表的最基本功能是能够测量交直流电压，交直流电流，还有能够测量电阻，数字万用表的基本组成见图2.1。

图2.1数字万用表的基本组成

下面我们分别介绍各个部分的组成：

2.1模数(A/D)转换与数字显示电路

常见的物理量都是幅值(大小)连续变化的所谓模拟量(模拟信号)。指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号，再进行显示和处理(如存储、传输、打印、运算等)。

数字信号与模拟信号不同，其幅值(大小)是不连续的。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位(量化台阶)为?，则数字信号的大小一定是?的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换(译码)后由数码管或液晶屏显示出来。

例如，设?=0.1mV，我们把被测电压U与?比较，看U是?的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N(二进制)。一般情况下，N≥1000即可满足测量精度要求(量化误

差≤1/1000=0.1%)。最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半(132)数字表。

对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV 为单位的被测

电压U 的大小。如：U 是? (0.1mV )的1234倍，即N =1234，显示结果为123.4(mV )。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示-199.9～199.9mV 的电压，显示精度为0.1mV 。

由上可见，数字测量仪表的核心是模数(A/D)转换、译码显示电路。A/D 转换一般

又可分为量化、编码两个步骤。

2) 、多量程数字电压表原理

在基准数字电压表头前面加一级分压电路(分压器)，可以扩展直流电压测量的量程。

如图2.2所示，0U 为电压表头的量程(如200mV )，r 为其内阻(如10M Ω)，1r 、2r 为分压电阻，10U 为扩展后的量程。

图2.2分压电路原理 图2.3多量程分压器原

由于r>>r2，所以分压比为

扩展后的量程为

02210U r r r U i +=

多量程分压器原理电路见图2.3，5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和

0.0001，对应的量程分别为2000V 、200V 、20V 、2V 和200mV 。

212

00r r r U U i +=

采用图3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程档明显降低了电压表

的输入阻抗，这在实际使用中是所不希望的。所以，实际数字万用表的直流电压档电路为图2.4所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。

例如：其中200V 档的分压比为

001.010*********==+++++M k R R R R R R R

其余各档的分压比可同样算出。

实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定

M R R R R R R 1054321=++++＝总

再计算2000V 档的电阻

K R R 10001.05＝总=

再逐档计算4R 、5R 、2R 、1R 。

尽管上述最高量程档的理论量程是2000V ，但通常的数字万用表出于耐压和安全考

虑，规定最高电压量限为1000V 。

换量程时，多刀量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便

地直读出测量结果。

3）、多量程数字电流表原理

图2.4 使用分压电路

测量电流的原理是：根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。如图2.5，由于r R ，取样电阻R 上的电压降为

i i U I R =

即被测电流 i i U I R =

图2.5电流测量原理 图2.6多量程分流器电路

若数字表头的电压量程为0U ，欲使电流档量程为0I ，则该档的取样电阻(也称分流电阻)

00U R I =

如0U =200mV ，则0I =200mA 档的分流电阻为1R =Ω。

多量程分流器原理电路见图2.6。

图2.6中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，被测电路的

电压可能使数字表头过载，所以，实际数字万用表的直流电流档电路为图2.7所示。

图 2.7中各档分流电阻的阻值是这样计算

的：先计算最大电流档的分流电阻5R

)(1.022.050Ω===m s I U R

再计算下一档的4R

)(9.01.02.02.05404Ω=-=-=R I U R m

依次可计算出5R 、2R 和1R 。

图中的BX 是2A 保险丝管，电流过大时会

快速熔断，超过流保护作用。两只反向连接

且与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封

图2.7实用分流器电路

硅整流二极管，它们起双向限幅过压保护作用。正常测量时，输入电压小于硅二极管的正向导通压降，二极管截止，对测量毫无影响。一旦输入电压大于0.7V ，二极管立即导通，两端电压被限制住(小于0.7V )，保护仪表不被损坏。

4）、 交流电压电流测量处理原理

数字万用表中交流电压，电流测量电路是在直流电压、电流测量电路的基础上，在分压

器或分流器之后加入了一级交流-直流(AC-DC)变换器，图2.8为其原理简图。 该AC-DC 变换器主要由集成运算放大器、整

流二极管、RC 滤波器等组成，还包含一个能

调整输出电压高低的电位器，用来对交流电压

档进行校准之用。调整该电位器可使数字表头

的显示值等于被测交流电压的有效值。

同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的

考虑，交流电压最高档的量限通常限定为

700V (有效值)。

5）、 电阻测量原理

数字万用表中的电阻档采用的是比例测量

法，其原理电路见图2.9。

由稳压管ZD 提供测量基准电压，流过标准电

阻0R 和被测电阻X R 的电流基本相等(数字表

头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不

计)。所以A/D 转换器的参考电压RFE U 和输入

电压IN U 有如下关系：

x IN REF R R U U 0 即

图2.8 AC-DC 变换器原理简图

图 2.9电阻测量

0R U U R REF IN x =

根据所用A/D 转换器的特性可知，数字表显示的

是IN U 与RFE U 的比值，当IN U =RFE U 时显示“1000”，

IN U =0.5RFE U 时显示“500”，以此类推。所以，当

0X R R =时，表头将显示“1000”，当00.5X R R =时

显示“500”，这称为比例读数特性。因此，我们

只要选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行

定位，就能得到不同的电阻测量档。

如对200Ω档，取01R =100Ω，小数点定在十位上。

当X R =100Ω时，表头就会显示出100.0Ω。当X

R 变化时，显示值相应变化，可以从0.1Ω测到

199.9Ω。

又如对2k Ω档，取021R k =Ω，小数点定在千位上。

当X R 变化时，显示值相应变化，可以从0.001k Ω

测到1.999k Ω。

其余各档道理相同，同学们可自行推演。

数字万用表多量程电阻档电路见图10。

由上分析可知， 101202013030210010001009001019R R R R R R R R k k k

==Ω

=-=-=BΩ

=-=-=

……

图2.10中由正温度系数(PTC)热敏电阻1R 与晶体管T 组成了过压保护电路，以防误用电阻档去测高电压时损坏集成电路。当误测高电压时，晶体管T 发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。同时1R

随着电流的增加而发热，其阻值迅速增大，从而限制了电流的图2.10电阻测量

增加，使T的击穿电流不超过允许范围。即T只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，1R和T都能恢复正常。

6）、电容测量原理

电容测量是根据电容充电原理其充电电压与时间成一定的指数关系。根据电压和时间可以计算出电容的值。

2.2 数字万用表的硬件系统设计总体框架图

如下图2.11所示，本万用表由以下几部分功能组成，复位电路、震荡电路、ADC 输入、被测量显示、超限报警、ADC使能控制。复位电路用来清零，进行下一次的测量；震荡电路用来消除一些外来干扰，使电路工作更加稳定；ADC输入则是将输入量进行AD转换；测量显示就是显示测量的数值；超限报警部分则是用作当测量量超出量程范围时发出警报，以便提醒用户更改大量程；ADC使能控制则用来对输入量进行控制，允许输入或者不允许。

图2.11. 总体电路设计原理图