1、论文终稿摘 要 随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已经成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。目前国内外的高精度数字式仪表，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。 本次设计主要是围绕单片机芯片AT89c51 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
2、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AT89S51 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。本文是基于了4 3/4位智能数字万用表的系统设计与研究。设计中采用了美国MAXIM公司生产的专配万用表芯片MAX134，以及Intel 公司生产的MCS8051单片机。整个系统结构由MAX134外加一些外围元件构成，然后再与单片机8051相连，驱动LE
3、D数码显示。文章主要介绍了MAX134的性能特点、内部结构、数字接口、输入输出数据及一些功能和原理。整个设计包括硬件电路设计及软件设计。硬件电路设计包括处理器、外部设备元件的选择及电路设计，而软件设计则主要是实现仪表的各功能的控制。关键词 数字万用表 AT89S51 单片机 AD转换与控制AbstractThis design is design a digital universal meter with chip AT89s51 of one-chip computer, can measure and hand in , direct current pressing value , d
4、irect current flow , the direct current is hindered, four numbers show. This system is shunted resistance, resistance of partial pressure, basic resistance, minimum system of 51 one-chip computers, shown that some , warning part , AD change and control making up partly. In order to make the system m
5、ore steady, make the whole precision of the system be ensured, this circuit has used AD0809 data to change the chip, the one-chip computer system is designed to adopt AT89S51 one-chip computer as the top management chip, the electricity is restored to the throne the circuit and 11.0592MHZ and shaken
6、 the circuit to match on RC, show that the chip uses TEC6122, urge 8 numbers to be in charge of showing. The every execution cycle consuming time of procedure contracts to get shortest, in this way the real-time character of the security system.In order to make the system more steady, make the whole
7、 precision of the system be ensured, this circuit has used AD0809 data to change the chip, the one-chip computer system is designed to adopt AT89S51 one-chip computer as the top management chip, the electricity is restored to the throne the circuit and 11.0592MHZ and shaken the circuit to match on R
8、C, show that the chip uses TEC6122, urge 8 numbers to be in charge of showing.Keyword: Digital universal meter AT89S51 one-chip computer AD changes and controls 1 绪论随着微电子技术的高速发展，单片机的功能集成化，智能仪器也发展到了一个新的阶段。现在，单片机外围电路正朝着单片集成化、数字化、智能化、网络化、多功能、微功耗、高可靠性的方向发展。单片机与单片系统、智能传感器、网络通信等高新技术的融合，必将成为21世纪新的经济增长点。计算机
9、技术及微电子器件在测量技术中的广泛应用，使智能仪器在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面有了巨大的发展。数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。11 数字万用表设
10、计背景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。现在的数字万用表较以前的指针万用表在结果的读取上面有了较大的提高，不仅方便快捷，而且更为准确。数字万用表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
11、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。1.2 数字万用表的研究现状万用表又叫多用表，由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成，分为指针式万用表和数字万用表，现在还多了一种带示波器功能的示波万用表。万用表是电子测试领域最基本的工具，也是一种使用广泛的测试仪器。是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数。数字式万用表已成为主流，已经取代模拟式仪表。与模拟式仪表相比，数字式仪表灵敏度高，精确度高，显示清晰，过载能力强，便于
12、携带，使用更简单。 随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已经成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。目前国内外的高精度数字式仪表，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。现在3 3/4位便携式数字万用表和4 1/2位便携式数字万用表已经成为主流，由于我国发展起步较晚，对智能仪器的研究，无论在生产、科研等方面虽然取得了很大的进展，但是我们现在所用的测量工具基本上都
13、是3 1/2位的数字表，它的准确度不是很高，我们这次设计的4 3/4位数字万用表在精确度上提高了一个档次，性能更优越。1.3 本设计研究内容根据数字万用表的原理，结合设计要求，本设计主要是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测量，其量程范围是200、2k ,20k,200
14、k 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。2 数字万用表总体设计方案2.1数字万用表方案分析 数字万用表的最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。数字显示屏（LED或液晶）图2.1 数字万用表的基本组成在本次设计中，单片机的选择有两种方案。 方案一 此方案采用凌阳公司的 16 位单片机 SPCE061A 作为主控制器，它 具有体积小、驱动能力高、集成度
15、高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、 中断处理能力强、处理速度高等特点，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是 其软件设计相对复杂，故我们放弃此方案。 方案二 此方案采用 STC 公司的 8 位单片机 STC89C51 作为主控制器，具 有与 MCS-51 指令集完全兼容的 CIP-51 内核，但其同样时钟下运行速度和抗干扰能力高，而且开发环境是我们很熟悉的 Keil C51 , 编译效率高，因此我们采用该方案。2.2 数字万用表的硬件系统设计如下图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
16、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。图2.2. 总体电路设计原理图3 数字万用表硬件电路设计方案3.1 芯片选择及功能简介3.1.1 AT89c51 芯片功能特性描述AT89c51 引脚框图： 图3.1 AT89c51芯片引脚图1 主要特性： 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 全静态工作：0Hz-24KHz
17、三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路2 管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P
18、1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口
19、在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（
20、外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如
21、果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3 振荡器特性： XTAL1
22、和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工
23、作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.2 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3.2 ADC0809芯片引脚图下图可知，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
24、。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。图3-3 ADC0809的内部逻辑结构 2 引脚结构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
25、选通IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表3-1地址输入线的通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表3-1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，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为数字量输
26、出线。CLK 为时钟输入信号线。因ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（ ），VREF（）为参考电压输入。ADC0809 应用说明：（1） ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。（2） 初始化时，使ST 和OE 信号全为低电平。（3） 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4） 在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。（5） 是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。（6） 当EOC 变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.1.3 TEC6122
27、 简述1 概述TEC6122 共阴极8X8 段LED 数码管（8X8 点阵）显示驱动电路是全定制专用集成电路。该电路由开机自清电路、振荡电路、位扫描驱动电路、8X8 bit 移位寄存器电路、8X8 bit 数据锁存器电路、段多路选择器驱动电路组成。它可与各种型号的微处理器串行口或并行口interface,专供驱动8 位X8 段共阴极LED 数码管（8X8LED 点阵）。字型A B C D E F G DP16 进制代码（无小数点）16 进制代码（有小数点）011111100FCHFDH10110000060H61H211011010DAHDBH311110010F2HF3H4011001106
28、6H67H510110110B6HB7H610111110BEHBFH711100000E0HE1H811111110FEHFFH911110110F6HF7HA11101110EEHEFHB001111103EH3FHC100111009CH9CHD011110107AH7BHE100111109EH9FHF100011108EH8FHP11001110CEHCFHH011011106EH6FH不显示0000000000H01H表3.2字符段码表2 特点工作电压：+4V+6V位扫描驱动电流80mA（VDD=+5V）段扫描驱动电流10mA（VDD=+5V）可驱动高彩色LED 管可通过N 个TE
29、C6122 级联实行NX8 位LED 显示管脚间距2.54mm ,标准24pin 窄塑封双列直插封装。3 位扫描共阴极LED 显示原理位扫描共阴极LED 显示原理图及位扫描波形如附图。位扫描信号接S1，S2，S8 顺序依次出现，循环反复。S1 显示第一位（个位），S2 显示第二位（十位），依次地S8 显示第八位（千万位）。要显示的段码A，B，DP 是由S1S8 依次分别选通送出，S1 送A1，B1，DP1，显个位，其它位不显示。同样地S8 送出A8，B8，DP8，显千万位，其它位不显示，这就是位扫描共阴极LED 显示原理。4 逻辑简要说明加电自清电路：片内加电自清电路使8X8bit 段移位寄存
30、器, 8X8Bit 段数据锁存器，振荡时钟分频电路清“0”，清“0”期间LED 不显示，开机自清后LED 显示“0”。振荡电路，位扫描驱动电路：振荡电路是RC 振荡器,R 在电路内部，只需外加电容470PF 到GND(地)就构成RC 振荡器，振荡脉冲经分频组合成S1S8 位扫描驱动信号。S1 驱动第一位(个位）, , S8 驱动第八位（千万位）。S1S8 是开路输出，LED 是这它的负载。S1S8 输出受OEN 控制，OEN=1，允许输出，OEN=0，S1S8 输出为高阻状态（三 图3.3 TEC6122 逻辑图8X8bit 串行移位寄存器：8X8bit 串行移位寄存器SI 为数据输入，SO
31、为数据输出，SCP 为移位脉冲。送入串行移位寄存器中的数是A，B，DP 段数据，不是BCD 码数据。每次送入8bit 段码数据A、B、C、D、E、F、G、DP, DP 是最低位，最先送入。A 是位，最后送入。移入串行移位寄存器中的段码数据最先进入的是第一位（十进制个位），最后进入的是第八位（十进制千万位），上述这种约定，是用户编程时必须遵循的。段数据锁存器，多路选择器，段驱动器：移入8X8 bit 串行移位寄存器中的段码数据在LCP 打入锁存器脉冲作用下，锁存到8X8 bit 段数据锁存器。数据锁存器中的段码经多路选择器，S1 时送第一位（个位）A1,B1,DP1，段码显示;依次地,S8 送第8 位（千万位）A8，B8，DP8，段
