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1、量程自动转换数字万用表设计毕业论文目 录1 绪论11.1 国外研究进展11.2 问题的提出21.3研究的背景与意义31.4 主要实现的功能31.5 系统设计方案41.6 万用表的分辨率与精度41.7 数字万用表与智能仪器51.8 设计中重点解决的问题62 系统整体结构72.1 系统设计方框图72.2 系统设计方案72.3 量程自动转换功能的方案设计与论证82.3.1 方案设计82.3.2 方案论证113量程自动转换数字万用表的硬件电路设计133.1 A/D转换电路133.2 单片机控制与显示电路143.2.1 单片机最小系统153.2.2 LED显示电路设计173.3 量程自动转换模块电路18
2、3.4 电流/电压转换电路223.4.1 继电器介绍233.5电阻/电压转换电路244 量程自动转换数字万用表的程序设计264.1 protues软件简介264.2 编程语言选择和keil uVision4软件简介264.2.1 编程语言选择264.2.2 keil uVision4软件简介274.3 软件设计流程314.4 protues与keil uVision4软件的联合调试325 量程自动转换数字万用表系统测试346 总结36致谢38参考文献39附录40附录A：整机电路图40附录B：输入为15V时仿真图41附录C：超量程时显示仿真图41附录D：程序源代码421 绪论1.1 国外研究进展
3、(l)国外研究概况经过几十年的发展，国外的测量仪器已经是一个成熟的行业，进入21世纪以来，国外仪器仪表行业的发展呈现出一些新的特点：新技术普遍应用目前普遍采用电子设计自动化(EDA)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术(SMT)等技术。随着现代计算机技术的高速发展、计算机硬件价格的不断下降，通用硬件平台和虚拟仪器也正在成为趋势。通用硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等带有共性的硬件，例如微型计算机、A/D和D/A变换器、显示器等，有了这些通用硬件平台，根据不同仪器的具体技术要求，开发出相应的软
4、件，就可以产生不同的测试功能，输出多种测试信号。虚拟仪器充分利用了微型计算机强大的软硬件技术，可以设计出风格不同的人机操作界面，并且易于随着计算机软、硬件的升级而升级。虚拟仪器允许用户在通用硬件平台上根据自己的需要构造仪器，充分发挥计算机或数字信号处理器的作用，对仪器功能进行变换组合，因而比实物仪器更具有灵活性。在当今科技的高速发展中，测量技术和实验手段的现代化己成为科技现代化的重要条件和标志。随着计算机技术与智能传感技术的不断发展，检测仪器也将朝着“更快、更宽、更深”方向发展。产品结构发生简化在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注
5、重系统、产品软化。随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器归纳成一个简单的公式：“仪器=AD/DA+CPU+软件”。AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。(2)国研究概况八十年代，我国仪器行业受到了国外冲击，承受了巨大压力。原有的骨干企业大多数不景气，效益滑坡。先后经历了引进、发展、技术创新三个阶段。20世纪70年代中期从南韩购置DT830、DT890样机和散件进行研究,生产数量不大,由于国元器件满足不了要求,加上模具、工艺等方面的差距,发展速度十分缓慢,与国外同类产品相比落后约15年。但同时高科技民营企业发展迅速，随着万用表
6、工业的飞速发展,目前我国数字万用表的产量已跃居世界首位,每年生产近千万台(块)中、低档数字万用表,并向100多个国家大量出口,占世界中、低档数字万用表总产量的85%以上。在国数字万用表的生产厂家中,胜利高电子科技是最早引进数字万用表生产技术的,所开发的胜利牌(VICTOR)数字万用表不仅在国外的巿场占有率高,而且享有很高的信誉。华谊仪表也开发出一批具有较高水平的智能数字万用表新产品。但目前,我国所需高档数字万用表仍以进口产品为主。近年来大家都在积极转变观念，通过不断深化改革，调整企业结构、产品结构，选择了有限目标，稳住和发展量大面广的中、低挡仪器，充分发挥电子测量技术的渗透力和结合力，使得极其
7、困难的仪器行业有了长足的进展。另外，通过科技攻关、联合开发、合资合作和引进技术消化吸收国产化等多种形式，使中国仪器仪表行业部分中高档主导产品缩小了与国际先进水平的差距，并形成生产能力。一批国有、集体、民营、三资企业和科研院所通过市场竞争，在行业中脱颖而出，并显现出良好发展势头和后劲，已形成主导、核心力量。1.2 问题的提出自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。目
8、前的数字万用表虽然具有很高的灵敏度和准确度,但仍存在不足之处,主要表现在以下几个方面:(l)没有实现自动化测量。最突出的问题是在使用中需要经常旋转功能/量程转换开关,操作不便,测量速度慢。(2)经常被损坏。数字万用表被烧毁的主要原因是操作者误操作。例如:测量电压的时候,误将功能转换开关置于电阻档或置于电流档等。发生这些情况时,数字万用表很容易被损坏。虽然在数字万用表电路中增加了保护电路,但保护电路只对误测较低电压有效,当误测较高电压时,一些测量电路和保护电路将同时被烧毁。所以各种数字万用表使用说明书中均强调不要用数字万用表电阻档测量电压,否则将损坏仪表，但因数字万用表本身对误测缺乏严格的防措施
9、,此种现象时有发生。(3)触点接触不良。功能/量程选择开关属于机械开关,在测量过程中需要人工转动,其弹簧片容易被氧化、损坏和变形而造成弹簧片触点与电路板接触不良,导致数字万用表测量准确度下降,严重时甚至引起失灵。革除这些弊端一直是设计者苦苦探索但始终未能很好解决的难题。1.3研究的背景与意义量程自动选择的数字万用表,除了直观准确的显示测量电压值、减轻应用技术人员工作量、提高效率、高分辨率和高稳定性等优势外，通过加入量程自动选择的功能，使数字万用表成为了智能化的仪器，与传统数字万用表相比,提高了测试效率和测试结果的准确性,使用方便,具有广泛的应用前景。特别地，随着电子技术特别是检测和控制技术的飞
10、速发展，提高数字万用表自动化水平成为可能，量程自动转换的数字万用表取代手动操作的数字万用表是必然趋势。将测控技术的发展成果应用到数字万用表设计中，对传统数字万用表的结构进行改造，用先进控制技术代替传统的机械功能量程选择开关，研制世界上最先进的新一代高智能化的数字万用表具有重要的现实意义，对于提高我国在仪表制造业方面的国际影响力和数字万用表在国际市场上的竞争力将发挥重大作用。1.4 主要实现的功能设计的主要功能是使数字万用表能够自动判断被测量是否超量程，并衰减至相应的测量量程，无需人工选择测量量程。使用者只需选择测量容（电阻、电压、电流），通过本设计使数字万用表成为了智能化的仪器，提高了测试效率
11、和测试结果的准确性,使用更加方便。1.5系统设计方案测量电阻，将被测量的电阻值转换为直流电压信号给A/D处理显示。测量电流，将被测量的电流值转换为直流电压信号给A/D处理显示。由A/D将模拟量转换为数字量，采用AT89C51单片机和程序实现量程自动转换功能，并将确定量程后测量出的数值直观显示到LED。如图1.1所示。图1.1 量程自动转换数字万用表系统设计方案1.6 万用表的分辨率与精度(l)分辨率分辨率也称灵敏度,指数字万用表测量结果的最小量化单位,即可以看到被测信的微小变化。例如:如果数字万用表在4V围的分辨率是lmV,那么在测量1V的信号时,你就可以看到lmV的微小变化。数字万用表的分辨
12、率一般用位数或字表示。数字万用表分辨率是很重要的指标,就像你要测量小于1毫米的长度,你肯定不会用最小单位为厘米的尺子。一个3位半的表,后三位可以显示三个从0到9的全数字位,前一位只显示一个半位(显示1或显示0),即3位半的数字表可以达到1999字的分辨率;一块4位半的数字万用表可以达到19999字的分辨率。用字来描述数字表的分辨率比用位数描述要好。现在的4位半数字万用表的分辨率已经提高到32000或50000字。32000字的数字万用表为某些测量提供了更好的分辨率。例如,一个19999字的表,在测量大于200V的电压时,你不可能显示到0.IV。而32000字的数字万用表在测320伏特的电压时,
13、仍可显示到0.1V。在本设计中，根据设计结果，在测量1V的信号时,就可以看到0.01V的微小变化。即本数字万用表在5V围的分辨率是0.01V。(2)精度 万用表的精度是指在特定的使用环境下,出现的最大允许误差。换句话说,精度就是用来表明数字多用表的测量值与被测信号的实际值的接近程度。对于数字万用表来说,精度通常使用读数的百分数表示。例如,1%的读数精度的含义是数字万用表显示100.OV时,实际的电压可能会在99V到101.OV之间。在详细说明书中可能会有特定数值加到基本精度中,它的含义就是,对显示的最右端进行变换要加的字数。在前面的例子中,精度可能会标为(1%十2)。因此,如果万用表的读数是1
14、00.0V,实际的电压会在98.8V到101.2V之间。模拟表(或指针万用表)的精度是按全量程的误差来计算的,而不是按显示的读数来计算。指针万用表的典型精度是全量程的2%或3%。数字万用表的典型基本精度在读数的(0.7%+l)和(0.1%+l)之间,甚至更高。1.7 数字万用表与智能仪器(l)智能仪器简介智能仪器就是将智能的理论、方法和技术应用于仪器中,使其具有智能功能、智能特性的仪器。为了有效地实现智能功能、智能特性,该类仪器在一般情况下,都会使用微处理器或者数字信号处理器、专用集成电路,其部均有很强处理能力的智能软件系统，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。智能仪器是计算机技术
15、与测量技术及仪器仪表技术相结合的产物。它具有传统仪器无法比拟的优点,在测量精度、速度、可靠性方面有了根本性的改变。智能仪器广泛应用于测量、控制、通信、医学仪器以及科学研究等各个方面。微处理器是智能仪器的核心，智能仪器的结构除了包含微处理器以外,还有存储器RAM、ROM和键盘、显示器及其它接口装置。(2)数字万用表与智能仪器的关系 经设计的数字万用表采用微处理器（AT89C51）为核心，并针对其设计了特定的程序，能够实现对数据的逻辑判断及自动化操作功能。所以本设计的数字万用表属于智能仪器的畴。1.8 设计中重点解决的问题本设计重点解决的问题是如何实现自动转换量程的功能，如何将直流电流量转换为直流电压量，如何将电阻值转换为直流电压量，如何选取所用的芯片，如何设计程序。2 系统整体结构2.1 系统设计方框图如图2.1所示，当被测量输入时，单片机通过控制电路处理输入量，将输入量转换为符合A/D转换器的输入信号，然后A/D转换器将其输出数据传送到单片机，单片机对数据进行智能化处理后，最后显示在LED显示器上。图2.1 系统设计方框图
