毕业设计(论文)-基于AT89S51单片机的智能数字万用表设计.doc
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1、湖北经济学院本科毕业(设计)论文 1 存档编号: 毕业论文(设计)毕业论文(设计) 智能数字万用表设计智能数字万用表设计 专 业: 电子信息工程 院 系: 电子工程系 年 级: 电信 Q0542 学 号: 姓 名: 指导教师: 湖北经济学院教务处 制 届普通本科毕业论文(设计) 湖北经济学院本科毕业(设计)论文 2 目 录 摘要摘要 3 ABSTRACTABSTRACT.3 文献综述文献综述.3 第第 1 1 章章 前前 言言6 1.1 数字万用表简介6 1.2 单片机发展与应用7 第第 2 2 章章 智能型数字式多用表设计原理智能型数字式多用表设计原理7 2.1 系统设计方框图8 2.2 系
2、统设计方案8 第第 3 3 章章 智能型数字式多用表硬件设计智能型数字式多用表硬件设计8 3.1 A/D 转换电路.8 3.2 直流电压测量电路10 3.3 交流/直流转换电路12 3.4 电流/电压转换电路13 3.5 电阻/电压转换电路14 3.6 单片机控制与显示电路14 3.7 自动量程转换模块.15 第第 4 4 章章 智能型数字式多用表软件设计智能型数字式多用表软件设计16 4.1 程序流程图16 4.2 程序源代码17 第第 5 5 章智能型数字式多用表系统测试章智能型数字式多用表系统测试17 5.1 直流电压测试17 5.2 交流电压测试17 5.3 直流电流测试18 5.4
3、电阻测试19 结束语结束语.19 致谢词致谢词.23 参考文献参考文献.23 附附 录录.25 附录 A:整机硬件电路图.25 附录 B:程序源代码.26 湖北经济学院本科毕业(设计)论文 3 摘要摘要 本文介绍一种基于 AT89S51 单片机的智能型数字式多用表,该系统采用 MC144333 1/2 位 A/D 转换器和 LED 数码显示,可以测量直流电压、交流电压、 直流电流和电阻,并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:关键词:A/D 转换器,单片机,转换电路,模拟开关 AbstractAbstract This paper presents a AT89S51 MC
4、U-based intelligent digital multimeter, the system uses the MC14433 - 3 1/2 bit A/D converter and LED digital display, can measure DC voltage, AC voltage, DC current and resistance, and has a keyboard to choose measurement object, measurement range and automatic range conversion functions. KeyKey Wo
5、rdsWords: A/D converter,SCM,converting circuit,analog switch 文献综述文献综述 我选择的课题是智能数字万用表,为了实现这个系统的功能,我查阅了大量的文 献资料。这些资料主要分为三类:一类是芯片说明书,一类是数字万用表的设计分 析,一类是数字万用表的扩展功能。 1 1数字万用表(数字万用表(DMMDMM)背景简介)背景简介 湖北经济学院本科毕业(设计)论文 4 自从 1977 年世界上首台手持式数字万用表问世以来,研究者在万用表的功能和 设计上不断创新,新品迭出。 数字万用表是电测技术中的一种常用仪表,它把电子 技术、计算技术、自动化技
6、术的成果和电测技术结合在一起,以其操作方便、读数 准确、体积小巧、携带方便等优点成为现代测量中不可缺少的仪器,它可以测量直 流电流、交流电流、直流电压、交流电压、电阻、电容、二极管的正向压降等,正 在许多领域取代模拟式(即指针式)万用表。具有使用方便、灵敏度高、测量速度快、 量程宽、过载能力强、输人阻抗高、指示值具有客观性(不存在视觉误差)、扩展能 力强等优点。 2.2.数字万用表设计分析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。在设计各个 模块时,文献中有很多不同的方法,我仔细
7、研究了资料中述说的方法,并自己加以 改进,设计出可行方案,通过在实践中检验,在老师的指导下加以改进以达到设计 任务书中的要求。 在设计直流电压测量电路时,我利用华成英、童诗白 主编, 模拟电子技术基 础 (第四版)M.高等教育出版社,2006 年第 325 页所介绍的反相比例运算电路, 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。在老师的指导下,我将该电路做了适当的修改, 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,从而达到了任务书的 要求。 在设计 A/D 转换器时,余孟尝 主编, 数字电子技术基础简明教程 (第二版)
8、北京:高等教育出版社 1999(2006 重印)第 400 页至第 410 页讲述了三种 A/D 转 换器,但该书只是以基本逻辑电路讲述了 A/D 转换器的基本工作原理,及其转换过 程,并未介绍如何利用具体的芯片设计 A/D 转换器。为此,我又查阅了黄海萍、陈 用昌 编 微机原理与接口技术实验指导M.北京:国防工业出版社,2004 年, 杨立、邓振杰、荆淑霞 微型计算机原理与接口技术M.中国铁道出版社,2006 年及 http:/ A/D 转换器的 湖北经济学院本科毕业(设计)论文 5 性能指标和价格选择了 ICL7106 和 MC14433 这两个 A/D 转换器作为候选芯片。比较 这两个芯
9、片,ICL7106 是 CMOS 大规模集成电路芯片,它将模拟电路与数字电路集成 在一个有 40 个功能端的电路内,所以只需外接少量元件就可组成一个 3 1/2 位数字 电压表。但是 ICL7106 是以静态方式驱动 LCD 转换器,无 BCD 码输出端,因此不能 直接获得降量程信号。而 MC14433 采用动态扫描显示,有多路调制的 BCD 码输出端 和超量程信号输出端,便于与单片机相连构成智能控制系统。我最终确定采用 MC14433 设计 A/D 转换器,并成功的在实践中完成了任务书的要求。 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,
10、一般只能测量几十赫兹到几千赫兹的低频电压。但 设计任务书在频率特性方面要求并不高,为简单起见,在我的系统中,并未采取特 别的提高频率特性的措施。但在查阅万用表频率特性改善方法王翠珍 唐金元, 海军航空工程学院青岛分院 山东青岛 一文中,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
11、可以提高万用表工作频率的上限,大大改善 其频率特性。虽然在我的设计中,没有用到这一方法,但这个发现无疑仍是具有很 高实用价值的。 3万用表的功能扩展:万用表的功能扩展: 随着科技的发展,更多的创新将应用在万用表上,在查阅这些资料时,我大开 眼界。 数字万用表增加测温功能辽宁 薛福连 介绍了一种将一只温度传感器 LM35D,与一块 976130 型数宇万用表连接的方法,使数字万用表即成为一台精密 的数显式温度测量仪,测量温度范围为 0-100 摄氏度,温度误差与标准温度计相比不 大于士 0.5 摄氏度。 宁夏电力2008 年第 1 期数字万用表的扩展应 , 政.马 龙 (宁夏银南供 湖北经济学院
12、本科毕业(设计)论文 6 电局,吴忠市 751100) 介绍了利用数字万用表进行二次交流电压相序的测量和音频 通道电压电平的测量。 语音数字万用表的单片机实现 吴 宁 (安徽机械工业学校, 安徽 淮南 232052)介绍了利用数字万用表里的单片机,设计自动语音播放单元,提高仪表的智 能化的简单方法。 为数字万用表增加磁悬挂功能湖南 易永丰介绍的增加磁悬挂功能也颇为新 奇易用。 4小结小结 由于条件有限,我的毕业设计里并未将数字智能万用表做的很复杂,在认真研 究整理手头的文献,并在实验室进行实践操作后,我设计出了一个满足设计任务书 要求的数字智能万用表。该系统采用 MC144333 1/2 位
13、A/D 转换器和 LED 数码显 示,以 A/D 转换器(MC14433)为核心,设计一个多档的直流电压测量电路,再在此基 础上对电路进行扩展,使其能多量程的测量交流电压、直流电流和电阻的测量电路。 然后通过单片机(AT89S51)编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理,实现 对直流电压、交流电压、直流电流和电阻测量对象切换;具有键盘选择测量对象、 量程和自动量程转换功能手动和自动量程转换等功能,并将测量数据转换为人们日常 习惯的十进制数字形式显示在 LED 显示器上。 第第 1 1 章章 前前 言言 1.11.1 数字万用表简介数字万用表简介 数字万用表(DMM)亦称数字多用表,是目前在
14、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 湖北经济学院本科毕业(设计)论文 7 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
15、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。 1.21.2 单片机发展与应用单片机发展与应用 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031,因为简单可 靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列 单片机系统。 基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高, 开始出现了 16 位单片机,
16、但因为性价比不理想并未得到很广泛的 应用。90 年代后 随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大的提高。随着 INTEL i960 系列特 别是后来的 ARM 系列的广泛应用,32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位, 并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起 80 年代提高了数百倍。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统, 因此它得到了最多的应用。现 代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、 计算器、 家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有单片机。事 实上单片机是世界上数量最多的计算机。单片机
17、是嵌入式系统的独立发展之路,向 MCU 阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用 单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展, 基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。 湖北经济学院本科毕业(设计)论文 8 第第 2 2 章章 智能型数字式多用表设计原理智能型数字式多用表设计原理 2.12.1 系统设计方框图系统设计方框图 系统测量时,单片机与控制电路控制输入电路进行功能转换,将输入信号转换 为符合 A/D 转换器的输入信号,然后 A/D 转换器将其输出数据传送到单片机,单片 机对数据进行智能处理,最后显示在 L
18、ED 显示器上。 图 2.1 系统设计方框图 2.22.2 系统设计方案系统设计方案 首先以 A/D 转换器(MC14433)为核心,设计一个多档的直流电压测量电路,再在 此基础上对电路进行扩展,使其能多量程的测量交流电压、直流电流和电阻的测量电 路。然后通过单片机(AT89S51)编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理, 实现对直流电压、交流电压、直流电流和电阻测量对象切换;手动和自动量程转换 等功能,并将测量数据转换为人们日常习惯的十进制数字形式显示在 LED 显示器上。 所以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
19、示电路这五个的主要电路模块。 第第 3 3 章章 智能型数字式多用表硬件设计智能型数字式多用表硬件设计 3.13.1 A/DA/D 转换电路转换电路 A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要,它的参数关系到测量电路性能。 所以我依据设计性能指标要求,并综合 A/D 转换器的性能指标和价格选择了 ICL7106 和 MC14433 这两个 A/D 转换器作为候选芯片。ICL7106 的输入阻抗为 1010,转换速率为 0.1-15 次/s,转换准确度为0.05%1 个字;MC14433 的输入 湖北经济学院本科毕业(设计)论文 9 阻抗为 109,转换速率为 3-10 次/s,转换准确度为0.
20、05%1 个字,因此这两块 芯片的性能指标大大超过设计要求的性能指标。 方案一方案一:采用 ICL7106。ICL7106 是 CMOS 大规模集成电路芯片,它将模拟电路 与数字电路集成在一个有 40 个功能端的电路内,所以只需外接少量元件就可组成一 个 3 1/2 位数字电压表。但是 ICL7106 是以静态方式驱动 LCD 转换器,无 BCD 码输 出端,因此不能直接获得降量程信号。 方案二方案二:采用 MC14433。MC14433 是一个低功耗 3 1/2 位双积分式 A/D 转换器, 与 ICL7106 相比,MC14433 采用动态扫描显示,有多路调制的 BCD 码输出端和超量 程
21、信号输出端,便于与单片机相连构成智能控制系统。 鉴于此,采用方案二。 MC14433 是美国摩托罗拉(Motorola)公司生产的 COMS 单片 3 1/2 位 A/D 转换 器,也是目前国内外数字式多用表中普遍采用的一种芯片。 MC14433 的主要特点: (1) 工作电压为4.5-8V。一般选典型值5V,工作电流小于 2mA,功耗 为 8mW。 (2) 输入阻抗为 109,转换速率为 3-10 次/s,转换准确度为0.05%1 个 字。 (3) 采用 CMOS 工艺制成的大规模集成电路(LSI)。 (4) 芯片内部设有时钟振荡器,使用时仅需外接一只振荡电阻。亦可采用外 部时钟输入方式,时
22、钟频率范围大约为 48kHz-160kHz。 (5) 有多路调制的 BCD 码输出,可直接配微型计算机或打印机。 (6) 具有超量程、欠量程指示信号,便于实现自动量程转换。 (7) 能增加读数保持功能。 (8) 采用动态扫描显示方式。 如图 3.1 所示,MC1403 提供输出可调基准电压 Vref(大小为 2V) ,被测信号(0- 2V 的直流电压)从 MC14433 的 Vin引脚输入 A/D 转换器 MC14433,每次当 A/D 转换 湖北经济学院本科毕业(设计)论文 10 结束时,MC14433 的 EOC 引脚会输出一个高电平脉冲送给单片机,然后单片机会对 MC14433 的 DS
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