数字万用表的设计

数字万用表的设计

单片机数字万用表的设计

一、引言

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。

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。

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。

二、系统硬件分析与设计

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1所示，其中，模数转换是数字万用表的核心：

图1. 数字万用表的基本原理图如图2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。

图2. 硬件系统总体设计框图

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

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：

a．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。

b．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。

c．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。

d．内部功能较强：

单片机有着各种的内部资源，功能强大。

e．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：

a．兼容标准的MCS-51的指令系统；

b．内置8k字节可擦写的闪存ROM（Read-Only Memory）；

c．4组共32个双向I/O口；

d．256×8位大小的内部RAM；

e．3个16位可编程定时/计数器中断；

f．支持3.5-12/24/33MHz多种时钟频率；

g．1个全双工可编程的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitte）串行口；

h．6个中断源，4级优先级中断结构；

i．2个W/R（Write/Read）读写中断口，3级加密位；

j．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；

k．有PDIP及PLCC两种封装形式。

（2）89C52单片机的引脚功能

图3. 89C52单片机微架构图

图4. 89C52单片机引脚图

下面介绍89C52单片机引脚主要功能：

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

引脚号功能特性

P1.0 T2（定时/计数器2的外部计数输入），时钟输出

P1.1 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。

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

引脚号功能特性

P3.0 RXD（串行输入）

P3.1 TXD（串行输出）

P3.2 INT0（外部中断0）

P3.3 INT1（外部中断1）

P3.4 T0（定时器0外部输入）