基于單片機(jī)的萬(wàn)用表設(shè)計(jì)

周 艷

（渤海大學(xué)工學(xué)院，遼寧 錦州121000）

0 引言

數(shù)字萬(wàn)用表是采用數(shù)字測(cè)量技術(shù)對(duì)連續(xù)的模擬量進(jìn)行系統(tǒng)的不確定有效轉(zhuǎn)換，通過(guò)離散數(shù)字形式顯示儀表。原有的指針萬(wàn)用表的功能精度較低，不能較好的滿足數(shù)字技術(shù)的需求，通過(guò)采用單片機(jī)數(shù)字萬(wàn)用表，增加萬(wàn)用表的功能精度，加強(qiáng)其抗干擾的能力，保證效率集中和方便。目前，各類單片機(jī)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于數(shù)字萬(wàn)用表、電工測(cè)量、工業(yè)化自動(dòng)化儀表、自動(dòng)化系統(tǒng)智能分析等各個(gè)電子行業(yè)，顯現(xiàn)出其集聚強(qiáng)大的生命力量。數(shù)字萬(wàn)用表具有較為清晰直觀的數(shù)字顯示，準(zhǔn)確的數(shù)位，一般是3位或8位，通過(guò)準(zhǔn)確的測(cè)量，高效的分辨率，寬范圍的功能測(cè)量，通過(guò)輸入阻抗較高，集成較高，消耗功率較低的方法進(jìn)行單片機(jī)保護(hù)，從而提高單片機(jī)的抗干擾能力。本文將針對(duì)萬(wàn)用表進(jìn)行設(shè)計(jì)，直觀的認(rèn)識(shí)其基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，深刻研究萬(wàn)用表的測(cè)量方法原理，認(rèn)識(shí)萬(wàn)用表各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)和測(cè)試原則方法。

1 萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)前提

1.1 萬(wàn)用表設(shè)計(jì)目的

萬(wàn)用表是一種基于電子儀器儀表進(jìn)行有效測(cè)量的基本測(cè)量方法，被廣泛的應(yīng)用于電子工業(yè)測(cè)量和儀表檢測(cè)方法，伴隨著科技的快速發(fā)展，萬(wàn)用表的功能越來(lái)越擴(kuò)大，促進(jìn)電量測(cè)量技術(shù)水平的不斷提高。

1.2 萬(wàn)用表設(shè)計(jì)的原理依據(jù)

根據(jù)數(shù)字萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)原理，對(duì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行同步發(fā)展，是越來(lái)越多的直流電壓值、電流值、電阻值和數(shù)碼值可以有效的顯示出來(lái)，直流電壓的測(cè)量范圍為200MV至500V，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)的電壓測(cè)量，直流電流范圍為200MA到20A，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)的電流測(cè)量，以這種方法進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)更多的相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量，從而有效的控制電流、電壓、電阻和電容數(shù)據(jù)，及時(shí)處理報(bào)警問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行有效的AD轉(zhuǎn)換和控制，使系統(tǒng)可以更加的穩(wěn)定，保證整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度。加強(qiáng)對(duì)于不同量程的數(shù)據(jù)測(cè)量之間的有效轉(zhuǎn)換，保證各個(gè)部分的電路具有一個(gè)較為完整的萬(wàn)用表適用范圍，從而解決程序的設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。

2 數(shù)字萬(wàn)用表的整體設(shè)計(jì)

2.1 萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)原理

萬(wàn)用表的功能是可以較好的測(cè)量直流電壓、直流電流和交流電流以及對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)對(duì)模數(shù)A/D之間的轉(zhuǎn)換，數(shù)字顯示電路的鏈接，電壓表、電流表、電阻表多個(gè)儀器之間的原理的綜合，整合出適合目前功能發(fā)展的萬(wàn)用表。

2.2 模數(shù)A/D之間的轉(zhuǎn)換和數(shù)字電路的顯示效果

通過(guò)物理測(cè)量對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行大小變化顯示出模擬性信號(hào)。指針儀表盤可以對(duì)模擬的電壓和電流進(jìn)行有效的顯示，而對(duì)數(shù)字儀表需要對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，處理顯示的存儲(chǔ)、運(yùn)算過(guò)程結(jié)果。數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)不通，具有的幅值大小是不相互連續(xù)的，通過(guò)二進(jìn)制數(shù)碼表示，但是為了能夠更好的通過(guò)直觀的認(rèn)識(shí)和記錄數(shù)據(jù)，需要對(duì)進(jìn)行數(shù)碼變換，由數(shù)碼管和液晶屏顯示。

2.3 多量程的數(shù)字電壓表測(cè)量

基于萬(wàn)用表進(jìn)行分級(jí)別電壓電路測(cè)量，擴(kuò)展直流電壓的測(cè)量范圍，擴(kuò)展后的多量程分壓器的電壓為1V、0.1V，一直到0.0001V，所對(duì)應(yīng)的量程為2000、200，一直到2。采用分壓電路對(duì)電壓表進(jìn)行量程控制，保證在較小的量程上也可以測(cè)量出電壓表的變化范圍，實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量的實(shí)際需要。另外，它還可以通過(guò)輸入不同的電阻產(chǎn)生阻抗，從而提高電路的分壓效果。在實(shí)際的測(cè)量中通過(guò)對(duì)不同檔位進(jìn)行分壓和控制電阻值，盡管萬(wàn)用表的最大檔位量程為2000V，但是實(shí)際上為了考慮萬(wàn)用表的耐用性和安全性，一般會(huì)設(shè)定其最大的電壓量程為1000V，在測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行控制，保證其數(shù)為的自動(dòng)調(diào)整效果，使讀者可以很容易的完成數(shù)據(jù)測(cè)量

2.4 多量程的數(shù)字電流表測(cè)量

測(cè)量電流的方法是通過(guò)歐姆定律對(duì)適合的電阻進(jìn)行電流測(cè)量，逐漸形成各類電壓值的測(cè)量和電流值的比對(duì)。在實(shí)際的使用過(guò)程中，由于換擋開關(guān)接觸不良，造成萬(wàn)用表的電壓可以會(huì)產(chǎn)生過(guò)載問(wèn)題，計(jì)算最大萬(wàn)用表的電流值和電阻值，保證萬(wàn)用表的使用壽命。電流過(guò)大會(huì)造成電阻絲快速被熔斷，超過(guò)電流保護(hù)的作用，采用兩只反向分流電阻進(jìn)行并聯(lián)二極管，使其二者可以對(duì)對(duì)向的電壓進(jìn)行有效保護(hù)。在正常測(cè)量過(guò)程中，輸入的電壓小于二極管的正方向?qū)娏麟妷海坏┹斎胼^大的電壓，二極管導(dǎo)通，使兩端的電壓被抑制，從而保護(hù)儀表不受損害，達(dá)到保護(hù)萬(wàn)用表的作用。

2.5 交流電壓的測(cè)量原理

萬(wàn)用表中的交流電壓、電流測(cè)量電路通過(guò)對(duì)直流電壓、電量進(jìn)行電路測(cè)量外，可以通過(guò)分壓器進(jìn)行分流，采用AD-DC變換器進(jìn)行，通過(guò)集成運(yùn)算放大器，二極管和RC濾波器組成一個(gè)可以對(duì)輸出電壓高低進(jìn)行電位調(diào)整的電位器，從而通過(guò)對(duì)交流電壓檔位進(jìn)行有效的矯正，調(diào)整電位器的數(shù)字表頭的顯示值可以為交流電壓的有效值。

2.6 電阻值和電容值的測(cè)量的方法

萬(wàn)用表中的各類電阻采用比例測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量電阻。由穩(wěn)定的ZD進(jìn)行準(zhǔn)確的準(zhǔn)電壓、準(zhǔn)電流測(cè)量，確保被測(cè)電阻的電流基本相同，就可以得到較高的阻抗值，A/D轉(zhuǎn)換器電壓與電流有一定的特性，選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行數(shù)據(jù)定位測(cè)量，保證不同的電阻測(cè)量值。例如，對(duì)于200檔，選取=100，小數(shù)點(diǎn)定于十分位上，當(dāng)=100時(shí)，表頭會(huì)顯示出100，當(dāng)變化時(shí)，顯示的數(shù)值也隨之變化。由正溫度系統(tǒng)熱敏電阻、晶體管一同組成過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)電路，從而防止電阻對(duì)電壓的集成電路損害。當(dāng)晶體管發(fā)射極發(fā)生擊穿反應(yīng)，使輸入的電壓逐步升高，電流的增加造成發(fā)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，電阻值快速增加，遏制了電流的增加，防止因擊穿電流超過(guò)額定范圍，保護(hù)萬(wàn)用表電路。電容測(cè)量值需要電容進(jìn)行充放電的電壓和時(shí)間保持一致，確保電壓和時(shí)間從而有效的算出電容值。

3 萬(wàn)用表的電路設(shè)計(jì)和芯片的選擇

電路設(shè)計(jì)：

以單片機(jī)AT89S52和ADC0809對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)置，配合合理的分流電阻值和分壓電阻值，與基準(zhǔn)的電阻值相互比較測(cè)量交流電壓、直流電壓、交流電流、直流電流及數(shù)碼顯示四位系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)四位量級(jí)成度的直流電壓的測(cè)量，控制電壓分為為500伏、200伏、20伏和2伏從而實(shí)現(xiàn)四級(jí)別程度的交流電壓測(cè)量，設(shè)置2安、200毫安、20毫安和2毫安四個(gè)級(jí)別的電流范圍，設(shè)置2M、200K、20K和2K四個(gè)級(jí)別的電阻測(cè)量范圍，防止因超范圍造成報(bào)警現(xiàn)象的產(chǎn)生。

萬(wàn)用表中單片機(jī)系統(tǒng)功能的描述：AT89S52是一種具有較低的功耗、較高的性能的微控制器械，具有8k的flash可編程控制存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過(guò)與80C51上的指令和引腳進(jìn)行兼容，保證flash程序存儲(chǔ)系統(tǒng)的可編程效果，在單片機(jī)上，采用靈巧的八位CPU進(jìn)行系統(tǒng)編程，促使總過(guò)的嵌入式控制系統(tǒng)可以更靈活的解決方案。AT89S52具有8k字節(jié)的flash，256字節(jié)的RAM，32位的I/O組下口，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位的定時(shí)器，一個(gè)6向量的2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，具有全雙工的行口，單片機(jī)內(nèi)的晶振和時(shí)鐘電路。另外，AT89S52通過(guò)對(duì)0HZ的靜態(tài)邏輯控制操作，使兩種以上的軟件可以進(jìn)行節(jié)電模式。在空閑模式下，CPU會(huì)停止工作，允許RAM、定時(shí)器、串口、計(jì)數(shù)器。在掉電保護(hù)下，RAM的內(nèi)容將被保存下來(lái)，振蕩器隨之被凍結(jié)，單片機(jī)停止工作，知道硬件復(fù)位。

PO口是一個(gè)八位漏極的開口雙向I/O口，通過(guò)輸出口，每一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平，PO具有內(nèi)部上拉電阻，在flash編程過(guò)程中，PO口可以用來(lái)接收指令字節(jié)符。，程序通過(guò)校驗(yàn)，完成指令符號(hào)的輸出。P2口是一個(gè)內(nèi)部上拉式電阻的八位雙向的I/O口，P4輸出端口具有緩沖器，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平，在P1端口寫“1”，內(nèi)部上拉電阻拉高端口，作為輸入口使用。P2口是內(nèi)部上拉的電阻8位雙向I/O口，P2輸出的緩沖器能 驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平，對(duì)P2端口寫“1”，內(nèi)部的上拉電阻把端口拉高，也可作為輸入口使用。P3口是內(nèi)部上拉8位電阻的雙向I/O口，P2輸出的緩沖器可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平，P3端口寫“1”，內(nèi)部的上拉電阻把端口拉高，作為輸入口使用，P3口具有接受控制信號(hào)。RST復(fù)位輸入，RST持續(xù)周期高電平對(duì)單片機(jī)復(fù)位，當(dāng)看到計(jì)時(shí)完成后，RST腳輸出96個(gè)高電平的晶振周期，特殊寄存器AUCR上的DISRTO可以使用的功能無(wú)效，DISRTO在默認(rèn)情況下復(fù)位高電平有效。

在一般的情況下，ALE以晶振為六分之一的固定頻率輸出脈沖，通過(guò)外部定時(shí)器或時(shí)鐘進(jìn)行使用，在每次的訪問(wèn)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)，通過(guò)地址為8位的SER的0位置“1”，執(zhí)行WOVX使指令有效，否則，ALE將被微弱的拉高。

4 萬(wàn)用表的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 分模塊簡(jiǎn)述系統(tǒng)內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)的方法

由于高壓的交流電會(huì)造成對(duì)弱點(diǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而電池存在一定的電源在維護(hù)和電流電壓的衰減等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)外部電源的供電處理，可以保證12伏的交流穩(wěn)壓電源輸入，是電池的容量增大，防止電壓衰減，使其輸出電壓穩(wěn)定。

4.2 輸入端口

在測(cè)量輸入端經(jīng)過(guò)的電流時(shí)通過(guò)使用電筆對(duì)輸入端進(jìn)行電流測(cè)量，保證電流電壓過(guò)大造成燒毀二極管的問(wèn)題，影響電路的輸入和輸出。

4.3 分流電阻電路和分壓電阻電路

按照一定規(guī)律的R8與R12的電阻組合結(jié)構(gòu)完成精密的電阻分流器設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)電流分流的目的，例如，20A的電流衰減到200MA，通過(guò)參考電壓計(jì)算實(shí)際的電流值。通過(guò)R2與R16組合的電阻構(gòu)成較為精密的電阻分壓器電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)打電壓進(jìn)行分流的目的，例如，500V電壓衰減到200MV,通過(guò)測(cè)定參考電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電壓值的計(jì)算。

4.4 基準(zhǔn)電阻電路

通過(guò)利用電壓表對(duì)多量程的電阻表進(jìn)行測(cè)量，以比例法測(cè)量萬(wàn)用表的電阻范圍，使其精準(zhǔn)度高，保證耗電小，在這種電路中的電阻配置稱為“基準(zhǔn)電阻”。通過(guò)對(duì)各個(gè)接點(diǎn)測(cè)量得出不同的基準(zhǔn)電阻，由AD009電壓與被測(cè)電阻上得出的電壓進(jìn)行數(shù)值對(duì)比，若兩種電壓值相等，可以將AD0809的另外一段與AT89C52的控制點(diǎn)進(jìn)行銜接，當(dāng)LED的屏幕上有顯示，及可以讀出被測(cè)量的電阻值。

4.5 交直流電的處理電路與ADC0809轉(zhuǎn)換電路

通過(guò)對(duì)電路對(duì)交直流電路進(jìn)行有效的控制，調(diào)節(jié)可變電阻從而減少電壓的損耗。通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在數(shù)碼管上顯示出相對(duì)電壓值，即實(shí)際顯示的電壓值。

4.6 報(bào)警電路

通過(guò)檢測(cè)預(yù)定變得峰值確定單片機(jī)輸出高電平，Q1導(dǎo)通，LS1對(duì)地導(dǎo)通，發(fā)出蜂鳴的響聲。7單片機(jī)的最小電路

通過(guò)采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，配合RC上電復(fù)位的電路和11.0592MHz的震蕩電路，是系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行，P0口是ADC0809的數(shù)據(jù)總線，p1.0-p1.7是8255單片機(jī)的信號(hào)輸入端口，可以使單片機(jī)檢測(cè)出相關(guān)的測(cè)量范圍和物理量值。

4.7 電路的顯示、開通工作過(guò)程

通過(guò)SPI總線的LED驅(qū)動(dòng)器TEC6122來(lái)驅(qū)動(dòng)8位的數(shù)碼管，使整個(gè)電路系統(tǒng)得到較快的系統(tǒng)響應(yīng)，提高精準(zhǔn)度顯示，采用四合一的數(shù)碼管，減少PCB表面的走線從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)8255的量程進(jìn)行選擇和控制，使單片機(jī)可以測(cè)量出物理量程范圍，采用萬(wàn)用表開關(guān)可以手動(dòng)完成量程的轉(zhuǎn)換工作，保證測(cè)量值的合理性。通過(guò)采用正確的程序電路對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)芯片進(jìn)行組合完成工作，當(dāng)開關(guān)的測(cè)量電壓、電流和電阻時(shí)，對(duì)不同的量程需要采用不同的量程開關(guān)，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，AT89s52的P0口是ADC0809的數(shù)據(jù)總線，P2.4、P2.5、P2.6可以顯示芯片的SPI總線的輸出，P1.0、P1.1、P1.2、P3.2是ADC0809的控制線。ADC0809通過(guò)對(duì)單片機(jī)識(shí)別的值進(jìn)行測(cè)量保證輸出程序的控制量，在顯示芯片上顯示數(shù)據(jù)。顯示芯片根據(jù)的程序顯示內(nèi)容，按要求完成4位數(shù)碼顯示工作，TEC6122芯片為8位數(shù)碼驅(qū)動(dòng)顯示的，因此不接上數(shù)碼管TYP2也是可以滿足設(shè)計(jì)電路的基本要求，接上數(shù)碼管TYP2可以滿足8位驅(qū)動(dòng)芯片的有效工作。

5 萬(wàn)用表的故障分析

一個(gè)有故障的萬(wàn)用表需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)，首先要分析故障產(chǎn)生的部位，根據(jù)線路圖找出故障相關(guān)位置從而更好的完成更換或修復(fù)工作，由于萬(wàn)用表具有的精密測(cè)量的特點(diǎn)，每一個(gè)相關(guān)參數(shù)的原件都需要具有相同的參數(shù)，特別是更換A/D轉(zhuǎn)換器，一定需要采用廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)配備的集成塊，否則會(huì)造成誤差直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。新的A/D轉(zhuǎn)換器也需要進(jìn)行檢查，不能因新而認(rèn)為具有準(zhǔn)確的精度，保證實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果的準(zhǔn)確。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)于單片機(jī)的萬(wàn)用表設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的分析和研究，對(duì)萬(wàn)用表的單片機(jī)芯片和硬件設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的研究，從中認(rèn)識(shí)到單片機(jī)萬(wàn)用表的工作原理，以便在以后的工作和生活中更好的運(yùn)用單片機(jī)萬(wàn)用表完成各類直流電、交流電的電壓、電流、電阻、電容數(shù)據(jù)測(cè)量，以更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)中的參考數(shù)據(jù)，完成應(yīng)有的參數(shù)配比，保證電子工作元器件的相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。日常生活中，從自己的需要出發(fā)，如果要求不高可以選擇測(cè)量范圍和精度不高的臺(tái)式萬(wàn)用表，如果測(cè)量精度數(shù)據(jù)高，用于修理儀器使用，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要求高則應(yīng)當(dāng)選用一個(gè)手持式的萬(wàn)用表。

［1］孫立群.萬(wàn)用表測(cè)量電子元器件技能速成[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［2］門宏.圖解萬(wàn)用表測(cè)量技術(shù)與技巧[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［3］孫立群.萬(wàn)用表使用從入門到精通[M].人民郵電出版社，2012.

［4］楊清德.圖說(shuō)萬(wàn)用表使用入門[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.