基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字R-V-I測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于AT89S52單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字R-V-I測(cè)試儀，用ADC0809作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，通過相應(yīng)的測(cè)量電路，能夠進(jìn)行電阻及直流電壓、電流的測(cè)量并顯示。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；ADC0809；測(cè)量

0 引言
當(dāng)前大量使用的一種基本的測(cè)量工具，廣泛應(yīng)用于電子及電工測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等智能化測(cè)量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。針對(duì)電阻、電壓及電流三個(gè)基本電量的測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)字多用表。

1 總體設(shè)計(jì)方案
1．1 功能要求
本系統(tǒng)采用8位8路A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809和AT89S52單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)數(shù)字多用表，能進(jìn)行電阻、電壓和電流的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果通過LED數(shù)碼管顯示，通過按鍵進(jìn)行測(cè)量功能轉(zhuǎn)換。電壓測(cè)量范圍為0～20 V，測(cè)量誤差約為±0．02 V；電流測(cè)量范圍為1～100 mA，測(cè)量誤差約為±0．5 mA；電阻測(cè)量范圍為0～100kΩ，1k以內(nèi)測(cè)量誤差約為±2Ω。
1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
圖1為系統(tǒng)框圖。

信號(hào)一起經(jīng)或非門產(chǎn)生ADC0809的啟動(dòng)信號(hào)START和地址鎖存信號(hào)ALE；片選信號(hào)和 信號(hào)一起經(jīng)或非門產(chǎn)生ADC0809的輸出允許信號(hào)OE，OE=1時(shí)，選通三態(tài)門使輸出鎖存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果送入數(shù)據(jù)總線；ADC0809的EOC信號(hào)經(jīng)反相后接到8051的INT1引腳，用于產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換完成中斷請(qǐng)求信號(hào)；ADC0809芯片的3位模擬量輸入通道地址輸入端A、B、C分別接到單片機(jī)的P0．0、P0．1和P0．2，故只要向端口地址分別寫入數(shù)據(jù)00H～07H，即可啟動(dòng)模擬量輸入通道0～7進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。ADC0809的參考正電壓為5V，參考負(fù)電壓為0V，時(shí)鐘輸入為1MHz。
單片機(jī)的P2．1引腳作為數(shù)碼管鎖存器74LS374的片選信號(hào)，片選信號(hào)和信號(hào)一起經(jīng)或非門及反相器接到數(shù)碼管鎖存器74LS374的CLK端，因此顯示器的數(shù)字端口地址為0FDFFH，而單片機(jī)的P1．4～P1．7引腳作為數(shù)碼管的數(shù)位選擇，顯示時(shí)先將數(shù)據(jù)通過數(shù)字端口寫入鎖存器，再通過數(shù)位選擇點(diǎn)亮相應(yīng)的數(shù)碼管。
單片機(jī)的P1．0～P1．2引腳通過一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)接地，通過判斷P1．0～P1．2引腳電平的高低，決定是否進(jìn)行電阻測(cè)量、電壓測(cè)量或電流測(cè)量。由于主控模塊電路比較常規(guī)，此處電路圖略。
2．2 電阻測(cè)量電路
圖2所示為數(shù)字多用表的電阻測(cè)量電路。

運(yùn)算放大電路的反饋電阻RX作為待測(cè)電阻，根據(jù)采樣值RV的大小可以判斷是否需要改變量程，通過改變轉(zhuǎn)換開關(guān)SW2可以改變其量程范圍是1k、10k、100k。考慮到精度問題，沒有把量程繼續(xù)加大。如果開關(guān)SW2接通1kΩ電阻R2，則對(duì)應(yīng)的小繼電器RL2吸合，此時(shí)單片機(jī)會(huì)檢測(cè)到其對(duì)應(yīng)引腳P3．0是低電平。假定運(yùn)算放大理想，那么RW=5RX／R2，將RV送給ADC0809的2通道，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為DV=RV 255／5，單片機(jī)讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再經(jīng)過逆向運(yùn)算可得RX=DV R2／255。
2．3 電壓測(cè)量電路
圖3為數(shù)字多用表的電壓測(cè)量電路。

電壓信號(hào)經(jīng)RV9端對(duì)地輸入。R93、R94對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分壓；TL431和電阻R97、R98產(chǎn)生1．25V的基準(zhǔn)源；LM324構(gòu)成比較器，當(dāng)正端輸入大于負(fù)端輸入時(shí)將輸出高電平，當(dāng)正端輸入小于負(fù)端輸入時(shí)將輸出低電平，RL9為常閉繼電器，01組成開關(guān)電路，當(dāng)LM324輸出高電平時(shí)，01導(dǎo)通，電流經(jīng)R92和01集電極流向繼電器RL9源繞組從而關(guān)斷繼電器。
通過上述分析我們不難得出：當(dāng)輸入信號(hào)小于5V時(shí)，電阻R94端電壓小于1．25V，LM324輸出低電平，01截止，繼電器導(dǎo)通，信號(hào)直接傳遞至AD轉(zhuǎn)換通道0；當(dāng)輸入信號(hào)大于5V而小于20V時(shí)，電阻R94端電壓大于1．25V，LM324輸出高電平，01導(dǎo)通，繼電器截止，信號(hào)經(jīng)R93、R94分壓后，轉(zhuǎn)換為0V～5V信號(hào)傳遞至AD轉(zhuǎn)換的通道1。LM324輸出端通過非門接到單片機(jī)的P2．0口，所以通過判斷P2．0口的電平高低可知是啟動(dòng)AD／轉(zhuǎn)換器的0通道還是1通道，進(jìn)而測(cè)出電壓值。
2．4 電流測(cè)量電路
圖4中所示為數(shù)字多用儀表的電流測(cè)量電路。

電流測(cè)量范圍為1～100mA，因?yàn)锳DC0809是電壓轉(zhuǎn)換器件，必須將電流轉(zhuǎn)換為電壓才能進(jìn)行測(cè)量，這可以通過串接電阻RL來現(xiàn)實(shí)。注意，RL必須很小(如0．1Ω)，否則會(huì)影響電流數(shù)值。由于待測(cè)電流和RL都很小，RL兩端的電壓也很小，必須將其放大到ADC0809能夠分辨的范圍之內(nèi)。假設(shè)待測(cè)電流大小為I，RL兩端節(jié)點(diǎn)的電壓分別為VA和VB，VA經(jīng)過反向放大緩沖電路之后VC=-VA。VA和VB經(jīng)過差分反向放大電路，得

將AV送給ADC0809的3通道轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量為，單片機(jī)讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再經(jīng)過逆向運(yùn)算可得。有兩個(gè)問題值得注意，由于電流的單位是mA，不能直接計(jì)算I的值，應(yīng)先變換為，再進(jìn)行計(jì)算；其次，這么算出來的電流數(shù)值誤差比較大，原因是LM324不是精密理想運(yùn)算放大器，當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí)，誤差比較大。因此需要對(duì)計(jì)算數(shù)值進(jìn)行修正，方法是先計(jì)算DAV 50000，然后將結(jié)果減去102000，再將得到的結(jié)果除以89760，這樣比較準(zhǔn)確。關(guān)于102000這個(gè)數(shù)值，是通過反復(fù)測(cè)試并經(jīng)過曲線擬合得到的。

3 軟件設(shè)計(jì)
圖5為軟件的主程序流程圖。系統(tǒng)軟件主要由初始化模塊、LED顯示模塊、功能判斷模塊及三個(gè)功能子模塊組成。其中電阻測(cè)量模塊主要根據(jù)其電路輸出電壓的采樣值大小，判斷被測(cè)電阻是否在量程內(nèi)，否則要通過顯示模塊給出增加或減小量程的提示，然后根據(jù)不同量程進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算并顯示測(cè)量結(jié)果。電壓測(cè)量模塊主要對(duì)其電路的LM324輸出端口，即通過判斷單片機(jī)的P2．0口的電平高低而決定是啟動(dòng)ADC的0通道還是1通道，進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量和計(jì)算，然后顯示出電壓值。電流測(cè)量模塊主要對(duì)電流的測(cè)量值進(jìn)行修正擬合，減小與實(shí)際值的誤差。

4 結(jié)論
本數(shù)字多用表以AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，以ADC0809為轉(zhuǎn)換器，配以相應(yīng)的測(cè)量電路，完成了對(duì)電阻和直流電壓、電流的測(cè)量功能，電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單、精度比較高、功耗低、可擴(kuò)展性強(qiáng)。能滿足要求不高場(chǎng)合的測(cè)量需求。當(dāng)然本設(shè)計(jì)還有許多不完善的地方，需要繼續(xù)研究改進(jìn)。