智能数字万用表

重庆三峡学院应用技术学院智能仪器仪表综合实训

题目：智能数字万用表的设计

专业：电子信息工程

组员：张巧沈腾飞马英尚

杨刚谢香春

指导老师：谢辉

成绩：

完成时间：2009年10月12日

摘要………………………………………………………

一、引言…………………………………………………

二、数字万用表的基本工作原理………………………

三、智能数字万用表的基本组成………………………

四、芯片介绍……………………………………………

五、数字万用表硬件电路设计…………………………

六、数字万用表软件设计………………………………

七、总结……………………………………………………

八、致谢……………………………………………………

九、参考文献………………………………………………附录

智能数字万用表的设计

摘要

单片数字万用表是指采用单片机来实现万用表的功能，它的主要特点是：实现的功能增多、内部电路简单、测量较准确和耗电量较少等。单片数字万用表能实现的功能有：测量交直流电压、测量交直流电流、测量电阻、测量通断性、测量二极管和测量电容等。单片数字万用表内部电路主要包括：单片机主芯片、A/D 转换器、DCV转换器、AC/DC转换器、I/U转换器、R/U转换器、电源供电电路显示驱动电路。

一、引言

数字万用表亦称数字多用表（DMM），是广大电子技术人员和电子爱好者从事电子测量及维修工作的必备仪表。数字万用表有台式数字万用表和便携式数字万用表。便携式（亦称手持式）数字万用表以其功能完善、通用性强、价格低、耗电省、便于携带等显著优点，深受广大用户的青睐。

数字万用表是在20世纪60年代问世的。我国的数字万用表工业起步于70年代中期，先后经历了引进、发展、技术创新这3个阶段。

目前，我国数字万用表的产量已跃居世界首位，便携式数字万用表的年产量已超过1000万块（台），产品远销世界100多个国家或地区。

对广大用户而言，学会正确使用数字万用表是工作的前提条件，熟悉其工作原理是工作的基础，本文根据数字万用表不同的内部结构简述其工作原理。

数字万用表根据内部结构的不同，可以分为普通数字万用表、单片数字万用表和智能数字万用表。

普通数字万用表是指采用分立电路来实现万用表的功能，它的主要特点是：实现的功能少、内部电路复杂、测量精度较差和耗电量大等。普通万用表能实现的功能有：测量交直流电压、测量交直流电流和测量电阻。有些普通万用表也可以测量二极管和三极管的放大倍数。普通数字万用表内部电路主要包括：直流数字电压表、交流-直流转换电路、电流-电压转换电路、电阻-电压转换电路、电源供电电路和显示驱动电路。普通数字万用表的核心在于直流数字电压表，它由阻

容滤波器、前置放大电路和模数转换电路组成。

二、数字万用表的基本工作原理

普通数字万用表的基本工作原理是检测的信号经万用表的表笔接入万用表，信号进行阻容滤波和前置放大，然后万用表根据用户选择的相应档位进行相应的信号转换、再将模拟信号转换成数字信号，最后将数值经显示驱动电路输出在显示屏幕上。

单片数字万用表是指采用单片机来实现万用表的功能，它的主要特点是：实现的功能增多、内部电路简单、测量较准确和耗电量较少等。单片数字万用表能实现的功能有：测量交直流电压、测量交直流电流、测量电阻、测量通断性、测量二极管和测量电容等。单片数字万用表内部电路主要包括：单片机主芯片、A/D转换器、DCV转换器、AC/DC转换器、I/U转换器、R/U转换器、电源供电电路显示驱动电路。

单片数字万用表的基本工作原理是：万用表根据用户选择的档位将检测的信号进行相应的数值转换，再经单片机进行处理再送至显示驱动电路，最后将相应的数值显示在显示屏幕上。智能数字万用表是指利用DSP、ARM等芯片组成来实现万用表的功能，它的主要特点是：实现的功能全面并可增设许多功能、内部电路较复杂、测量精度高和耗电量低等特点。智能数字万用表包含单片数字万用表的基本电路结构，工作原理同单片数字万用表类似。

三、智能数字万用表的基本组成

智能数字万用表是带微处理器或单片机的高档数字仪表。其主要优点是准度高、功能强，具有自动校准、自动测量、自动数据处理等功能，可通过RS-232或IEEE-488标准接口与计算机相连，实现自动测试及实时控制功能。

智能数字万用表的简化图如下。该仪器是采用一片max134型DMM专用芯片，配80c51单片机、数码显示器、量程及选择开关或者其他接口电路组成的。Max134能提供A/D的转换所需的逻辑电路和计数器、寄存器，通过附加模式选择电路来完成测试。而与单片机都有机结合，充分利用单片机的智能功能可大大提高万用表的技术性能。

U/A/c/f

智能数字万用表的基本原理框图

具有6种主要功能，用一个20档波段开关控制，可以用来测量交流电压（700V

和200V共两档），直流电流（200μA、2mA、20mA、200mA、10A共5档），

NPN和PNP型晶体三极管的HFE参数（1档）、晶体二极管特性和极性（1档）、

电阻（200Ω、2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ共5档）和直流电压（200mV、2V、

20V、200V、1000V共5档），此外还有一个关机（OFF）档。

四、芯片介绍

1、80c51的介绍

Vss(20脚):接地

CC（40脚）: 主电源+5V

XTAL1（19脚）:接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。

在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单

片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）: 接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS 单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。

RST（9脚）: 单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）

PSEN（29脚）: 在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。

ALE/PROG（30脚）:在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。

EA/VPP（31脚）: 当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。在对87C51EPROM编程时，此引脚用于施加编程电压VPP。

输入/输出引脚：

（1）P0.0—P0.7 (39脚—32脚)

（2）P1.0—P1.7 （1脚—8脚）

（3）P2.0—P2.7 （26脚—21脚）

（4）P3.0—P3.7（10脚—17脚）

2、.max134的介绍

Max134是美国maxim公司生产的专配μp的数字万用表芯片，只许配上4位、8位、或16μp，即可构成43/4位智能数字万用表、巡检仪或测试系统。

性能特点：

（1）它采用多重积分式A/D转换器，最大计数通常取﹢3999-－3999。若将备用位(D0)专供μp自动校零用，则为+3999-－3999.

（2）A/D转换准确度位0.025％，最高分辨力达5μV。时钟频率选32768HZ 时，测量速度达20次/秒。片内包含A/D转换器、量程开关、蜂鸣驱动器、有源滤波器及电压检测器，具有完善的数字接口，带BCD码输出，配μ

P后能实现20种功能。

（3）适配8051、8031等单片机。构成智能仪表时，max134能提供A/D转换的所有逻辑电路和计数器、寄存器，通过附加模式选择电路来完成测量。

而量程及模式选择有μP设定，零读数校正亦有μP完成。

（4）配μP和AC/AD变换后，基本量程设置：DCV（400mV、4v、40v、400v 和4000v）；ACV（同DCV，均为有效值）；DCA（400mA）；ACA（400mA 有效值）；欧姆档（400、4K、40K、400K、4M、40M）；检测二极管；检测线路通断。检测电压及电阻时能自动转换量程。

5V双电源供电，工作电流100μA。休眠模式下，（5）采用9v叠层电池或+

—

静态电流仅为25μA。

Max134的管脚

3、74ls164介绍

串行输入带锁存

?时钟输入,串行输入带缓冲

?异步清除

?最高时钟频率可高达36Mhz

?功耗：10mW/bit

? 74系列工作温度：0°C to 70°C ? Vcc最高电压：7V

?输入最高电压：7V

?最大输出驱动能力：

?高电平：－0.4mA

?低电平：8mA

4、mc1403介绍

V in V s

Power O

V S A V

AD737是真有效值变换器

?Cc接电源+5V

? com 接地

? vin接输入

? vo接输出

? -Vs与C A V跨接电容

五、数字万用表硬件设计

1、硬件设计框图

2、Max134与80c51单片机的连接

使用一块74ls164三态同向输入8D锁存器，其输出允许OE接地，使Q1—Q3端总有输出。当地址锁存使能端ALE=1时，80c51的P0.0—P0.3输出锁存在74ls164中。Q1—Q3分别接max134的地址A0—A2,以选择相应地址寄存器。当RD=1时P0.0—P0.3的输出送至max134的相应寄存器中。A/D转换结束信号EOC 送至INT1，使微处理器产生中断。

六、数字万用表软件设计

程序开始时首先应进行系统初始化，包含内存单元初始化、中断允许初始化和串行口工作方式初始化等；然后显示初始值；接在开始查键。如果检测到有键按下，则进入相应的键值处理服务程序，单片机开始对max134进行读/写操作；先将max134设置成相应的测试状态，启动A/D转换器开始采样外部信号，待A/D 转换完成后，产生EOC输出信号送到单片机的INT0；单片机收到信号后，产生中断并进入服务程序，读出max134内部寄存器中的转换结果，并控制max134进行零数据转换；单片机对读取的数据进行零数据校正，并把校正的数据输出显示，完成一次测量。程序主要流程如图所示：

源程序：

AD_DAT EQU P1.2

AD_CLK EQU P1.3

AD_CS EQU P1.4

DISSTART EQU 30H ;显示单元首地址

ORG 0030H

MAIN:

START: MOV 20H,#00H

MOV P1,#0FFH

SETB AD_CS

CLR AD_CLK

SETB AD_DAT

_READ:MOV R0,#08H ;ADC0832初始化SETB AD_CS ;一个转换周期开始

CLR AD_CLK

NOP

CLR AD_CS

NOP ;CS置0，片选有效

SETB AD_DAT ;DI置1，起始位

SETB AD_CLK

NOP

NOP ;第一个脉冲

CLR AD_DAT ;在负跳变之前加一个DI反转操作CLR AD_CLK

SETB AD_DAT;DI置1，设为单通道

NOP

SETB AD_CLK ;第二个脉冲

NOP

CLR AD_DAT ;***

CLR AD_CLK ;

CLR AD_DAT ;DI置0，选择通道0

NOP

SETB AD_CLK ;第三个脉冲

SETB AD_DAT ;***

CLR AD_CLK

_READ_LOOP:

SETB AD_CLK

CLR AD_CLK

CLR C

JNB AD_DAT, _RL_RL

SETB C

_RL_RL:

RLC A

DJNZ R0, _READ_LOOP

MOV 20H,A

MOV R0,#0AH

_READ_LOOP1:

SETB AD_CLK

CLR AD_CLK

DJNZ R0, _READ_LOOP1

SETB AD_CS

CLR AD_CLK

AD_CHULI:

MOV A,20H

MOV B,#51

DIV AB

MOV DISSTART+2,A

MOV A,B ;余数大于1AH．FO为0。乘法溢出。结果加5 CLR F0

SUBB A,#1AH ;相减不够。C=1表示余数小于1 AH(26) MOV F0,C

MOV A ,#10

MUL AB ;余数乘以1O。相当于补0，继续除。

MOV B,#51

DIV AB ;再除以51

JB F0,TBCD1

ADD A,#5

TBCD1:

MOV DISSTART+1,A ;小数后第一位放入DISSTART+1 MOV A,B

CLR F0

SUBB A,#1AH

MOV F0,C

MOV A,#10

MUL AB

MOV B,#51

DIV AB

JB F0,TBCD2

ADD A,#5

TBCD2:

MOV DISSTART,A ;小数后第二位放入DISSTART

ADPLAY:

MOV SCON,#00H ;查询方式发送数据

MOV R0,#DISSTART

MOV R1,#03H

LOOP:

MOV A,@R0

MOV DPTR,#TAB

MOVC A,@A+DPTR

MOV SBUF,A

A1: JBC TI,CONT

SJMP A1

CONT:

INC R0

CLR TI

DJNZ R1,LOOP

DELAY0: MOV R6,#10

DEL2: MOV R7,#50

DEL3: DJNZ R7,DEL3

DJNZ R6,DEL2

LJMP MAIN

TAB: DB 01H, 0E7H, 32H, 0A2H,0E4H

DB 0A8H, 28H, 0E3H, 20H, 0A0H

END

七、总结

为期两周的智能仪器课程设计一晃而过，回想起这段时间的点点滴滴感觉收获颇丰。其中最大的收获是，通过这次自己的亲自动手，我们对智能仪器这一专业或是行业有了更为深刻的体会和了解，隐约中我们似乎看到了自己的前进道路和发展方向。这次实践机会还开阔了我们的视野，增长了许多大学课堂里未曾涉及的知识和方法，让我们受益匪浅。由于经过电子电工实习，这次课程设计显得相对轻松很多，对于整块板子的线路排版和焊接都进行得很顺利，几天下来，我体

会到了埋头苦干的工作热情以及同学间互相帮助的友情，还有从问问题中体现出的师生情意，这些都是上其他理论课所很少看到的。总的来说，这两周我个人的感觉还是不错，一方面临近毕业心理上比较放松，另一方面是老师管的也比较宽松，给了我们比较自由的调配时间。因此，整个过程下来，丝毫没有感到疲惫和压力。相反，当看到自己的电压表正常跳动时，心里不免有一丝淡淡的喜悦和成就感。这几天，虽然也很想回家，但我更希望的是这课程设计时间再长些，内容再多一些，好给我们更多亲自动手的机会。然而，这只不过是个愿望罢了，两周的课程设计就要结束了，只好等待下次机会的再次来临了。

八、致谢

感谢校领导给我们这样的机会，感谢谢辉老师的指导和同学的帮助，才能使我认真完成实训。

十、参考文献

[1] 沙占友，沙江数字万用表功能扩展与应用

[2] 沙占友新型数字万用表原理与应用

[3] 沙占友模拟与数字万用表检测及应用技术

附录