单片机做万用表

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1、单片机的数字万用表单片机的数字万用表摘要：本系统是一种基于 STC89C52 单片机的交直流电压、电流测量和电阻阻值、二极管正向导通压降测量以及三极管 hFE值的测量电路。该设计采用高精度、双积分 A/D 转换芯片 ICL7135 构成主要的测量电路，其测量范围广而且可以由继电器的闭合与关断量程自动转换，使用串行 5 位 LED 显示电路和发光二极管测量类型以及测量单位的显示电路。此外，该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。关键词：单片机，双积分 A/D 转换器，量程自动转换1 引 言随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、

2、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。纵览目前国内外的高精度数字式仪表，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。例如，传统的电桥平衡法等方法在测试过程中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调很多参数，对初学者来说很不方便，当今社会，基于数字显示的仪表虽然已经很成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简

3、单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的数字式万用表，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能数字式仪表，人机界面友好、操作方便的智能数字式万用表，具有十分重要的意义。本系统是用模拟电路将待测量转换成 02.0000V 的电压，再经过 A/D 转换器采集并转换成数字量，然后送入单片机运算、处理以及输出显示，所以用起来非常方便而且准确度高，显示清晰，测量误差保持在 5%以内。2方案设计与论证根据设计要求，将整个系统分为 4 个部分：测量电路部分、通道选择及量程转换部分、A/D 转换电

4、路部分、MCU 主控电路部分，其中测量部分分为交直流电压、电流测量以及电阻阻值、二极管正向导通压降和三极管 hFE值及温度的测量 。对于交流输入，先将其转化为等值的直流信号，再采用分压式测量，而直流输入，采用分压式直接测量；电阻的测量采用伏安法，由 A/D 采样输入单片机；二极管正向导通压降采用一恒流源加在被测器件上，再由 A/D 采样输入单片机；三极管 hFE值的测量是给其基极加一偏置电压，测得输出电流，再转换成电压信号输入单片机；温度的测量则采用 NS 公司的电压输出型LM35DZ 温度传感器。通道选择及量程转换部分我们采用小型继电器控制；A/D 转换采用双积分式 ICL7135;MCU

5、主控电路采用 STC89C52 单片机，具体框图如图 2.1 所示： 图 2.1 数字万用表总体设计框图2.1 MCU 主控制器的选择与论证方案一 此方案采用凌阳公司的 16 位单片机 SPCE061A 作为主控制器，它 具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、 中断处理能力强、处理速度高等特点，尤其适用于语音处理和识别等领域。但 是其软件设计相对复杂，故我们放弃此方案。 方案二 此方案采用 STC 公司的 8 位单片机 STC89C52 作为主控制器，具 有与 MCS-51 指令集完全兼容的 CIP-51 内核，但其同样时钟下运行速度和抗干 扰能力军比普通 80

6、51 8 位单片机要高，而且开发环境是我们很熟悉的 Keil C51 ,编 译效率高，非常适合 C 语言开发人员，因此我们采用该方案。2.2A/D转换器的选择与论证方案一 此方案选用 12 位串行 A/D 转换集成 AD，只需要根线就 能够很好的与相通信组成测量系统，但其输入电压不能为负值，故使用 范围受到了限制，不适合用作负压测量电路中而且价格较高。因此，我们放弃 此方案。方案一 此方案选用双积 A/D 转换器 ICL7135，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。它的特点是在每次 A/D 转换前，内部电路都自动进行调零操作，可保证零点在常温

7、下的长期稳定。在 20000 字（2V 满量程）范围内，保证转换精度 1 字，相当于 14bitA/D 转换器；具有自动极性转换功能；模拟出入可以是差动信号，输入电阻极高，可达 1G 输入电流典型值 1PA；有过量程（OR）和欠量(UR)程标志信号输出,可作为自动量程转换控制信号，能与异步接收 /发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用，其工作原理如图.所示。图.双积 A/D 转换器的工作原理如图.所示：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数

8、器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。综合上述方案的优缺点，我们采用此方案。2.3 通道及量程转换开关的选择与论证方案一 此方案采用CMOS集成模拟开关CD4066，经我们查阅资料得知： 模拟开关的开关频率高，适合传输较高频率的数字信号，但是其导通电阻在 40左右，当用在测量微小变化的模拟量时所引入的误差将会很大，这是仪器 仪表所不希望的，不过AD公司的可以减小到0.5，但其价格较高，故放弃此方 案。 方案二 此方案采用小型单通道继电器，其响应速度较慢，但是导通电阻 小、价格便宜，而且本设计不需要那么快的响应速度，性价比较高，因此我们 采用

9、该方案。2.4 测量电路的选择与论证2.4.1电阻测量方案一 此方案采用数控恒压源式闭环负反馈电阻测量的方法，其测量原理框图如图 2.所示：-+-+D/A转换器A/D转换器单 片 机ViRR0R V0图 2.2 数控恒压源式电阻测量的闭环负反馈方法原理框图系统有被测电阻 Rx，反馈电阻 R0，运算放大器，A/D 转换器，D/A 转换器，单片机组成。加在被测电阻 Rx 上的电压 Vi 是由计算机通过 D/A 转换器来控制的，即可调的，必要时可以在 D/A 转换器后加一个电压跟随器以扩大带负载能力。被测电阻可由下式求得：（1）0 Xi 0RVRV式中 ViD/A 转换器（数控可调恒压源）的输出Vo

10、放大器的输出（A/D 转换器的输入） 式（1）可以改写成（2）i 00 XVVRR由于 Vo 总是有一定范围的（如 05 伏），所以 Vi 于 Rx 的比值必然被XiV R 限制在一定的范围之内（如当 R0=10K， =00.5V/ K，可以保证XiV R Vo=05V）为了保证实现上述要求，则 Vi 要随着被测电阻的大小的变化而变化。被测电阻 Rx 大，则 Vi 大，被测电阻 Rx 小，则 Vi 小，由于电阻 Rx 是待测量的，所以 Vi 的确定就不能够通过式（2）来进行，最直观的想法就是使得Vi 从小到大逐步加 1，直到使得 Vo 到达测量范围为止。由于此方案需要数控恒压源，既增加了硬件电

11、路设计，又引入了误差，故放弃此方案。方案二 此方案采用比例测量法，其原理电路见图 1。ZDRxIN+A/D转换及数字 表头R0IN-VREF+VREFUREFUIN图 1电阻测量原理由稳压管提供测量基准电压，流过标准电阻和被测电阻的电流基ZD0RxR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 转换器的参考电压和输入电压如下关系：REFUINU0REFINXRU UR即：0IN X REFURRU根据所用 A/D 转换器的特性可知，数字表显示的是与的比值，当INUREFU时显示“1000”，时显示“500”，以此类推。所以，当INREFUU0.5INREFUU时，表

12、头将显示“1000”，当时显示“500”，这称为比例读数特0XRR00.5XRR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 到不同的电阻测量挡。如对挡，取，小数点定在十位上。当时，表头20001100R100XR 就会显示出。当 Rx变化时，显示值相应变化，可以从测到 100.0 0.1。199.9k又如对挡，取，小数点定在千位上。当变化时，显示值2k021kRXR相应变化，可以从测到。 （其余各挡道理相同，同学们可自行0.001k1.999k 推演。 ）数字万用表多量程电阻挡电路见图 2。由上分析可知，10120201303021001000 10090010k1k

13、9kRRRRRRRRK K图 2 中由正温度系数（PTC）热敏电阻与晶体管 T 组成了过压保护电tR路，以防误用电阻挡去测高电压时损 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。同时随着电流的增加而tR发热，其阻值迅速增大，从而限制了 电流的增加，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，和 TtR都能恢复正常。方案二 此方案采用伏安法测量电阻的方法，2.4.2电压测量2.4.2.1 直流电压的测量方案一 此方案采用电阻分压式测量电路，在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

14、图 2.3 所示，为数字电压0U表头的量程（如 200mV） ， 为其内阻（如 10M） ，为分压电阻，为r12rr、0iU扩展后的量程。00iU数字电压表1r2r r0U图 2.3分压电路原理RxIN+A/D转 换及数 字 表 头RtIN-VREF+VREF图 2电阻测量电路R1R2R3R4900 k90k9k900100PTC+V2002k20k200k2M R5由于，所以分压比为 ，扩展后的量程为2rr?21200 rrr UUi0 221 0UrrrUi多量程分压器原理电路见图 2.4，5 挡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 20

15、0mV、2V、20V、200V 和 2000V。采用图 2.4 的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程挡 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，因此放弃此方 案。方案二 此方案也采用电阻分压式测量电路，也就是实际数字万用表的直流 电压挡电路，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。如图 2.5 所示： 例如：其中 200V 挡的分压比为001. 0M10k105432154 RRRRRRR其余各挡的分压比可同样算出。数字电压表10M99k 9k1M1k200mV200V20V2ViU2000VIN+IN-图 2 .4多量程分压器原理2000V 数 字 电压表

16、 1k 9k 90k 900k 9M R 5 R 4 R 3 R 2 R 1 2V 200V 20V IN+ IN 图 3 实用分压器电路 200mV iU A 交流电 压输入 直流电 压输出 交流电 压校准 图 4 AC-DC 变换器原理简图 实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定1234510MRRRRRR总再计算 2000V 挡的电阻50.00011kRR总再逐挡计算。4321RRRR、尽管上述最高量程挡的理论量程是 2000V，但通常的数字万用表出于耐压 和安全考虑， 规定最高电压量程为 1000V，本设计规定最高测量电压为 200V。 换量程时，单片机控制多挡量程转换开关自动调整小数点的显示，使用者 可方便地直读出测量结果。2.4.2.2 交流电