基于單片機的簡易數(shù)字R-V-I測試儀的設(shè)計

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

0 引言
    當前大量使用的一種基本的測量工具，廣泛應(yīng)用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強大的生命力。針對電阻、電壓及電流三個基本電量的測量，本文設(shè)計了一個簡易的數(shù)字多用表。

1 總體設(shè)計方案
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，設(shè)計了一臺數(shù)字多用表，能進行電阻、電壓和電流的測量，測量結(jié)果通過LED數(shù)碼管顯示，通過按鍵進行測量功能轉(zhuǎn)換。電壓測量范圍為0～20 V，測量誤差約為±0．02 V；電流測量范圍為1～100 mA，測量誤差約為±0．5 mA；電阻測量范圍為0～100kΩ，1k以內(nèi)測量誤差約為±2Ω。
1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖
    圖1為系統(tǒng)框圖。

    本多用表由以下幾部分功能組成：電源模塊、復(fù)位／振蕩電路、功能選擇電路、LED顯示模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、電阻測量電路、電壓測量電路、電流測量電路以及A／D驅(qū)動電路等。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
    針對設(shè)計要求和各模塊的要求，我們對各元件進行了選型并設(shè)計了具體電路。
2．1 主控模塊
    單片機通過線選方式擴展了A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809和4位LED數(shù)碼管，單片機的P2．7引腳作為ADC0809的片選信號，因此A／D轉(zhuǎn)換器的端口地址為7FFFH；片選信號和信號一起經(jīng)或非門產(chǎn)生ADC0809的啟動信號START和地址鎖存信號ALE；片選信號和 信號一起經(jīng)或非門產(chǎn)生ADC0809的輸出允許信號OE，OE=1時，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)換完成中斷請求信號；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，即可啟動模擬量輸入通道0～7進行A／D轉(zhuǎn)換。ADC0809的參考正電壓為5V，參考負電壓為0V，時鐘輸入為1MHz。
    單片機的P2．1引腳作為數(shù)碼管鎖存器74LS374的片選信號，片選信號和信號一起經(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，而單片機的P1．4～P1．7引腳作為數(shù)碼管的數(shù)位選擇，顯示時先將數(shù)據(jù)通過數(shù)字端口寫入鎖存器，再通過數(shù)位選擇點亮相應(yīng)的數(shù)碼管。
    單片機的P1．0～P1．2引腳通過一個轉(zhuǎn)換開關(guān)接地，通過判斷P1．0～P1．2引腳電平的高低，決定是否進行電阻測量、電壓測量或電流測量。由于主控模塊電路比較常規(guī)，此處電路圖略。
2．2 電阻測量電路
    圖2所示為數(shù)字多用表的電阻測量電路。

    運算放大電路的反饋電阻RX作為待測電阻，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?？紤]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，則對應(yīng)的小繼電器RL2吸合，此時單片機會檢測到其對應(yīng)引腳P3．0是低電平。假定運算放大理想，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，單片機讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再經(jīng)過逆向運算可得RX=DV R2／255。
2．3 電壓測量電路
    圖3為數(shù)字多用表的電壓測量電路。

    電壓信號經(jīng)RV9端對地輸入。R93、R94對輸入信號進行分壓；TL431和電阻R97、R98產(chǎn)生1．25V的基準源；LM324構(gòu)成比較器，當正端輸入大于負端輸入時將輸出高電平，當正端輸入小于負端輸入時將輸出低電平，RL9為常閉繼電器，01組成開關(guān)電路，當LM324輸出高電平時，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：當輸入信號小于5V時，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，信號直接傳遞至AD轉(zhuǎn)換通道0；當輸入信號大于5V而小于20V時，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，信號經(jīng)R93、R94分壓后，轉(zhuǎn)換為0V～5V信號傳遞至AD轉(zhuǎn)換的通道1。LM324輸出端通過非門接到單片機的P2．0口，所以通過判斷P2．0口的電平高低可知是啟動AD／轉(zhuǎn)換器的0通道還是1通道，進而測出電壓值。
2．4 電流測量電路
    圖4中所示為數(shù)字多用儀表的電流測量電路。

    電流測量范圍為1～100mA，因為ADC0809是電壓轉(zhuǎn)換器件，必須將電流轉(zhuǎn)換為電壓才能進行測量，這可以通過串接電阻RL來現(xiàn)實。注意，RL必須很小(如0．1Ω)，否則會影響電流數(shù)值。由于待測電流和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)待測電流大小為I，RL兩端節(jié)點的電壓分別為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，單片機讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再經(jīng)過逆向運算可得。有兩個問題值得注意，由于電流的單位是mA，不能直接計算I的值，應(yīng)先變換為，再進行計算；其次，這么算出來的電流數(shù)值誤差比較大，原因是LM324不是精密理想運算放大器，當輸入信號很小時，誤差比較大。因此需要對計算數(shù)值進行修正，方法是先計算DAV 50000，然后將結(jié)果減去102000，再將得到的結(jié)果除以89760，這樣比較準確。關(guān)于102000這個數(shù)值，是通過反復(fù)測試并經(jīng)過曲線擬合得到的。

3 軟件設(shè)計
    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功能子模塊組成。其中電阻測量模塊主要根據(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)不同量程進行相應(yīng)計算并顯示測量結(jié)果。電壓測量模塊主要對其電路的LM324輸出端口，即通過判斷單片機的P2．0口的電平高低而決定是啟動ADC的0通道還是1通道，進行相應(yīng)的測量和計算，然后顯示出電壓值。電流測量模塊主要對電流的測量值進行修正擬合，減小與實際值的誤差。

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