毕业设计(论文)-基于AT89S52单片机的数字万用表设计.doc
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1、毕 业 论 文 正 文 第37页摘 要本次设计用单片机芯片AT89s52设计一个数字万用表,能够测量交、直流电压值、直流电流、直流电阻以及电容,四位数码显示。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD转换和控制部分组成。为使系统更加稳定,使系统整体精度得以保障,本电路使用了AD0809数据转换芯片,单片机系统设计采用AT89S52单片机作为主控芯片,配以RC上电复位电路和11.0592MHZ震荡电路,显示芯片用TEC6122,驱动8位数码管显示。程序每执行周期耗时缩到最短,这样保证了系统的实时性。关键词:数字万用表;AT89S52单片机
2、;AD转换与控制哈尔滨职业技术学院印制目 录绪 论1一、数字万用表设计背景3(一)数字万用表的设计目的和意义3(二)数字万用表的设计依据3二、数字万用表总体设计方案4(一)数字万用表的基本原理4(二)数字万用表的硬件系统设计总体框架图4(三)硬件电路设计方案及选用芯片介绍5(四)数字万用表的硬件设计19三、系统软件与流程图27(一)电路功能模块27(二)系统总流程图27(三)物理量采集处理流程29(四)电压测量过程流程图30(五)电流的测量过程流程图31(六)电阻的测量过程流程图32(七)电容测量过程流程图33结 论34参考文献35致 谢36宋体小四,1.5倍行间距绪 论注意:绪论不排序号,数
3、字万用表亦称数字多用表,简称DMM(Digtial Multimeter)。它是采用数字化测量技术,把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式万用表功能单精度低,不能满足数字化时代的需求,采用单片的数字万用表,精度高、抗干扰能力强,可扩展尾强、集成方便,目前,由各种单片机芯片构成的数字电万用表,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,显示出强大的生命力。数字万用表具有以下几点特点:1显示清晰直观,计数准确为了提高观察的清晰度,新型的手持式数字用用表(HDMM)已普遍采用字高为26mm的大屏幕LCD(液晶显示器)。有些数字万用表还
4、增加了背光源,以便于夜间观察读数。2显示位数数字万用表的显示位数通常为3位半到8位半。3准确度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度,也反映了测量误差的大小,准确度愈高,测量误差愈小。数字万用表的准确度远优于指针万用表。4分辨力高数字万用表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值,称作仪表的分辨力,宏观世界反映了仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。5测试功能强数字万用表不公可以测量直流电压(DCV)、交流电压(ACV)、直流电流(DCA)、交流电流(ACA)、电阻()、二极管正向压降(Uf)、等等。新型数字万用表大多增加了下述测试功能:读数保持
5、(HOLD)、逻辑(LOGIC)测试等等。6测量范围宽数字万用表可满足常规电子测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。7测量速率快数字万用表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率,单位是“次/秒”。它主要取决于A/D转换器的转换速率。一般数字万用表的测量速率为25次/秒。有的能达到20次/秒以上,另有的一些比这个还要高得多。数字万用表可满足不同用户对测量速率的需要。8输入阻抗高数字万用表电压挡具有很高的输入阻抗,通常为1010000M,从被测电路上吸取的电流小,不会影响被测信号源的工作状态,能减小由信号源内阻引起的测量误差。9集成度高,微功耗新型数字万用表普遍采用CMOS大规模集成电路的A
6、/D转换器,整机功耗很低,3位半,4位半手持式数字万用表的整机功耗仅几十毫瓦,可用9V叠层电池供电。10保护功能完善,抗干扰能力强数字万用表具有比较完善的保护电路,过载能力强,新型数字万用表还增加了高压保护器件,能防止浪涌电压。本设计就是基于这个基础设计一个基于单片机的数字万用表。该设备具有直观简单的优点。并且能深入的说明万用表的测量原理。能直观的了解万用表各个部分的结构和测试原则。注意:缩进2个汉字符以下同一、数字万用表设计背景在本章中主要介绍了系统的设计原则和总体方案及系统概述等。(一)数字万用表的设计目的和意义数字万用表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量,已被广
7、泛应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。随着时代科技的进步,数字万用表的功能越来越强大,把电量及非电量的测量技术提高到崭新水平。(二)数字万用表的设计依据根据数字万用表的原理,结合以下的设计要求:“设计一个数字万用表,能够测量交、直流电压值,直流电流、直流电阻,四位数码显示。实现多级量程的直流电压测量,其量程范围是200mv、2v、20v、200v和500v。实现多级量程的交流电压测量,其量程范围是200mv、2v 、20v、200v和500v。实现多级量程的直流电流测量,其量程范围是2mA、20mA、200mA、2A和20A。实现多级量程的电阻
8、测量,其量程范围是2k 、20k、200k和2M。”以及电容测量电路。由此设想出以下的解决方法,即数字万用表的系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD转换和控制部分组成。为使系统更加稳定,使系统整体精度得以保障。二、数字万用表总体设计方案(一)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交直流电压,交直流电流,还有能够测量电阻,数字万用表的基本组成见图2.1。图2.1数字万用表的基本组成图序,图题在图下面居中,五号宋体(二)数字万用表的硬件系统设计总体框架图如下图2.2所示,本万用表由以下几部分功能组成,复位电路、震荡电路、ADC
9、输入、被测量显示、超限报警、ADC使能控制。复位电路用来清零,进行下一次的测量;震荡电路用来消除一些外来干扰,使电路工作更加稳定ADC输入则是将输入量进行AD转换;测量显示就是显示测量的数值;超限报警部分则是用作当测量量超出量程范围时发出警报,以便提醒用户更改大量程;ADC使能控制则用来对输入量进行控制,允许输入或者不允许。复位电路震荡电路ADC输入被测量显示超限报警ADC使能控制89s52图2.2 总体电路设计原理图(三)硬件电路设计方案及选用芯片介绍1设计方案用单片机AT89S52与ADC0809设计一个数字万用表,配合分流电阻、分压电阻、基准电阻可以测量交、直流电压值,直流电流、直流电阻
10、,四位数码显示。实现四级量程的直流电压测量,其量程范围是2v 、20v、200v和500v。实现四级量程的交流电压测量,其量程范围是2v 、20v、200v和500v。实现四级量程的直流电流测量,其量程范围是2mA、20mA、200mA和2A。实现四级量程的电阻测量,其量程范围是2k 、20k、200k和2M,并且有超出量程的情况发生时,蜂鸣器发声报警。2芯片选择及功能简介(1)AT89S52芯片功能特性描述AT89S52引脚框图:图2.3 AT89S52芯片引脚图AT89S52 主要性能:1)与MCS-51 单片机产品兼容2)8K 字节在系统可编程Flash 存储器3)1000 次擦写周期4
11、)全静态操作:0Hz33Hz 5)三级加密程序存储器6)32 个可编程I/O 口线7)三个16 位定时器/计数器8)八个中断源9)全双工UART 串行通道10)低功耗空闲和掉电模式11)掉电后中断可唤醒12)看门狗定时器13)双数据指针14)掉电标识符方框图:图2.4 AT89S52内部框图功能特性描述:AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可
12、编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。VCC:电源GND:地P0口:P0口是一个8位漏极
13、开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。P1口:P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口,p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。此外,P1.0和P1.2分别作定时器
14、/计数器2的外部计数输(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。表2.1 P1口的第二功能表序,表题在表上面居中,宋体五号P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR)时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2 口使用很强的
15、内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口,p2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。表2.2 P3口的第二功能RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2
16、个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下,ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。这一位置“1”,ALE 仅在
17、执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则,ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时
18、钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。Flash编程并行模式:AT89S52带有用作编程的片上Flash 存储器阵列。编程接口需要一个高电压(12V)编程使能信号,并且兼容常规的第三方Flash 或EPROM 编程器。AT89S52 程序存储阵列采用字节式编程。(2)ADC0809介绍ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口。1)ADC0809的内部逻辑结构 图2.5ADC0809的内部逻辑结构上图可知,ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器
19、和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。2)引脚结构 图2.6 ADC0809引脚结构图IN0IN7:8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求:信号单极性,电压范围是05V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线:4条 ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号
20、进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A,B和C为地址输入线,用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表2.3 地址输入线的通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线:11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行A/D转换;在转换期间,ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1,输出转换
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