基于51单片机的数字万用表设计

基于51单片机的数字万用表设计

摘要

本文介绍一种以AT89S52单片机为核心的智能型数字式多用表,该系统采用AD0808为采样元件，对待测交直流电压信号进行实时采样，数据处理，输出显示，并可以直流电流和电阻，且具有键盘选择测量对象、量程和自动量程转换功能。

关键词：A/D转换器，单片机，模拟开关，自动量程转换

第一章前言

功能：实现交直流测量，量程自动转换，过电压自动报警。

仿真及编译软件：Proteus，Keil ，Wave

主要元件：AT89C52，CD4511，AD0808，7段数码管（8个），蜂鸣器

预定性能指标：

直流电压：范围-40—+50V，精度20mv，实时无间断测量，4%。

交流信号：测量范围-5—+5V，频率范围：300Hz到100Khz误差5%。

初步方案及进展：

小组成员及任务分配：

组长：陈文豹硬件电路设计参数确定与调试

组员：庞明软件程序设计

邓玉龙资料查询并辅助电路设计

数字万用表设计分析

本设计可以分为直流电压测量电路；交流/直流转换电路；电流/电压转换电路；电阻/电压转换电路；功能控制和数据显示电路这五个的主要电路模块。

在设计直流电压测量电路时，利用反相比例运算电路，加上自己设计的四选一模拟开关，组成了一个直流电压测量电路。但该电路在实践中存在问题，不能实现预期的结果。做了适当的修改，改为由电阻、模拟开关和运放组成放大倍数可调的比例电路。

由于无论是指针式万用表还是普通的真有效值或平均值响应的数字万用表，其交流电压档的频率特性都较差，一般只能测量几十赫兹到几千赫兹的低频电压。我发现对于

指针式万用表造成频率特性较差的原因主要是万用表的分压电阻采用精密电阻器，其本身的分布电容较大，在对高频电压信号进行测量时，由于分布电容的容抗大为减少使得测量值明显低于实际电压值，而对于数字万用表除上述原因以外，另一主要原因是受平均值响应，转换器本身频率特性的限制。但此缺陷可通过采用宽频带运算放大器加以改善。因此，消除分压电阻器分布电容的影响就可以提高万用表工作频率的上限，大大改善其频率特性。

数字万用表简介

数字万用表（DMM）亦称数字多用表，是目前在电子检测及维修工作中最常用、最得力的一种工具类数字仪表。它采用的数字化测量技术，通过对连续的模拟量（直流输入电压）的采样将其转换成不连续、离散的数字量，并以十进制数字形式显示出来。由于内部采用了运放电路,内阻可以做得很大,往往在1M欧或更大(即可以得到更高的灵敏度)。这使得对被测电路的影响可以更小，测量精度较高。

传统的指针式万用表功能单一、精度低，已经不能满足数字化时代的需求，而采用单片A/D转换器构成的数字万用表，具有读数方便、精度高，测试功能强、集成度高、微功耗、抗干扰能力强等特点，另外带有单片机的智能型数字万用表更是具有自动校准，自动测量，自动数据处理和实时通讯等多种功能。

目前，数字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，示出强大的生命力。与此同时，由DMM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。

第二章电路设计

§系统整体方案选择

系统整体框图如下：

系统框图

下图为系统整体硬件电路：

总原理图

§ AD转换电路

本设计采用直通方式如下图：

AD0808连接图

其中v0，v1，v2，v3分别作为待测信号，通过ABC选通并输入AD。

§信号及其处理

直流电压测量电路：

由于待测电压范围太大，高的可到500v，而AD只能参考输入为+-5V，所以对于未知信号，可以先衰减再测量。

信号分压与放大电路

由于输入信号幅值未知，所以考虑安全因素，尽可能的将待测信号Vx经电阻分压后输入放大器进行范围判断。因此，应尽可能大的使用大功率的分压电阻。V1是VI经U3放大十倍后的信号，v2是VI经U5放大后的信号。V0即为VI。VI是待测信号衰减一百倍的信号，将VI输入给电压比较电路，进行范围判断。

电压比较阵列电路

衰减后的信号经过以上比较器，可以大致划分为：0—5V，5—50V和50V以上等三个范围，即可以组成1档，10档，100档三个档位，将比较器的结果输入到单片机中，进行判断处理，当比较器C输出为逻辑0时，可以确定待测范围为0—5V，将v2送入AD测量。当比较器C输出为1，比较器B输出为0时，可以确定待测信号范围为5—50V，将v1送入AD测量。当比较器C和B输出为1时，可以确定待测信号范围为50v以上，将v0送入AD测量。在处理数据时候，分别对转换结果乘以1,10和100，即可还原真实值。

大电压衰减测量：

经单片机判断后，需对AD0808 的ABC引脚进行操作，选择通道输入。

对于0—5V信号，选择v2作为输入

对于5—50V电路，选择v1作为输入

对于50V以上的信号，选择v0作为输入

对于50V以上信号可将输入比较器阵列的VI信号作为输入进行测量。

交流电压测量电路：

交流/直流转换电路

方案一：半波整流电路。利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，且能满足设计要求。

方案二：采用真有效值转换芯片,性能参数方面也都能满足设计要求,并且还能测量非正弦波，但一般真有效值转换芯片价格比较贵。

鉴于此，故采用方案一。

如图所示所示,这个电路是利用低漂移单运算放大器741与二极管D1N4148组成平均值精密半波整流电路。该电路可避免二极管在小信号整理时所引起的非线性误差，使交流/直流转换电路的输入电压与输出电压成线性关系，适合测量40-400Hz的正弦电压，测量准确度优于±1%。