基于单片机的数字万用课程设计(2)

并联比较型模数转换器转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越精细，精度越高。这种转换器的最大优点是具有较快的转换速度，但所用的比较器及其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路将越复杂。由此可知，该类型的模数转换器适用于高速度、低精度要求的场合。

方案选择：三个方案相比较，方案一中的积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，难以满足本系统的实时性要求。与方案一和方案二相比，方案三中的并联型模数转换器转换速度更高，但是当精度要求较高时，转换电路将变得复杂且成本较高，因此，选择方案二的逐次比较型模数转换器，拥有中等的转换速度，且可以达到一定的精度水平。

2.1.2 显示器方案

方案一：LED（Light Emitting Diode）数码管显示器

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形，并加上小数点共八个发光二极管构成。这些发光二极管构成段，当特定的段被加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们能看到的字样。LED数码管通常能够显示的数字和字母有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

LED数码管的驱动形式通常分为静态式和动态式两类：

（1）静态驱动也称直流驱动，是指每个数码管的每一个段码，都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用BCD码的二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，但缺点也比较明显，占的用I/O口很多，耗费了单片机的资源并增加了硬体电路的复杂性。

（2）动态驱动是将所有数码管的各个显示段的同名端相连，另外为每个数码管的公共端增加位选通电路。使用时，控制电路根据数码管选取的不同，在特定的位置上显示字符。透过分时技术轮流地控制每个数码管，使各个数码管轮流进行发光显示，由于人眼的视觉残留现象及LED的余辉效应，会出现各个位上的数码管在同时显示的假象。相比静态驱动，动态驱动节省单片机的I/O口，硬件电路更加简化，但显示亮度会明显降低且可能有闪烁感。

方案二：1602液晶显示器

1602液晶显示器是一个两行每行16个5×7点阵字符的微型液晶显示器，可以显示较多ASCII标准的字符。1602液晶只有16个引脚，仅包含必要的数据线及数根控制线。

1602液晶显示的不需要占用单片机大量的扫描时间，而仅在需要显示的时候调用液晶的控制子函数即可。而且1602液晶可以通过ASCII码来显示字符，并在内部集成了存储160个字符ASCII码的寄存器，可以直接显示ASCII码表示的字符。而且液晶能比数码管显示更多的字符，增强了系统显示输出的可读性和直观性。

方案选择：与方案二相比，方案一中的数码管，虽然成本较低，但是耗费大量的单片机资源，不利于后续系统的设计。而且液晶显示的视觉效果和可读性远优于数码管，且节省单片机资源，因此选择方案二。 2.2 确定设计方案

经过了上述的比较，最终的方案是：使用逐次比较型模数转换芯片，获取系统良好的实时性及相对高的精度；使用1602液晶作为数据输出显示器，提高系统的人机交互方面的友好性。

3 系统硬件分析及设计

3.1 数字万用表的基本原理

数字万用表的基本功能是，能够测量直流电压、电流以及电阻的阻值，数字万用表的基本组成由图4所示，其中，模数转换是数字万用表的核心：

图4 数字万用表的基本原理图

3.1.1 模数转换及显示电路原理

实际的物理量都是幅值大小连续变化的模拟量，或称为模拟信号。旧式的指针万用表可以直接对模拟电压、电流进行测量并显示。对于数字万用表，则需要把模拟量（多

是电压量）转换为数字信号的形式，通过相关的处理（包括存储、传输、计算等）再进行显示。数字信号是量化的模拟信号，若将最小的量化单位记为Δ，那么数字信号的大小一定为Δ的整数倍。该倍数可以用二进制数码表示，但为了便于直观地读数，通常把数码进行译码后，由数码管或液晶屏幕显示。

当模拟信号经过量化之后，还需要进行编码处理，是用二进制码组表示固定电平的量化值。目前普遍使用的是非线性的8位二进制编码，可以将输入的幅度范围分成256个量化级。

由此可知，数字万用表测量的核心步骤是模数转换以及译码显示，其中模数转换又可以分为量化及编码两大步骤。 3.1.2 多量程数字电压表原理

图5 分压电路的原理

如图5所示，在基准数字电压表头前加上一级电压信号衰减电路（分压电路），可以扩展直流电压测量的量程。图中，Vo为输出电压，基准电压表的量程为2V，四个分压电阻串联值为10MΩ，则第4个开关接入时输入电压Vi可以达到2000V，同理可得其他档位量程分别为2V、20V、200V、200V。但基于测试安全性，第4档测试电压不应高于500V。

3.1.3 多量程数字电流表原理

图6 分流电路的原理

如图6电路所示，万用表测量电流的原理是，用合适的取样电阻，将待测的电流量根据欧姆定律转换为电压量，才能进行测量。若取样电阻阻值为R，根据欧姆定律，可以获得被测电流Ii的值。

在基准数字电流表头前在加上电流信号衰减电路（分流电路），即可实现直流电流测量量程的扩展。如上图所示，四个电阻串联值是1kΩ，若选取第1挡，并使输出电压不超过2V，即可计算出Ii必须小于等于2mA。同理可计算出其他档位的满量程电流分别为20mA、200mA、2A。 3.1.4 电阻测量原理

图7 电阻-电压变换电路的原理

数字万用表通常采用电阻-电压变换电路来测量电阻（欧姆档）。如图7所示电路，VDZ1是2.7V稳压管，是一种用特殊工艺制造的硅半导体二极管（康华光，2006）。VT1、VT2、VDZ1组成恒流源，保持V3的值恒定不变。V3的值等于V1电压减去VDZ1上的电压，约为2.3V。VT3的基极电压亦保持不变，若VT3基极和发射极之间的电压为0.5V，则可知V2的值恒为2.8V左右，并可得出VT3集电极电流的IC3也是恒定的。

其中，接在VT3的发射极上的一组电阻是基准电阻，按档位不同分别是：2.2kΩ、22kΩ、220kΩ、2MΩ。通过选择不同的档位开关，可以得到恒定的、不同倍率的电流IC3，它的电流分别是1mA、0.1mA、0.01mA、0.001mA。RX是待测电阻，接在VT3的集电极上，当恒定电流IC3流经时，产生电压VX，测量VX则可推算出待测电阻的阻值。RW用于调整恒流源IC3的大小，VD3作为保护管，当电阻档所加的电压过高时，VD3对VT3有保护作用。

3.2 硬件系统总体设计框图

如图8所示，本设计将由以下几大部分组成。包括：复位电路、震荡电路、A/D转换和控制、测量值输出、超量程报警和档位选择。

其中，复位电路用于单片机上电复位使系统清零；震荡电路为单片机提供精确的时钟频率，使电路工作更加稳定；A/D转换和控制部分负责模数转换及输入输出信号的控制；测量值输出则负责显示待测物理量大小的数值；超量程报警用于超出量程范围时的报警提示，提醒使用者更换量程。

3.3 硬件电路所用芯片及元件介绍

3.3.1 STC的89C52单片机的特点及功能介绍

（1）89C52单片机的主要特点及功能特性

图8 硬件系统总体设计框图

89C52是一款低电压，高性能的8位CMOS型单片机，片内有8k字节以Flash闪存为介质的，能擦写的只读程序存储器及256字节的随机存取数据存储器。89C52型单片机仍属于51单片机家族群，都支持一个共同的指令集（MSC-51），但各自拥有不同的存储器容量及端口设置等内置资源，使其更符合成本效益的需要，满足特定的场合的生产需求。 …… 此处隐藏：2750字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……