單片機數字萬用表課程設計

1、 單片機課程設計題 目： 基于單片機的數字多用表設計 專 業(yè)： 電力系統(tǒng)及其自動化 班 級： 本自動化 姓 名： 學號： 指導老師： 小組成員： 成 績： 摘要 本次設計采用單片機芯片AT89S51與ADC0809設計一個數字電壓表，能夠測量05V之間的直流電壓值，四位數碼顯示，但要求使用的元器件數目最少。為使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，使系統(tǒng)的整體精度得以保障，本電路使用了ADC0809數據轉換芯片，單片機系統(tǒng)設計采用AT89S51作為主控芯片，配以RC上電復位電路和震蕩電路，程序每執(zhí)行周期耗時縮到最短，這樣保證了系統(tǒng)的實時性。關鍵詞 數字萬用表 AT89S51單片機 AD轉換與控制 目 錄摘要2關鍵詞2

2、緒論1.數字萬用表設計背景4 1.1 數字萬用表的設計目的和意4 1.2 數字萬用表的設計依據.41.3 數字萬用表設計重點解決的問題42.數字萬用表總體設計方案5 2.1數字萬用表的基本原理. . .52.2芯片選擇及功能簡介.2.3電路原理圖及仿真圖. .2.4系統(tǒng)板上硬件連線. . 2.5程序設計內容. . 2.6C語言源程序. . 3 總結.4心得體會5 參考文獻.13緒論 數字萬用表亦稱數字多用表，簡稱DMM（Digtial Multimeter）。它是采用數字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉換成不連續(xù)的，離散的數字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式萬用表功能單精度低，不能滿足數字化時代

3、的需求，采用單片機的數字萬用表，已被廣泛用于電子及工業(yè)測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能測量領域，顯示出強大的生命力。數字萬用表具有以下幾點優(yōu)勢：（1） 顯示清晰直觀，計數準確為了提高觀察的清晰度，新型的手勢式數字萬用表已普遍采用字高為26mm的大屏幕LCD（液晶顯示器）。有些數字萬用表還增加了背光源，以便于夜間觀察讀數。（2） 顯示位數數字萬用表的顯示位數通常為3位到8位半。（3） 準確度高準確度是測量結果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。它表示測量結果與真值的一致程度，也反映了測量誤差的大小，準確度愈高，測量誤差愈小。數字萬用表的準確度遠優(yōu)于指針萬用表。（4） 分辨力高 數字萬用表在最低電

4、壓量程上末位1個字所代表的電壓值，稱作儀表的分辨率，宏觀世界反映了儀表靈敏度的高低，分辨率隨顯示位數的增加而提高。（5） 測試功能強 數字萬用表不止可以測量直流電壓，直流電流，電阻二極管正向壓降等等。（6） 測量范圍寬數字萬用表可滿足常規(guī)電子測量的需要，智能數字萬用表的測量范圍更寬廣。（7） 測量速率快數字萬用表在每秒中內對被電壓的測量次數稱為測量速率，單位是次/秒。它主要取決于A/D轉換器的轉換速率。一般數字萬用表的測量速率為2到5次/秒。有的呢過達到20次/秒以上，另外有的比這個還要高得多。數字萬用表可滿足不同用戶對測量速率的需要。（8） 輸入阻抗高 數字萬用表電壓檔具有很高的輸入阻抗，通

5、常為10至10000M歐姆，從被測電路上吸取的電流小，不會影響被測信號源的工作狀態(tài)，能減小由信號源內阻引起的測量誤差。（9） 保護功能完善，抗干擾能力強數字萬用表具有比價完善的保護電路，過載能力強，新型的數字萬用表還增加了高壓保護器件，能防止浪涌電壓。本設計就是居于這個設計理念一個基于單片機的數字萬用表。該設備具有直觀簡單的優(yōu)點。并且能深入的說明 萬用表的測量原理。能直觀的了解萬用表各個部分的結構和測試原則。1數字萬用表的設計背景 在本章中主要介紹了系統(tǒng)的設計原則和總體方案及其系統(tǒng)概述等。 1.1數字萬用表的設計目的和意義數字萬用表是當前電子、電工、儀器、儀表和測量領域大量使用的一種基本測量，

6、已被廣泛應用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，示出強大的生命力。隨著時代科技的進步，數字萬用表的功能越來越強大，把電量及非電量的測量技術提高到嶄新水平。1.2 數字萬用表的設計依據根據數字萬用表的原理，結合以下的設計要求："設計一個數字萬用表，能夠測量直流電壓值，直流電流、直流電阻。實現多級量程的直流電壓測量，其量程范圍是200mv、2v ,20v,200v和500v.實現多級量程的直流電流測量，其量程范圍是2mA ，20mA，200mA、2A和20A.實現多級量程的電阻測量，其量程范圍是200、2k ,20k,200k和2M。由此設想出以下的解決方法，

7、即數字萬用表的系統(tǒng)由分流電阻、分壓電阻、基準電阻、電容測試芯片電路、51單片機最小系統(tǒng)、顯示部分、報警部分、AD轉換和控制部分組成。為使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，使系統(tǒng)整體精度得以保障。1.3數字萬用表設計重點解決的問題本設計重點要解決的問題是對不同量程的各種測量內容的轉換，還有就是各部分電路組合成一個完整的數字萬用表，而難點解決的問題就是程序的設計，要保正其可行性從而保證設計的正確性。2 數字萬用表總體設計方案2.1數字萬用表的基本原理數字萬用表的最基本功能是能夠測量直流電壓，直流電流，還有能夠測電量阻。下面我們分別介紹各個部分的組成：（1）、模數(A/D)轉換與數字顯示電路常見的物理量都是幅值(大小)

8、連續(xù)變化的所謂模擬量(模擬信號)。指針式儀表可以直接對模擬電壓、電流進行顯示。而對數字式儀表，需要把模擬電信號(通常是電壓信號)轉換成數字信號，再進行顯示和處理(如存儲、傳輸、打印、運算等)。數字信號與模擬信號不同，其幅值(大小)是不連續(xù)的。這種情況被稱為是"量化的"。若最小量化單位(量化臺階)為，則數字信號的大小一定是的整數倍，該整數可以用二進制數碼表示。但為了能直觀地讀出信號大小的數值，需經過數碼變換(譯碼)后由數碼管或液晶屏顯示出來。（2) 、多量程數字電壓表原理在基準數字電壓表頭前面加一級分壓電路(分壓器)，可以擴展直流電壓測量的量程。（3）多量程數字電流表原理測量

9、電流的原理是：根據歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測電流轉換為相應的電壓，再進行測量。（4）電阻測量原理數字萬用表中的電阻檔采用的是比例測量法。由穩(wěn)壓管ZD提供測量基準電壓，流過標準電阻和被測電阻的電流基本相等2.2芯片選擇及功能簡介這次的課程設計中，我們這一種選擇了芯片AT89S51和ADC0809。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成

10、了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51有PDIP、PLCC、TQFP三種封裝方式，其中最常見的就是采用40Pin封裝的雙列直接PDIP封裝，芯片共有40個引腳，引腳的排列順序為從靠芯片的缺口左邊那列引腳逆時針數起，依次為1、2、3、4、40，其中芯片的1腳頂上有個凹點。在單片機的40個引腳中，電源引腳2根，外接晶體振蕩器引腳2根，控制引腳4根以及4組8位可編程I/O引腳32根。1、主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線2、外接晶振引腳

11、（2根）XTAL1(Pin19)：片內振蕩電路輸入端XTAL2(Pin20)：片內振蕩電路輸出端3、控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復位引腳，出現2個機器周期的高電平將使單片機復位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內部程序存儲器讀指令。4、可編程輸入/輸出引腳（32根）AT89S51單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位雙向I

12、/O口線，名稱為P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7P2口（Pin21Pin28）：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7P3口（Pin10Pin17）：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.7。AT89S51的主要性能參數：與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器 1000次擦寫周期 4.05.5V的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz 三級程序加密鎖 128×8字節(jié)內部RAM 32個可編程IO口線 2個16位定時計數器 6個中斷源 全雙工串行UART通道 低功耗空閑

13、和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（WDT）及雙數據指針 掉電標識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）ADC0809是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片 1主要特性1）8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位。 2）具有轉換起?？刂贫?。 3）轉換時間為100s(時鐘為640kHz時)，130s（時鐘為500kHz時） 4）單個+5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍0+5V，不

14、需零點和滿刻度校準。 6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度 7）低功耗，約15mW。 2內部結構ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，內部結構如圖所示，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型A/D轉換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。 3外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： A/D轉換

15、啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉換）。 EOC： A/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。 OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準電壓。 Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。 ADC0809的工作過程首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。STA

16、RT上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。 轉換數據的傳送 A/D轉換后得到的數據應及時傳送給單片機進行處理。數據傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。 （1）定時傳送方式 對于一種A/D轉換器來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如ADC0809轉換時間為128s，相當于6MHz的MCS-5

17、1單片機共64個機器周期?？蓳嗽O計一個延時子程序，A/D轉換啟動后即調用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已經完成了，接著就可進行數據傳送。 （2）查詢方式 A/D轉換芯片由表明轉換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認轉換是否完成，并接著進行數據傳送。 （3）中斷方式 把表明轉換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數據傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉換完成，即可通過指令進行數據傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉換數據送上數據總線，供單片機接受。2.3電路原理圖2.4系統(tǒng)板上硬件連接a)

18、         把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0P1.7與“動態(tài)數碼顯示”區(qū)域中的ABCDEFGH端口用8芯排線連接。b)        把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.0P2.7與“動態(tài)數碼顯示”區(qū)域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8芯排線連接。c)        把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.0與“模數轉換模塊”區(qū)域中的ST端子用導線相連接。d) 

19、60;      把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.1與“模數轉換模塊”區(qū)域中的OE端子用導線相連接。e)         把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.2與“模數轉換模塊”區(qū)域中的EOC端子用導線相連接。f)         把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.3與“模數轉換模塊”區(qū)域中的CLK端子用導線相連接。g)      

20、0; 把“模數轉換模塊”區(qū)域中的A2A1A0端子用導線連接到“電源模塊”區(qū)域中的GND端子上。h)        把“模數轉換模塊”區(qū)域中的IN0端子用導線連接到“三路可調電壓模塊”區(qū)域中的VR1端子上。i)          把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0P0.7用8芯排線連接到“模數轉換模塊”區(qū)域中的D0D1D2D3D4D5D6D7端子上。2.5程序設計內容 1.  由于ADC0809在進行A/D轉換

21、時需要有CLK信號，而此時的ADC0809的CLK是接在AT89S51單片機的P3.3端口上，也就是要求從P3.3輸出CLK信號供ADC0809使用。因此產生CLK信號的方法就得用軟件來產生了。   2.由于ADC0809的參考電壓VREFVCC，所以轉換之后的數據要經過數據處理，在數碼管上顯示出電壓值。實際顯示的電壓值(D/256*VREF)2.6C語言源程序#include <AT89X52.H> unsigned char code dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7, 0xef,0xdf,0xbf,0x7f; uns

22、igned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; unsigned char dispbuf8=10,10,10,10,10,0,0,0; unsigned char dispcount; unsigned char getdata; unsigned int temp; long int i; 代替原來的unsigned char i; sbit ST=P30; sbit OE=P31; sbit EOC=P32; sbit CLK=P33;   void main(v

23、oid) ST=0; OE=0; ET0=1; ET1=1; EA=1; TMOD=0x12; TH0=216; TL0=216; TH1=(65536-5000)/256; TL1=(65536-5000)%256; TR1=1; TR0=1; ST=1; ST=0; while(1) if(EOC=1) OE=1; getdata=P0; OE=0; i=getdata*196;dispbuf5=i/10000; i=i%10000; dispbuf6=i/1000;i=i%1000; dispbuf7=i/100;/*原來的：temp = getdata * 235;temp=temp/

24、128;i=5;dispbuf0=10;dispbuf1=10;dispbuf2=10;dispbuf3=10;dispbuf4=10;dispbuf5=0;dispbuf6=0;dispbuf7=0;while(temp/10) dispbufi=temp%10;temp=temp/10;i+;dispbufi=temp; */ ST=1; ST=0;   void t0(void) interrupt 1 using 0 /定時器0  中斷服務 CLK=CLK;   void t1(void) interrupt 3 using 0 /定時器1  中斷服務 TH1=(65536-6000)/256; TL1=(65536-6000)%256; P1=dispcodedispbufdispcount; P2=dispbitcodedispcount; if(dispcount=5) P1=P1 | 0x80; dispcount+; if(dispcount=8) dispcount=0; 3.總結 設計結果綜述：（1）、數字萬用表完成的功能主要是對電壓、電流、電阻的測量，它主要由分流電