数字万用表的设计毕业设计.doc

目 录第一部分 设计任务与调研1第二部分 设计说明3第三部分 设计成果.9第四部分 结束语15第五部分 致谢16第六部分 参考文献.17第一部分 设计任务与调研1、毕业设计的主要任务 数字多用表（DMM）就是在电气测量中要用到的电子仪器。它可以有很多特殊功能，但主要功能就是对电压、电阻和电流进行测量，数字多用表，作为现代化的多用途电子测量仪器，主要用于物理、电气、电子等测量领域。 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。 数字万用表的简介 万用表是电力电子等部门不可缺少的测量仪表，一般以测量电压、电流和电阻为主要目的。万用表按显示方式分为指针万用表和数字万用表。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、交流电流、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（如）等。所以需要设计一款具有更高的灵敏度、可以测量温度、频率(在一个较低的范围)、电容、电感，做信号发生器等等一些功能的数字型万用表。1.2.2 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。 数字万用表有用于基本故障诊断的便携式装置，也有放置在工作台的装置，有的分辨率可以达到七、八位。数字多用表（DMM）就是在电气测量中要用到的电子仪器。它可以有很多特殊功能，但主要功能就是对电压、电阻和电流进行测量，数字多用表，作为现代化的多用途电子测量仪器，主要用于物理、电气、电子等测量领域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。 现代万用表已全部数字化，并被专称为数字万用表（DMM，Digital MultiMeter）。在这种设备中，被测量信号被转换成数字电压并被数字的前置放大器放大，然后由数字显示屏直接显示该值；这样就避免了在读数时视差来的偏差。同样，更好的电路系统和电子学，也提高了测量精度。数字万用表的主要设计方案 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。 所以我设计了5个模块，分别是交流/直流转换电路；电流/电压转换电路；电阻/电压转换电路；A/D转换电路；直流电压测量电路，这五个部分。 第二部分 设计说明数字万用表软件设计A/D转换电路方案一：CL7106.TCL7106是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟电路与集成在一个有40个功能端的电路内，所以只需外接少量原件就可组成一个31/2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：采用MC14433。MC14433是一个低功耗31/2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码输出端和超量程信号输出端，便于与单片机相连构成智能控制系统。 MC14433是美国摩托罗拉（Motorola）公司生产的COMS单片31/2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。如图所示,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DS1-DS4引脚进行动态扫描，读取MC14433的Q0-Q3引的数据。 A/D转换电路图 直流电压测量电路如图所示，被测电压（0-200V）从DC V端输入，通过单片机控制模拟开 关CD4052选择相应的量程，将被测电压值衰减到0-200mV，然后在经过由精密运算放大器OP07组成的放大电路，将电压值放大10倍后输入到A/D转换器MC14433的Vin端。分压电阻采用误差为0.5%的精密金属膜电阻。该电路输入信号经过100千欧的电阻，从集成运放的反相输入端输入，由电阻、模拟开关和运放组成放大倍数可调的比例电路，并且这个100千欧的电阻还可以起到限流的作用。从而达到设计要求。直流电压测试电路图交流/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,这个电路是利用低漂移单运算放大器TL062与二极管D1 1N4148组成平均值响应的线性半波整流电路。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%。交流/直流转换电路图17电流/电压转换电路如图所示，普通模拟开关可以通过的电流很微小，所以通过单片机控制继电器来控制线路导通断开，将被测电流信号（0-500mA）转换为相应的电压信号（0-200mV），然后经过OP07将信号放大10倍，最后输入A/D转换器MC14433的Vin端。1A/250V的熔丝管FU为限流保护电路，两个二极管1N4007构成保护为过压保护电路。阻值为90、9的电阻采用误差为0.5%的精密金属膜电阻，而阻值为0.4、0.6的电阻通过的电流很大必须采用误差为0.5%的精密绕线电阻。 在本电路设计时需要考虑电路的稳定性与抗干扰性。电流/电压转换电路图电阻/电压转换电路方案一：利用运算放大器采用反相比例运算的方法进行测量。该方法实现比较简单，且能满足设计要求。 方案二：采用分压原理，利用流过标准电阻R0和被测电阻Rx的电流基本相等来得到电压与电阻的关系，但当电阻很小时电流过大。 鉴于此，故采用方案一。如图所示。稳压二极管1N4730A的稳压值为3.9V（即B点处电压值），采用运算放大器反相比例运算的方法，将B点处的电压值衰减到2V（即A点处电压值），单片机通过控制模拟开关MAX4618（超低导通电阻）选择适当的标准参照电阻R1 ，再利用运算放大器反相比例运算的方法，将被测电阻RX的阻值转换成与之相对应的电压量，输入A/D转换电路。 电阻/电压转换电路的计算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1* Uin/ UA。电阻/电压转换电路图程序流程图程序的主要功能：1、 直流电压、交流电压、直流电流和电阻测量对象切换功能；2、 手动量程和自动量程功能（超量程和欠量程判断）；3、 超量程指示功能；4、 数据显示功能（十进制数字形式，无效位消隐，小数点控制）；5、 单位显示功能(正负极,数据单位)。程序流程图第三部分 设计成果程序源代码主程序 #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ds1=P14; /测量数据选择位 sbit ds2=P15; sbit ds3=P16; sbit ds4=P17; sbit ado=P20; /A/D转换结束指示uint dso1;dso2;dso3;dso4;uint data1;data2;data3;data4;/分别为千位，百位，十位，个位的测量数据缓冲区 sbit ls1=P24; /显示器选择位 sbit ls2=P25;sbit ls3=P26;sbit ls4=P27; uint led1;led2;led3;led4; /分别为千位，百位，十位，个位的显示缓冲区 uchar led= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0xff,0xbf,0xc1,0Xc8,0x7f ; /编码09，全黑，-，U，小数点 名称：measure 功能：单位显示控制，根据s的值显示不同的单位，根据千位数据data1的值显示正负 返回值：无void display(void) ls1=ls2=ls3=ls4=1; P0=led1; ls1=0; delay(1); ls1=1; P0=led2; ls2=;delay(1); ls2=1; P0=led3; ls3=0; delay(1); ls3=1; P0=led4; ls4=0; delay(1); ls4=1; 名称：measure功能：单位显示控制，根据s的值显示不同的单位，根据千位数据data1的值显示正负返回值：无 void measure(void) if(s=1|s=5) /mV显示为0V led1=led0;led2=led12;led3=led4=led10; if(s=2|s=3|s=4|s=6|s=7) /V显示为1V led1=led1;led2=led12;led3=led4=led10; if(s=8|s=9) /mA显示为0A led1=led0;led2=led11&led13;led3=led4=led10; if(s9&s=5) k2=0; switch(k2) case(0) : /自动量程，百位显示“0” led1=led13;led2=led0;led3=led4=led10; sw_d=sw13;s=13;Z=1; break; case(1) : /2M档，百位显示“1” led1=led13;led2=led1;led3=led4=led10; sw_d=sw13;s=13; Z=0; break; case(2) : /200k档，百位显示“2” led1=led13;led2=led2;led3=led4=led10; sw_d=sw12;s=12; Z=0; break; case(3) : /20k档，百位显示“3” led1=led13;led2=led3;led3=led4=led10; sw_d=sw11;s=11; Z=0; break; case(4) : /2k档，百位显示“4” led1=led13;led2=led4;led3=led4=led10; sw_d=sw10;s=10; Z=0; break; 设计的仿真图本设计的仿真图万用表组装与安装原理图万用表组装与安装原理图第四部分 结束语设计总结 首先我对自己的设计做了测试结果如下： 直流电流：020mA ，误差2 %2个字，满足任务书的精度要求。因实验室找不到电流转电压电路所需的600毫欧和400毫欧特殊精密电阻，实践中没有连接200毫安和500毫安档位的测量电路。 电阻测试结果分析：电阻0 2兆欧比任务书的0 200千欧多一个测量档位，误差3 %2个字，满足设计的要求。 测量误差大部分在-0.2%+0.2%范围内，在200mV档测量时，由于没有精密电阻，实践所用1M欧电阻误差较大，所以误差较大。测量结果基本满足设计任务书的要求。 交流电压：0.2-20V ，误差2 %2个字节，满足任务书的精度要求。 在本次设计中我的心理也经过了很多的起伏，在遇到困难的时候想到过放弃，也低落过，但是在经过指导老师和同学的帮助下我的毕业设计最后得以成功的完成。 测量对象、范围及误差范围： 电压 DC：0200V 误差1 %2个字 AC：0.220V 误差2 %2个字 电流 DC：0500mA 误差2 %2个字 电阻0200K 误差3 %2个字采用LED数码显示，分辨率优于0.05%，具有符号判别和过量程显示直流电压档最小输入阻抗1M。具有键盘选择测量对象、量程和自动量程转换功能。 我的设计也存在一些的缺陷，就是与市场上的一些产品存在着一定的差距，达不到哪些产品的精度要求。在以后的学习中还需要继续加强。第五部分 致谢经过了一个半月的时间的努力与辛苦，我的毕业设计已经完成了，通过老师的检查也基本可以通过了，让我自己得到的了一定的满足感和成就感，毕竟这是因为自己努力而做出来的一个产品，这样的心情谁能说不激动，但是其中的辛苦又只有自己知道，如果没有自己一步一个脚印的去做是不会知道其中的乐趣和辛苦，在图书馆查到一些有用的资料时，我是开心的，在网上看到一篇相关的帖子是我是开心的，但是在自己不知道的时候更加是痛苦的，那种求知欲强烈的促使你去通过各种方法知道你想知道的，我很感谢那样的一种状态，他让我的精神又得到了一种升华。毕业设计，这是我在大学的最后一份作业，也是最重要的一份作业，人让我花了许多时间更让我花费了很多精力，但是他让我和老师之间的关系更加亲近了，他让我学到了以前在课堂上学不到的东西。当我交上这一份毕业设计时，就意味着我即将毕业，走向社会，得到社会的锻炼与磨练。在毕业设计完成之时我更加要感谢我对我无线帮助的老师、同学，尤其是我的毕业设计指导老师，是他不辞辛苦，无私奉献的帮助才让我顺利的完成了我的毕业设计。我衷心的感谢老师对我的帮助与指导。美好的大学生活即将结束，在我即将离开的时候我不伤心，因为大学交给了我很多，坚持，努力，阳光终将会照耀在每一个脸上，你需要做的是将头抬起来，走好每一步，做好每一件事，去迎接美好的阳光。最后我想对自己说，你在大学里学到了很多，也失去了很多，但是你最终成为了你想成为的人，不论被人觉得你是是否足够完美，但是我依旧认为你是最棒的，继续努力下去，到最后你会惊喜的发现，原来你比自己和他人想象中的更好。美好的明天和灿烂的未来在等着你。 第六部分 参考文献1李华，MCS51系列单片机实用接口技术M.北京航空航天大学出版社，1993年P50-602余孟尝，数字电子技术基础简明教程（第二版）北京：高等教育出版社1999（2006重印)P78-953薛福连数字万用表增加测温功能P30-484政.马龙宁夏电力2008年第1期数字万用表的扩展应，宁夏银南供电局，吴忠市P105-1755 谢自美 电子线路设计实验测试（第三版）M.武汉：华中科技大学出版社，2006 年；P123-2016 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；P68-987 徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计（第二版）M.北京：北京航空航天大学出 版社，2004年；P158-1688 高峰，单片微型计算机与接口技术M.北京：科学出版社，2003；9 张永瑞 电子测量技术M.西安电子科技大学出版社，2000年3月10 阎 石，数字电子技术基础M.高等教育出版社，1983年P87-9811 吴宁语音数字万用表的单片机实现(安徽机械工业学校，安徽，淮南232052)P85-98