基于单片机的数字万用课程设计

目录

1 前言 ................................................................... 1 1.1 课题的提出 .......................................................... 1 1.2 研究的意义 .......................................................... 1 1.3 设计的任务 .......................................................... 1 2 总体方案确定 ............................................................ 1 2.1 方案比较及选择 ...................................................... 1 2.1.1 模数转换芯片方案 .................................................. 1 2.1.2 显示器方案 ........................................................ 4 2.2 确定设计方案 ........................................................ 5 3 系统硬件分析及设计 ...................................................... 5 3.1 数字万用表的基本原理 ................................................ 5 3.1.1 模数转换及显示电路原理 ............................................ 5 3.1.2 多量程数字电压表原理 .............................................. 6 3.1.3 多量程数字电流表原理 .............................................. 6 3.1.4 电阻测量原理 ...................................................... 7 3.2 硬件系统总体设计框图 ................................................ 8 3.3 硬件电路所用芯片及元件介绍 .......................................... 8 3.3.1 STC的89C52单片机的特点及功能介绍 ................................. 8 3.3.2 PCF8591模数及数模转换芯片介绍 .................................... 11 3.3.3 LCD1602液晶显示器介绍 ............................................ 12 3.4 硬件电路设计 ....................................................... 13 3.4.1 电源部分 ......................................................... 13 3.4.2 电压衰减电路 ..................................................... 14 3.4.3 电流衰减电路 ..................................................... 14 3.4.4 电阻-电压变换电路 ................................................ 15 3.4.5 模数转换部分 ..................................................... 15 3.4.6 报警提示部分 ..................................................... 16 3.4.7 单片机最小系统 ................................................... 16

3.4.8 显示输出部分 ..................................................... 17 3.4.9 开关及量程选择部分 ............................................... 17 3.4.10 整体硬件电路 .................................................... 18 3.5 电路工作过程描述 ................................................... 18 4 系统软件设计 ........................................................... 18 4.1 C语言概述 .......................................................... 18 4.2 软件设计思路 ....................................................... 19 4.3 程序流程图 ......................................................... 19 4.3.1 系统软件总流程图 ................................................. 19 4.3.2 电压测量流程图 ................................................... 20 4.3.3 电流测量流程图 ................................................... 20 4.3.4 电阻测量流程图 ................................................... 20 5 测试及实验分析 ......................................................... 21 5.1 电路功能仿真 ....................................................... 21 5.1.1 数字电压表功能仿真 ............................................... 21 5.1.2 数字电流表功能仿真 ............................................... 22 5.1.3 数字欧姆表功能仿真 ............................................... 23 6 总结 .................................................................. 23 参 考 文 献 .............................................................. 24 附 录 ............................................................. 25

摘要

基于51单片机的数字万用表，可用于测量直流电压、直流电压及电阻，并使用1602进行显示。系统由分压电阻、分流电阻、电阻---电压变换电路、单片机最小系统、液晶显示器、报警器、模数转换器及等部分组成。采用STC公司的89C52单片机作为主控芯片，PCF8591作为模数转换芯片。主控芯片与模数转换芯片之间使用I2C总线进行数据通讯，简化了硬件线路，提高系统的稳定性及测量准确度。从电源获取的电压或电流信号，通过衰减电阻进行衰减后，进入模数转换器的模拟输入端，而待测电阻则通过电阻---电压变换电路，把阻值转化为电压值进行测量。模数转换器进行转换之后，得到的数字编码通过I2C总线送回单片机。单片机对数据进行一定的处理后，测量结果由1602液晶显示器负责输出。设计的数字万用表共分为6个档位，分别是2V电压、20V电压、200mA电流、2A电流、2kΩ电阻、20kΩ电阻，超出量程时会自动使用蜂鸣器进行报警提示。本系统程序执行周期耗时较短，保证了系统的响应速度。经过初步调试，本系统能较准确的测量量程范围内的电压及电流值，误差范围均在8%以内，而电阻值测量的误差值稍大，误差范围在8.2%以内。另外，本文详细地介绍了89C52型单片机及PCF8591模数转换芯片的基本功能及性能特征，并叙述了数字万用表测量电压、电流及电阻的基本原理。 关键词：数字万用表 89C52单片机 模数转换

1 前言

1.1 课题的提出

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。 1.2 研究的意义

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）数字显示直观准确，无视觉误差，读数准确； （2）测量精度和分辨率都很高；

（3）输入阻抗高，减少对被测电路的工作影响； （4）电路集成度高，便于组装和维修； （5）测量功能齐全，测量速率快；

（6）保护功能齐全，有过压、过流保护电路； （7）功耗低，抗干扰能力强； （8）便于携带，使用方便。 1.3 设计的任务

本次设计的任务是制作一个数字万用表，可实现如下的功能及要求： （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。

2 总体方案确定

2.1 方案比较及选择 2.1.1 模数转换芯片方案

方案一：积分型模数转换芯片

积分型模数转换器又称双斜率或多斜率数据转换器，是典型的双斜率转换器。积分型转换器包含两个主要的转换步骤：前端的电路负责输入模拟电压的采样和量化，产生一个在时域上间隔的的脉冲序列，然后将脉冲输入计数器并转换为数字进行输出。

积分型转换器由一个可进行输入通道切换的模拟积分器、一个比较器及一个计数器组成。在一个固定的时间间隔内，积分器对输入电压信号进行积分。定时时间到后，计数器被复位并将其输入连接到反向极性的基准电压端上。由于反极性信号中的作用，积分器会进行反向积分，直到输出为零，使计数器中止工作复位积分器。积分型模数转换器的精度可以达到很高，有效抑制高频噪声和固定的低频干扰，适合在嘈杂的工业环境及对转换速率要求较低的场合下使用。图1所示为双积分型模数转换器的原理框图。

模拟输入

-UD7D6D5D4D3D2D1D0

图1 积分型模数转换器原理框图

方案二：逐次比较（逼近）型模数芯片

逐次比较型转换器包含一个比较器、一个数模转换器、一个数码寄存器和一个电路控制单元。转换时的逐次逼近是按对分原理，由控制电路完成的。在逻辑控制电路产生的时钟信号驱动下，数码寄存器不断进行比较和移位操作，直至完成全部有效位的转换。此时数码寄存器的各位的值都已确定，转换步骤完成。

由于逐次逼近型模数转换器在单个时钟周期内只能完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期，因此这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。图2所示为逐次比较型模数转换器的原理框图。

D2D1D0

二进制代码

输出

模拟电压输入

图2 逐次比较型模数转换器原理框图

方案三：并联比较型模数芯片

并联比较型模数转换器由电阻分压器、电压比较器及编码电路组成，输出的各位数码是一次形成的，它是转换速度最快的一种模数转换器。图3所示为并联比较型模数转换器的原理框图。

模拟输入

u888

8

8

2

8

1

8

D2

并行二进D1

制代码输出D0

图3 并联比较型模数转换器原理框图

图3中，8个大小相等的电阻串联构成电阻分压器，产生不同数值的参考电压，共形成共7种量化电平。7个量化电平分别加在7个电压比较器的反相输入端，模拟输入电压加在比较器的同相输入端。当模拟输入电压大于或等于量化电平时，比较器输出为1，否则输出为0，电压比较器用来完成对采样电压的量化。

并联比较型模数转换器转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越精细，精度越高。这种转换器的最大优点是具有较快的转换速度，但所用的比较器及其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路将越复杂。由此可知，该类型的模数转换器适用于高速度、低精度要求的场合。

方案选择：三个方案相比较，方案一中的积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，难以满足本系统的实时性要求。与方案一和方案二相比，方案三中的并联型模数转换器转换速度更高，但是当精度要求较高时，转换电路将变得复杂且成本较高，因此，选择方案二的逐次比较型模数转换器，拥有中等的转换速度，且可以达到一定的精度水平。

2.1.2 显示器方案

方案一：LED（Light Emitting Diode）数码管显示器

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形，并加上小数点共八个发光二极管构成。这些发光二极管构成段，当特定的段被加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们能看到的字样。LED数码管通常能够显示的数字和字母有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

LED数码管的驱动形式通常分为静态式和动态式两类：

（1）静态驱动也称直流驱动，是指每个数码管的每一个段码，都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用BCD码的二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，但缺点也比较明显，占的用I/O口很多，耗费了单片机的资源并增加了硬体电路的复杂性。

（2）动态驱动是将所有数码管的各个显示段的同名端相连，另外为每个数码管的公共端增加位选通电路。使用时，控制电路根据数码管选取的不同，在特定的位置上显示字符。透过分时技术轮流地控制每个数码管，使各个数码管轮流进行发光显示，由于人眼的视觉残留现象及LED的余辉效应，会出现各个位上的数码管在同时显示的假象。相比静态驱动，动态驱动节省单片机的I/O口，硬件电路更加简化，但显示亮度会明显降低且可能有闪烁感。

方案二：1602液晶显示器

1602液晶显示器是一个两行每行16个5×7点阵字符的微型液晶显示器，可以显示较多ASCII标准的字符。1602液晶只有16个引脚，仅包含必要的数据线及数根控制线。

1602液晶显示的不需要占用单片机大量的扫描时间，而仅在需要显示的时候调用液晶的控制子函数即可。而且1602液晶可以通过ASCII码来显示字符，并在内部集成了存储160个字符ASCII码的寄存器，可以直接显示ASCII码表示的字符。而且液晶能比数码管显示更多的字符，增强了系统显示输出的可读性和直观性。

方案选择：与方案二相比，方案一中的数码管，虽然成本较低，但是耗费大量的单片机资源，不利于后续系统的设计。而且液晶显示的视觉效果和可读性远优于数码管，且节省单片机资源，因此选择方案二。 2.2 确定设计方案

经过了上述的比较，最终的方案是：使用逐次比较型模数转换芯片，获取系统良好的实时性及相对高的精度；使用1602液晶作为数据输出显示器，提高系统的人机交互方面的友好性。

3 系统硬件分析及设计

3.1 数字万用表的基本原理

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4所示，其中，模数转换是数字万用表的核心：

图4 数字万用表的基本原理图

3.1.1 模数转换及显示电路原理

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。

当模拟信号经过量化之后，还需要进行编码处理，是用二进制码组表示固定电平的量化值。目前普遍使用的是非线性的8位二进制编码，可以将输入的幅度范围分成256个量化级。

由此可知，数字万用表测量的核心步骤是模数转换以及译码显示，其中模数转换又可以分为量化及编码两大步骤。 3.1.2 多量程数字电压表原理

图5 分压电路的原理

如图5所示，在基准数字电压表头前加上一级电压信号衰减电路（分压电路），可以扩展直流电压测量的量程。图中，Vo为输出电压，基准电压表的量程为2V，四个分压电阻串联值为10MΩ，则第4个开关接入时输入电压Vi可以达到2000V，同理可得其他档位量程分别为2V、20V、200V、200V。但基于测试安全性，第4档测试电压不应高于500V。

3.1.3 多量程数字电流表原理

图6 分流电路的原理

如图6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。

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。 3.1.4 电阻测量原理

图7 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。

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。

3.2 硬件系统总体设计框图

如图8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。

3.3 硬件电路所用芯片及元件介绍

3.3.1 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

图8 硬件系统总体设计框图

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。

89C52具有以下几个主要特点： 1．体积小但集成度高、可靠性较高：

该单片机把各个功模块集成在一块芯片上，内部采用总线结构，将各种信号的通道封装在同一个芯片中，减少了与其他芯片之间的连线，大大提高了可靠性与线路的抗干扰能力。

2．控制能力较强：

一般单片机的指令系统中均有极为丰富的转移指令、存储器读写指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能，满足工业控制的各种要求。

3．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。

4．内部功能较强：

单片机有着各种的内部资源，功能强大。 5．低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 下面介绍89C52单片机的主要功能特性： 1．兼容标准的MCS-51的指令系统；

2．内置8k字节可擦写的闪存ROM（Read-Only Memory）； 3．4组共32个双向I/O口； 4．256×8位大小的内部RAM； 5．3个16位可编程定时/计数器中断； 6．支持3.5-12/24/33MHz多种时钟频率；

7．1个全双工可编程的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitte）串行口； 8．6个中断源，4级优先级中断结构；

9．2个W/R（Write/Read）读写中断口，3级加密位；

10．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； 11．有PDIP及 PLCC两种封装形式。

图9 89C52单片机引脚图

89C52单片机引脚主要功能：

1．4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。

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 P1.0 P1.1

功能特性

T2（定时/计数器2的外部计数输入），时钟输出 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。

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。 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。

EA/VPP：外部访问允许。要让CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA 端必需保持低电平（或接地）。当EA端为高电平（接Vcc端）时，CPU会执行内部程序存储器中的指令。

XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 VCC：接电源+5V。 GND：接地端。

表2 P3口的第二功能

引脚号 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

功能特性 RXD（串行输入） TXD（串行输出） INT0（外部中断0） INT1（外部中断1） T0（定时器0外部输入） T1（定时器1外部输入） WR（外部数据存储器写有效） RD（外部数据存储器读有效）

3.3.2 PCF8591模数及数模转换芯片介绍

（1）PCF8591芯片的主要功能特征

PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗及8位CMOS工艺制造的AD-DA器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0、A1和A2可用于硬件地址编程。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

（2）PCF8591芯片的引脚功能

图10 PCF8591的引脚图

图10所示为PCF8591的引脚图。 1．AIN0～AIN3：模拟信号输入端； 2．A0～A2：引脚地址端； 3．VDD、VSS：电源端（2.5-6V）；

4．SDA、SCL：I2C总线的数据线、时钟线； 5．OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端；

6．EXT：内部、外部时钟选择线，采用内部时钟时EXT接地； 7．AGND：模拟信号地； 8．AOUT：数模转换输出端； 9．VREF：基准电源端。 3.3.3 LCD1602液晶显示器介绍

（1）LCD1602液晶显示器的基本特征

LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示16×02共32个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，目前市面

上的1602液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，其控制原理是完全相同，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于大部分1602字符型液晶。

（2）LCD1602液晶显示器的引脚功能 LCD1602液晶显示器的引脚功能如表3所示。

表3 1602液晶的引脚功能

引脚

1 2 3 4 5 6 7 8

符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1

功能 电源地 电源正极 液晶显示偏压信号 数据/命令选择端（H/L）

读/写选择（H/L）

使能信号 数据I/O口 数据I/O口

引脚

9 10 11 12 13 14 15 16

符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK

功能 数据I/O口 数据I/O口 数据I/O口 数据I/O口 数据I/O口 数据I/O口 液晶背光源正极 液晶背光源负极

3.4 硬件电路设计 3.4.1 电源部分

图11 电源部分原理图

如图11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。

3.4.2 电压衰减电路

图12 电压衰减电路原理图

如图12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。 3.4.3 电流衰减电路

图13 电流衰减电路原理图

如图13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。

3.4.4 电阻-电压变换电路

图14 电阻-电压变换电路原理图

图14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。 3.4.5 模数转换部分

图15 模数转换部分原理图

图15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，

3.4.6 报警提示部分

3.4.7 单片机最小系统

图16 报警提示部分原理图

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。

声报警。其实质是通过编程使单片机的引脚输出低电平，使Q1导通，蜂鸣器发声。

图17 单片机最小系统

上电复位电路用于单片机复位，配合频率为11.0592MHz的外部震荡电路，作为外部时

如图17所示，本次设计采用STC公司的89C52型单片机作为控制芯片，并采用RC

钟信号，提供单片机片内各种操作的时间基准。P1.0-P1.3作为按键的输入线，P1.4及P1.5

图16所示为蜂鸣器驱动电路。当出现测量值超出预定量程时，蜂鸣器会发出“嘀”

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z66i.html