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1、1前言电学参量测量技术涉及范围广，特别是电压、电流表广泛适用于学校、工业、科研、国防等各种领域，供实验室和工业现场测试用。随着电子技术的发展，在数字化、智能化、科技化为主的今天。数字电压、电流表已成为电压、电流表设计的主要方向，在当前电压、电流测量系统中占有非常重要的位置。我们在分析研究和总结了单片机技术的发展历史及趋势的基础上，以实用、可靠、经济等设计原则为目标，设计出全数字化测量电压电流装置。本设计所完成的全数字电压、电流表将所测信号通过数据采集、数制处理，通过单片机控制最终使其相应值显示在四位串行数码管上，并同时利用串口发送给计算机，并以适时波形显示。而且此设计通过对被测信号的判断和量程
2、选择器的控制，实现了在高精度仪表中的八个档位的量程自动调节，既保证了弱信号的测量精度又兼顾了强信号的测量范围。同时，克服了在采用传统的手动选择量程档位的电压、电流表时，忘记转换档位而造成仪表测量精度的下降或损坏的危险。系统主要以单片机AT89S52为控制核心，整个系统由中央控制模块、量程自动转换模块、A/D模数转换模块、LED显示模块和串口通信模块组成。可实现对待测电压、电流的测量，在数码管上显示，且采用异步通信的方式，通过RS232接口技术，能实现与上位机计算机进行通信。2电参数测量介绍2.1电子测量概述从广义上讲，凡是利用电子技术来进行的测量都可以说是电子测量；从狭义上来说，电子测量是在电
3、子学中测量有关电量的量值。与其他一些测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：测量频率范围极宽，这就使它的应用范围很广；量程很广；测量准确度高；测量速度快；易于实现遥测和长期不间断的测量，显示方式又可以做到清晰，直观；易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合。随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，工作量加大，测量速度测量准确度要求越来越高，这些都对测量仪器和测试系统提出了更高的要求。微机的出现为解决上述问题提供了条件。利用微机的记忆，存储，数学运算，逻辑判断和命令识别等能力，发展了微机化和自动测试系统。近年来微机和大规模集成电路发展很快，价格大幅下降，同时在测试系统中还解决了通
4、用接口母线标准化问题，使微机化仪器和自动测试系统得到了很大发展，正改变着电子测量的面貌2.2电压表发展概况电压测量是电子测量的一个重要内容。随着电子技术的发展，对电压测量提出了一系列的要求，主要可概括为：应有足够宽的电压测量范围；应有足够高的测量准确度；应有足够高的输入阻抗；应具有高的抗干扰能力。电压测量仪器总的可分为两大类：即模拟式和数字式的。模拟式电压表是指针式的。用磁电式电流表作为指示器，并在电流表表盘上以电压（或db）刻度。它主要由电阻R 和表头串联组成，测量部件表头的设计是利用载流线圈在磁场中受力矩作用的原理。数字式电压表首先将模拟量通过模/数（A/D）变换器变成数字量，然后用电子计
5、数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。 模拟式电压表由于电路简单、价廉，特别是在测量高频电压时，其测量准确度不亚于数字电压表，故在目前，在电压测量中仍将占有重要地位。数字式电压表在近年来以成为极其精确，灵活多用的电子仪器，并且价格正在逐渐下降。数字式电压表能很好地与其他数字仪器相交接，因此在电压测量系统的发展中是非常重要的。讨论数字式电压表的主要内容可归结为电压测量的数字化方法。模拟量的数字化测量，其关键是如何把随时间作连续变化的模拟量变换成数字量，完成这种变换的电路叫做模/数变换器。所以，数字式电压表可以简单理解为模/数变换器。2.3 数字电压表的特点1.读数直观、准确 电压表的数字化，是
6、将连续的模拟量(如直流电压)转换成不连续的离散的数字形式并加以显示。这有别于传统的以指针与刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。2.显示范围宽、分辫力高 指针表的分辫力，是由刻度盘的细度表达的，刻度盘在一定条件下无法分得很细，太细了视觉分辫也很困难，而数字显示的电压表，目前可以做到从2（1/2）到10（1/2）。3.输入阻抗 数字电压表的输入阻抗可高达(110000)M。输入阻抗越高，所吸收被测信号的电流就越小，所带来的附加误差极小，可以忽略。4.集成度高、功耗小、抗干扰能力强 由于CMOS技术的发展，集成电路的功耗变得很小，即发热量很小，这样就可以在同一块芯片上集成更多的元件，形
7、成大规模或超大规模集成电路。这给制造业带来了飞跃，不仅仪表小巧而功能齐全，其他如手机、袖珍电脑等也得以诞生。目前双积分或多重积分的A/D转换器构成的数字电压表，由于在积分过程中可将干扰信号部分或全部抵消掉，其串模抑制比可达100分贝，共模抑制比可达120分贝。5.可扩展能力强 直流数字电压表本身可以扩展成交流电压表、交直电流表、峰值表、功率表等，还可以附加智能化。例如:计算、保持、比较数字、设定时间，设定上、下量限及自动控制等多种功能。 3总体方案设计3.1测量的基本原理 通过本次设计需要达到的最基本功能是能够测量交直流电压值和电流值，其基本组成见图2.1。图3.1下面我们分别介绍各个部分的组
8、成：1）、模数(A/D)转换与数字显示电路常见的物理量都是幅值(大小)连续变化的所谓模拟量(模拟信号)。指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号，再进行显示和处理(如存储、传输、打印、运算等)。数字信号与模拟信号不同，其幅值(大小)是不连续的。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位(量化台阶)为，则数字信号的大小一定是的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换(译码)后由数码管或液晶屏显示出来。例如，设=0.1，我们把被测电压与比较，看是的多少倍，并把结果四舍五入取为整数 (二进
9、制)。一般情况下，1000即可满足测量精度要求(量化误差1/1000=0.1%)。最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半()数字表。对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV为单位的被测电压的大小。如：是 (0.1)的1234倍，即=1234，显示结果为123.4()。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示-199.9199.9的电压，显示精度为0.1。由上可见，数字测量仪表的核心是模数(A/D)转换、译码显示电路。A/D转换一般又可分为量化、编码两个步骤。2) 、多量程数字电压表原理在基准数字电压表头前面加一级分压电路(分压器)，可以扩展直流
10、电压测量的量程。如图2.2所示，为电压表头的量程(如200)，为其内阻(如10)，、为分压电阻，为扩展后的量程。 图3.2分压电路原理 图3.3多量程分压器原理由于rr2，所以分压比为图3.4 使用分压电路扩展后的量程为多量程分压器原理电路见图2.3，5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为2000、200、20、2和200。采用图3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程档明显降低了电压表的输入阻抗，这在实际使用中是所不希望的。所以，实际数字万用表的直流电压档电路为图2.4所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。例如：其中2
11、00档的分压比为其余各档的分压比可同样算出。实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定再计算2000档的电阻再逐档计算、。尽管上述最高量程档的理论量程是2000，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为1000。换量程时，多刀量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。3）、多量程数字电流表原理测量电流的原理是：根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。如图2.5，由于，取样电阻上的电压降为即被测电流 图3.5电流测量原理 图3.6多量程分流器电路若数字表头的电压量程为，欲使电流档量程为，则该档的
12、取样电阻(也称分流电阻)为 如=200，则=200档的分流电阻为。多量程分流器原理电路见图2.6。图2.6中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，被测电路的电压可能使数字表头过载，所以，实际数字万用表的直流电流档电路为图2.7所示。 图3.7实用分流器电路图2.7中各档分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最大电流档的分流电阻再计算下一档的依次可计算出、和。图3.8 AC-DC变换器原理简图图中的BX是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，超过流保护作用。两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封硅整流二极管，它们起双向限幅过压保护作用。正常测量时，输入电压小于硅二极管
13、的正向导通压降，二极管截止，对测量毫无影响。一旦输入电压大于0.7，二极管立即导通，两端电压被限制住(小于0.7)，保护仪表不被损坏。4）、 交流电压电流测量处理原理数字万用表中交流电压，电流测量电路是在直流电压、电流测量电路的基础上，在分压器或分流器之后加入了一级交流-直流(AC-DC)变换器，图2.8为其原理简图。 该AC-DC变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波器等组成，还包含一个能调整输出电压高低的电位器，用来对交流电压档进行校准之用。调整该电位器可使数字表头的显示值等于被测交流电压的有效值。同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高档的量限通常限定为700
14、(有效值)。3.2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，电流值并通过四位数码显示。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.并且当有超出量程的情况发生时，蜂鸣器发声报警。4单元模块设计4.1电源部分 由于高压交流电会对弱电系统产生干扰，影响系统的稳定性，而电池之类的电源又存在维护不方便和电压电流衰减等的缺点，所以本次设计采用外
15、部稳压电源供电，这里选用普通12V 500MA输出的交流稳压电源输入，该电池容量大，电压衰减影响比较小，输出稳定，电路如下图。图4.1 电源电路在图2.9的电路里稳压器7805的压降是2.5V，偏移电流是6mA，我们需要的电压是5V，电路提供的电压是9V，则电阻承担的电压为1.5V，由此得 R=U/I=(9-5-2.5)V/6mA=200欧姆。4.2交直流处理电路图4.2交直流处理电路通过该电路达到控制交直流的目的，并且通过调节可变电阻又可以有效地减少电压的损耗。4.3单片机最小系统图4.3 单片机最小系统电路本次设计采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和
16、11.0592MHZ震荡电路，使系统稳定运行。P0口做为ADC0809的数据总线，P2.4、P2.5、P2.6作为显示芯片的SPI总线输出。P1.0、P1.1、P1.2、P3.2作为ADC0809的控制线。同时p1.0-p1.7 作为8255的信号输入端，使单片机能检测到所测量的物理量和量程。4.4显示电路图4.4显示电路采用SPI总线LED驱动器TEC6122驱动8位数码管，使得整个系统响应时间最快，显示精度更高。采用4合1数码管，减少PCB表面走线提高系统稳定性。4.5开关电路 图4.5 开关电路如上图，类似于常用的万用表开关，可以根据需要手动转换测量量的量程，根据所需要测量的量选择合适的
17、量程。4.6 ADC部分图4.6 ADC0809转换电路由于ADC0809的参考电压VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(D/256*VREF)4.7量程选择控制电路图4.7 物理量量程选择电路通过8255的控制与传输，使单片机就检测到所测量的物理量及其量程。5特殊器件的介绍AT89S52芯片功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS工艺的8位单片机。它带有8KB的可在线编程的 Flash 存储器，该单片机采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器技术，与工业上标准型80C51单片机的指令系统及引脚完全兼容；片内的Flash
18、 存储器可在线重新编程，或使用通用的非易失性存储器编程器；通用的8位CPU与在线可编程Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。AT89S52的引脚排列图及其功能AT89S52单片机为40引脚芯片如图4.1所示，具有PDIP，PLCC和TQFP3钟封装形式。各引脚的功能如下： 图 4.1 at89s52引脚图P0口8位、开漏极、双向I/O口。 当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载；当用做输入时，每个端口首先置1。P0口也可用做访问片外数据存储器和程序存储器时的低8位地址/数据总线的复
19、用口。这种情况下，P0口内含上拉电阻。在Flash编程时，P0口输入代码数据；在Flash校验时，P0口输出代码数据。在进行编程校验时，需外接10K的上拉电阻。P1口8位、双向I/O口，内含上拉电阻。P1口为用户使用的通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。当用做输入时，每个端口首先置1。P1.0和P1.1引脚也用做定时器2的外部计数输入(P1.0/T2)和触发器输入(P1.1/T2DX)。在编程和校验期间，P1口可输入低字节地址。P2口8位、双向I/O口，内部具有上拉电阻。P2口可用做通用I/O，可以驱动4个TTL负载。对P2口各位写入1，可作为输入。每个引脚由外部负载拉为低电平时，经由
20、内部上拉电阻向外输出电流。在访问16位地址的外部程序存储器和数据存储器时，P2口提供高8位地址。用MOVX DPTR类指令访问外部数据存储器时,P2口为高8位地址(即PCH)；用MOVX R0和MOVX R1类指令访问外部数据存储器时，P2口上的内容是SFR P2的内容。在编程和校验时，P2口接收地址线的高位和一些控制信号。P3口8位、双向I/O口，内部含有上拉电阻。P3口可用做通用I/O口，可驱动4个TTL负载。当用做输入熟，要先将P3口各位置如外部负载将P3口拉低，则经过上拉电阻向外输出电流。在编程和校验时，P3口接收某些控制信号。地址锁存允许/编程脉冲输入。外部程序存储器读选通，低电平有
21、效。片外程序存储器访问允许。XTAL1和XTAL2XTAL1是片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAL2是片内振荡器反相放大器的输出端。6系统软件与流程图6.1 电路功能模块由总体设计框图3.1，本万用表由以下几部分功能模块组成，复位电路、震荡电路、ADC输入、ADC使能控制、被测量显示、超限报警、等电路组成。程序中的子程序 功能模块主要分成3个，延时、ADC转换、和显示，延时子程序在整个程序中多次被调用，ADC转换则是每次测量都会需要用到的，当进行测量时，ADC0809将被测量转换为2进制数发给单片机然后单片机根据软件协议送显示，显示子程序则包括一个8位字节的发送程序和一个TEC6
22、122的驱动程序。图6.1 功能模块设计框图 6.2系统总流程图图6.2系统总流程图6.3物理量采集处理流程：图6.3物理量采集处理流程6.4电压测量过程流程图：图6.4电压测量流程图6.5电流的测量过程流程图：图6.5电流测量流程图7总结7.1设计小结课程设计是一个综合性的实践课程，是将理论联系到实际中的实验过程，是考察学生就最近知识以及综合知识掌握能力，同时也能让同学更好的理解甚至于学习相关内容。从拿到本次设计任务后，开始查阅资料，对课设计课题进行论证，到设计电路，软件上的程序编写到仿真、调试，硬件上元器件确定、选型及电路搭建，软硬件联调，直到论文文本的撰写。最终完成所设计项目数字电压、电
23、流表的设计，这一过程锻炼了我们对单片机应用系统的设计及动手能力。近两周的课程设计实践，使我深深的体会到理论结合实际的重要性，在设计过程中要特别细心，在软件中可能是一个标点或一个字母的问题，而导致运行错误；在硬件搭建中更是如此，焊接、连线的牢固性，还要防止短路和断路。所以每一个环节都是不可大意的。另外，大家在一起讨论，互相学习，让我更深地体会到同学间互相帮助的作用。在软、硬件调试过程中，真的培养了我的耐心。软件的调试修改再调试，如此反复，最终完成了设计的部分任务，但设计还存在很多问题，没有完全达到设计要求。而且精度也存在问题，有待改进。在不断的学习与讨论中，我对单片机知识有了更为深刻的认识与体会
24、。在收获的同时，我也受益非浅深感自身理论知识的欠缺与动手能力的不足，在以后的学习及设计中，还要不断的努力。由于时间的紧缺和许多课业的繁忙，此次设计没有很好的完成。但是，从基础而言，我们还没有放弃。相信以后我们会以更加积极地太对对待我们的毕业设计，甚至于今后的人生。7.2设计收获通过这次的课程设计基于单片机的电压电流测量系统的过程，是我达到了对前面所学的知识有了一个充分的吸收消化和运用的目的。在本次的设计过程中我查阅了大量关于单片机at89s52的芯片的开发应用资料。同时还对常用的电压电流的测量和处理方法有了很多的了解。经过这次的课程设计让我对单片机的开发流程有了更进一步的理解应用。我对单片机这
25、一在现代电子技术中有着广泛应用的器件有了跟更进一步的熟悉和掌握。也了解到了很多电压电流这些基本的电参量在现代电子技术中的获取及处理方法。同时在设计过程中对单片机程序的编写和调试中大大提升了自己独立编程的能力。总之，在这次的课程设计中我受益匪浅。7.3设计改进由于时间仓促和我们自身水平有限，本设计在功能上也只是完成了一些基本功能，对于电路的可靠性，稳定性等参数还未做过详细的测试。在本次设计的基础上还能根据自己的需要添加更多的模块来实现更加丰富的功能。还能够改进一些硬件电路或程序代码来实现对更多电参量的测试。7.4 致谢在老师们的辛勤指导下，我们小组同学积极讨论和思考，完成本此课程设计，此次设计，
26、使我们受益匪浅。在此我要感谢电气信息学院提供这次课程设计的机会；感谢电气信息学院各位老师的帮助。在这里我要特别感谢王胜老师，在我们的设计过程中，至始至终都得到了老师们的悉心指导，我们的设计才得以顺利完成。本次课程设计不仅培养了我们的科学严谨的学习态度，使我们认识到不管做任何事都要付出一定的努力，才会有大的收获。相信这次课程设计过后,我们的理论水平和实践动手能力都会有一定的提升。8参考文献1 单片机原理及接口技术 余锡存 曹国华 西安电子科技大学 2000.72 单片机典型模块设计实例导航 求是科技 人民邮电出版社 2005.63 MCS-51单片机应用开发实用子程序 边春远 人民邮电出版社 2
27、005.94 单片机在电子电路设计中的应用 赫建国等 清华大学出版社 2006.55 电子技术基础 数字部分 康华光 高等教育出版社2004.46 单片机C语言编程与示例 赵亮等 人民邮电出版社 2003.97 程序设计（第二版）谭浩强清华大学出版社1999.128 电子技术基础 模拟部分 康华光 高等教育出版社2004.7 9 单片机原理及应用技术 胡辉、王晓等 中国水利水电出版社 2005.7 10电子测量技术基础 杨永瑞、刘振起等 西安电子科技大学出版社 2006.1 11智能电压表中量程自动转换电路研究 张国恒等 西北师范大学学报 2006.4 12电路.模拟.A/D转换及D/A转换
28、童永承、顾家林等 科学出版社 2004.7 13单片机原理与应用技术 魏立峰、王宝兴 北京大学出版社 2006.8 148051单片机基础教程 陈明荧 北京：科学出版社 2003 15单片机应用系统设计与产品开发 冯建华、赵亮 人民邮电出版社 2004.11 16新编MCS-51单片机应用技术 张毅刚等 哈尔滨工业大学出版社 2003.7 17单片机应用开发实例 刘文涛 清华大学出版社 2005.9 18单片机语言C51程序设计 赵文博等 人民邮电出版社 2005.。10 1951单片机应用程序开发典型实例 戴佳、苗龙等 中国电力出版社 2005.9 20精通8051程序设计 美 Myke P
29、redko 人民邮电出版社 2006.3附录一：电路原理图附录二：程序清单#include #include #define _Nop() _nop_();/空操作sbit ST=P30; /ADC0809启动转换sbit OE=P31; /允许ADC0809输出数据sbit EOC=P32; /ADC0809转换结束信号sbit BEEP=P33;sbit SI=P24; /TEC6122串行数据输入sbit SCP=P25; /TEC6122串行移位脉冲sbit LCP=P26; /TEC6122锁存信号unsigned char code table11=0xfc,0x60,0xda,0
30、xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0x00;/显示的控制字，比如发0XFC给TEC6122，数码管就显示0/*延时*/void delay(unsigned int tc)while(tc!=0)unsigned int i;for(i=0;i100;i+);tc-;/*ADC0809转换子程序*/unsigned char adc0809() /读AD0809子程序unsigned char adda;ST=0; OE=0; /读AD0809准备 P0=0xff; /先把ADC0809的输出清0ST=1;_Nop();_Nop(); ST=0; /启动转换N
31、op();_Nop();_Nop();_Nop();while(EOC=0);/ 如果有输出中断，使能读功能，并读数据OE=1; adda=P0;_Nop();OE=0;return(adda);/返回最后读出数据/*ADC0809转换数据处理*/unsigned int dacl() /AD0809读出数据处理unsigned char x;unsigned int dady=0;for(x=0;x10;x+)dady=adc0809()+dady;dady=dady/10; /求平均值,提高精度return(dady);/返回处理结果/*显示数码处理*/void send_byte( un
32、signed char out_byte)unsigned char i;delay(1);/调用延时子程序for (i=0;i1;void led_display(int val)int i;unsigned char digit4;unsigned char isHightFlag=0;if (val9999) val=9999;digit3=val/1000;val=val-1000*digit3;digit2=val/100;val=val-100*digit2;digit1=val/10;digit0=val-10*digit1;if (digit3=0)digit3=table10
33、;/no echoelsedigit3=tabledigit3;isHightFlag=1;if (digit2=0)if (isHightFlag=0)digit2=table10;/no echo elsedigit2=tabledigit2;elsedigit2=tabledigit2;isHightFlag=1;if (digit1=0)if (isHightFlag=0)digit1=table10;/no echo elsedigit1=tabledigit1;elsedigit1=tabledigit1;isHightFlag=1; digit0=tabledigit0; /显示程序，把数分到每一位，送显示LCP=0;LCP=0;for (i=0;i4;i+)send_byte(digiti);send_byte(0x00);send_byte(0x00);send_byte(0x00);send_byte(0x00);LCP=1;LCP=1;void main(void) BEEP=0;/ 蜂鸣器初始化while(1) led_display(dacl(); /读值显示if(dacl()=1) /如果值小于1，则发出响声BEEP=!BEEP;delay(100);BEEP=!BEEP;
