基于单片机的万用表设计

【摘 要】单片机技术被广泛的应用于现代的各行各业，针对单片机的设计也千变万化。基于单片机设计的万用表可以用于测量交流电、直流电、电容、电阻和数字显码，本文采用AT89s52单片机设计一个万用表。通过对此系统的设计研究51单片机系统的最好显示情况，各个部分的控制转换情况和报警情况，通过实验提高系统的芯片的稳定性，保证整个系统的精度，通过AD0809芯片进行数据转换，以AT89S52芯片单片机为主要的控制芯片，配合RC上电路复位和震荡电路的结合，显示单片机芯片6122，驱动以八位数码管进行显示。程序在每一次执行的周期中逐步缩减，从而保证整个系统的实时性和有效性。

【关键词】万用表；单片机；设计

0 引言

数字万用表是采用数字测量技术对连续的模拟量进行系统的不确定有效转换，通过离散数字形式显示仪表。原有的指针万用表的功能精度较低，不能较好的满足数字技术的需求，通过采用单片机数字万用表，增加万用表的功能精度，加强其抗干扰的能力，保证效率集中和方便。目前，各类单片机已经广泛的应用于数字万用表、电工测量、工业化自动化仪表、自动化系统智能分析等各个电子行业，显现出其集聚强大的生命力量。数字万用表具有较为清晰直观的数字显示，准确的数位，一般是3位或8位，通过准确的测量，高效的分辨率，宽范围的功能测量，通过输入阻抗较高，集成较高，消耗功率较低的方法进行单片机保护，从而提高单片机的抗干扰能力。本文将针对万用表进行设计，直观的认识其基础的优点，深刻研究万用表的测量方法原理，认识万用表各个部分的结构和测试原则方法。

1 万用表的设计前提

1.1 万用表设计目的

万用表是一种基于电子仪器仪表进行有效测量的基本测量方法，被广泛的应用于电子工业测量和仪表检测方法，伴随着科技的快速发展，万用表的功能越来越扩大，促进电量测量技术水平的不断提高。

1.2 万用表设计的原理依据

根据数字万用表的设计原理，对科学技术进行同步发展，是越来越多的直流电压值、电流值、电阻值和数码值可以有效的显示出来，直流电压的测量范围为200MV至500V，实现了多级的电压测量，直流电流范围为200MA到20A，实现了多级的电流测量，以这种方法进行分析，从而实现更多的相关数据的测量，从而有效的控制电流、电压、电阻和电容数据，及时处理报警问题，及时进行有效的AD转换和控制，使系统可以更加的稳定，保证整个系统数据的精准程度。加强对于不同量程的数据测量之间的有效转换，保证各个部分的电路具有一个较为完整的万用表适用范围，从而解决程序的设计问题，实现设计的正确性和实用性。

2 数字万用表的整体设计

2.1 万用表的设计原理

万用表的功能是可以较好的测量直流电压、直流电流和交流电流以及对电阻进行测量。通过对模数A/D之间的转换，数字显示电路的链接，电压表、电流表、电阻表多个仪器之间的原理的综合，整合出适合目前功能发展的万用表。

2.2 模数A/D之间的转换和数字电路的显示效果

通过物理测量对信号幅值进行大小变化显示出模拟性信号。指针仪表盘可以对模拟的电压和电流进行有效的显示，而对数字仪表需要对模拟信号转换为数字信号，处理显示的存储、运算过程结果。数字信号与模拟信号不通，具有的幅值大小是不相互连续的， 通过二进制数码表示，但是为了能够更好的通过直观的认识和记录数据，需要对进行数码变换，由数码管和液晶屏显示。

2.3 多量程的数字电压表测量

基于万用表进行分级别电压电路测量，扩展直流电压的测量范围，扩展后的多量程分压器的电压为1V、0.1V，一直到0.0001V，所对应的量程为2000、200，一直到2。采用分压电路对电压表进行量程控制，保证在较小的量程上也可以测量出电压表的变化范围，实现电压测量的实际需要。另外，它还可以通过输入不同的电阻产生阻抗，从而提高电路的分压效果。在实际的测量中通过对不同档位进行分压和控制电阻值，尽管万用表的最大档位量程为2000V，但是实际上为了考虑万用表的耐用性和安全性，一般会设定其最大的电压量程为1000V，在测量过程中需要对转换开关进行控制，保证其数为的自动调整效果，使读者可以很容易的完成数据测量

2.4 多量程的数字电流表测量

测量电流的方法是通过欧姆定律对适合的电阻进行电流测量，逐渐形成各类电压值的测量和电流值的比对。在实际的使用过程中，由于换挡开关接触不良，造成万用表的电压可以会产生过载问题，计算最大万用表的电流值和电阻值，保证万用表的使用寿命。电流过大会造成电阻丝快速被熔断，超过电流保护的作用，采用两只反向分流电阻进行并联二极管，使其二者可以对对向的电压进行有效保护。在正常测量过程中，输入的电压小于二极管的正方向导通电流电压，一旦输入较大的电压，二极管导通，使两端的电压被抑制，从而保护仪表不受损害，达到保护万用表的作用。

2.5 交流电压的测量原理

万用表中的交流电压、电流测量电路通过对直流电压、电量进行电路测量外，可以通过分压器进行分流，采用AD-DC变换器进行，通过集成运算放大器，二极管和RC滤波器组成一个可以对输出电压高低进行电位调整的电位器，从而通过对交流电压档位进行有效的矫正，调整电位器的数字表头的显示值可以为交流电压的有效值。

2.6 电阻值和电容值的测量的方法

万用表中的各类电阻采用比例测量法进行测量电阻。由稳定的ZD进行准确的准电压、准电流测量，确保被测电阻的电流基本相同，就可以得到较高的阻抗值，A/D转换器电压与电流有一定的特性，选取不同的标准电阻进行数据定位测量，保证不同的电阻测量值。例如，对于200档，选取=100，小数点定于十分位上，当=100时，表头会显示出100，当变化时，显示的数值也随之变化。由正温度系统热敏电阻、晶体管一同组成过压保护系统电路，从而防止电阻对电压的集成电路损害。当晶体管发射极发生击穿反应，使输入的电压逐步升高，电流的增加造成发热现象的产生，电阻值快速增加，遏制了电流的增加，防止因击穿电流超过额定范围，保护万用表电路。电容测量值需要电容进行充放电的电压和时间保持一致，确保电压和时间从而有效的算出电容值。

3 万用表的电路设计和芯片的选择

电路设计：

以单片机AT89S52和ADC0809对系统进行数字万用表设置，配合合理的分流电阻值和分压电阻值，与基准的电阻值相互比较测量交流电压、直流电压、交流电流、直流电流及数码显示四位系统，从而实现四位量级成度的直流电压的测量，控制电压分为为500伏、200伏、20伏和2伏从而实现四级别程度的交流电压测量，设置2安、200毫安、20毫安和2毫安四个级别的电流范围，设置2M、200K、20K和2K四个级别的电阻测量范围，防止因超范围造成报警现象的产生。

万用表中单片机系统功能的描述：

AT89S52是一种具有较低的功耗、较高的性能的微控制器械，具有8k的flash可编程控制存储系统，通过与80C51上的指令和引脚进行兼容，保证flash程序存储系统的可编程效果，在单片机上，采用灵巧的八位CPU进行系统编程，促使总过的嵌入式控制系统可以更灵活的解决方案。AT89S52具有8k字节的flash，256字节的RAM，32位的I/O组下口，2个数据指针，3个16位的定时器，一个6向量的2级中断结构，具有全双工的行口，单片机内的晶振和时钟电路。另外，AT89S52通过对0HZ的静态逻辑控制操作，使两种以上的软件可以进行节电模式。在空闲模式下，CPU会停止工作，允许RAM、定时器、串口、计数器。在掉电保护下，RAM的内容将被保存下来，振荡器随之被冻结，单片机停止工作，知道硬件复位。

PO口是一个八位漏极的开口双向I/O口，通过输出口，每一个可以驱动8个TTL逻辑电平，PO具有内部上拉电阻，在flash编程过程中，PO口可以用来接收指令字节符。，程序通过校验，完成指令符号的输出。P2口是一个内部上拉式电阻的八位双向的I/O口，P4输出端口具有缓冲器，可以驱动4个TTL逻辑电平，在P1端口写“1”，内部上拉电阻拉高端口，作为输入口使用。P2口是内部上拉的电阻8位双向I/O口，P2输出的缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平，对P2端口写“1”，内部的上拉电阻把端口拉高，也可作为输入口使用。P3口是内部上拉8位电阻的双向I/O口，P2输出的缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平，P3端口写“1”，内部的上拉电阻把端口拉高，作为输入口使用，P3口具有接受控制信号。RST复位输入，RST持续周期高电平对单片机复位，当看到计时完成后，RST脚输出96个高电平的晶振周期，特殊寄存器AUCR上的DISRTO可以使用的功能无效，DISRTO在默认情况下复位高电平有效。

在一般的情况下，ALE以晶振为六分之一的固定频率输出脉冲，通过外部定时器或时钟进行使用，在每次的访问中，数据存储器ALE脉冲将会跳过，通过地址为8位的SER的0位置“1”，执行WOVX使指令有效，否则，ALE将被微弱的拉高。

4 万用表的硬件设计系统的实现

4.1 分模块简述系统内部可以实现的方法

由于高压的交流电会造成对弱点系统产生一定的干扰，直接影响整个系统的稳定性，而电池存在一定的电源在维护和电流电压的衰减等问题，通过对外部电源的供电处理，可以保证12伏的交流稳压电源输入，是电池的容量增大，防止电压衰减，使其输出电压稳定。

4.2 输入端口

在测量输入端经过的电流时通过使用电笔对输入端进行电流测量，保证电流电压过大造成烧毁二极管的问题，影响电路的输入和输出。

4.3 分流电阻电路和分压电阻电路

按照一定规律的R8与R12的电阻组合结构完成精密的电阻分流器设备，从而实现电流分流的目的，例如，20A的电流衰减到200MA，通过参考电压计算实际的电流值。通过R2与R16组合的电阻构成较为精密的电阻分压器电路，从而实现对打电压进行分流的目的，例如，500V电压衰减到200MV，通过测定参考电压可以实现对于电压值的计算。

4.4 基准电阻电路

通过利用电压表对多量程的电阻表进行测量，以比例法测量万用表的电阻范围，使其精准度高，保证耗电小，在这种电路中的电阻配置称为“基准电阻”。通过对各个接点测量得出不同的基准电阻，由AD009电压与被测电阻上得出的电压进行数值对比，若两种电压值相等，可以将AD0809的另外一段与AT89C52的控制点进行衔接，当LED的屏幕上有显示，及可以读出被测量的电阻值。

4.5 交直流电的处理电路与ADC0809转换电路

通过对电路对交直流电路进行有效的控制，调节可变电阻从而减少电压的损耗。通过ADC0809转换电路对数据进行处理，在数码管上显示出相对电压值，即实际显示的电压值。

4.6 报警电路

通过检测预定变得峰值确定单片机输出高电平，Q1导通，LS1对地导通，发出蜂鸣的响声。7 单片机的最小电路

通过采用AT89S52单片机作为主控芯片，配合RC上电复位的电路和11.0592MHz的震荡电路，是系统可以稳定的运行，P0口是ADC0809的数据总线，p1.0-p1.7是8255单片机的信号输入端口，可以使单片机检测出相关的测量范围和物理量值。

4.7 电路的显示、开通工作过程

通过SPI总线的LED驱动器TEC6122来驱动8位的数码管，使整个电路系统得到较快的系统响应，提高精准度显示，采用四合一的数码管，减少PCB表面的走线从而提高整个系统的稳定性问题。通过对8255的量程进行选择和控制，使单片机可以测量出物理量程范围，采用万用表开关可以手动完成量程的转换工作，保证测量值的合理性。通过采用正确的程序电路对系统中的各个芯片进行组合完成工作，当开关的测量电压、电流和电阻时，对不同的量程需要采用不同的量程开关，保证测量数据的准确性，AT89s52的P0口是ADC0809的数据总线，P2.4、P2.5、P2.6可以显示芯片的SPI总线的输出，P1.0、P1.1、P1.2、P3.2是ADC0809的控制线。ADC0809通过对单片机识别的值进行测量保证输出程序的控制量，在显示芯片上显示数据。显示芯片根据的程序显示内容，按要求完成4位数码显示工作，TEC6122芯片为8位数码驱动显示的，因此不接上数码管TYP2也是可以满足设计电路的基本要求，接上数码管TYP2可以满足8位驱动芯片的有效工作。

5 万用表的故障分析

一个有故障的万用表需要对相关参数进行适当的检测，首先要分析故障产生的部位，根据线路图找出故障相关位置从而更好的完成更换或修复工作，由于万用表具有的精密测量的特点，每一个相关参数的原件都需要具有相同的参数，特别是更换A/D转换器，一定需要采用厂家提供的标准配备的集成块，否则会造成误差直接影响测量结果的准确性。新的A/D转换器也需要进行检查，不能因新而认为具有准确的精度，保证实验最终结果的准确。

6 结语

综上所述，通过对于单片机的万用表设计进行合理的分析和研究，对万用表的单片机芯片和硬件设备进行系统的研究，从中认识到单片机万用表的工作原理，以便在以后的工作和生活中更好的运用单片机万用表完成各类直流电、交流电的电压、电流、电阻、电容数据测量，以更加精准的数据作为实验中的参考数据，完成应有的参数配比，保证电子工作元器件的相关数据的准确性。日常生活中，从自己的需要出发，如果要求不高可以选择测量范围和精度不高的台式万用表，如果测量精度数据高，用于修理仪器使用，对测量的数据稳定性要求高则应当选用一个手持式的万用表。

【参考文献】

[1]孙立群.万用表测量电子元器件技能速成[M].机械工业出版社，2013.

[2]门宏.图解万用表测量技术与技巧[M].机械工业出版社，2014.

[3]孙立群.万用表使用从入门到精通[M].人民邮电出版社，2012.

[4]杨清德.图说万用表使用入门[M].机械工业出版社，2011.

[责任编辑：薛俊歌]

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