基于單片機的萬用表設計

周 艷

（渤海大學工學院，遼寧 錦州121000）

0 引言

數字萬用表是采用數字測量技術對連續的模擬量進行系統的不確定有效轉換，通過離散數字形式顯示儀表。原有的指針萬用表的功能精度較低，不能較好的滿足數字技術的需求，通過采用單片機數字萬用表，增加萬用表的功能精度，加強其抗干擾的能力，保證效率集中和方便。目前，各類單片機已經廣泛的應用于數字萬用表、電工測量、工業化自動化儀表、自動化系統智能分析等各個電子行業，顯現出其集聚強大的生命力量。數字萬用表具有較為清晰直觀的數字顯示，準確的數位，一般是3位或8位，通過準確的測量，高效的分辨率，寬范圍的功能測量，通過輸入阻抗較高，集成較高，消耗功率較低的方法進行單片機保護，從而提高單片機的抗干擾能力。本文將針對萬用表進行設計，直觀的認識其基礎的優點，深刻研究萬用表的測量方法原理，認識萬用表各個部分的結構和測試原則方法。

1 萬用表的設計前提

1.1 萬用表設計目的

萬用表是一種基于電子儀器儀表進行有效測量的基本測量方法，被廣泛的應用于電子工業測量和儀表檢測方法，伴隨著科技的快速發展，萬用表的功能越來越擴大，促進電量測量技術水平的不斷提高。

1.2 萬用表設計的原理依據

根據數字萬用表的設計原理，對科學技術進行同步發展，是越來越多的直流電壓值、電流值、電阻值和數碼值可以有效的顯示出來，直流電壓的測量范圍為200MV至500V，實現了多級的電壓測量，直流電流范圍為200MA到20A，實現了多級的電流測量，以這種方法進行分析，從而實現更多的相關數據的測量，從而有效的控制電流、電壓、電阻和電容數據，及時處理報警問題，及時進行有效的AD轉換和控制，使系統可以更加的穩定，保證整個系統數據的精準程度。加強對于不同量程的數據測量之間的有效轉換，保證各個部分的電路具有一個較為完整的萬用表適用范圍，從而解決程序的設計問題，實現設計的正確性和實用性。

2 數字萬用表的整體設計

2.1 萬用表的設計原理

萬用表的功能是可以較好的測量直流電壓、直流電流和交流電流以及對電阻進行測量。通過對模數A/D之間的轉換，數字顯示電路的鏈接，電壓表、電流表、電阻表多個儀器之間的原理的綜合，整合出適合目前功能發展的萬用表。

2.2 模數A/D之間的轉換和數字電路的顯示效果

通過物理測量對信號幅值進行大小變化顯示出模擬性信號。指針儀表盤可以對模擬的電壓和電流進行有效的顯示，而對數字儀表需要對模擬信號轉換為數字信號，處理顯示的存儲、運算過程結果。數字信號與模擬信號不通，具有的幅值大小是不相互連續的，通過二進制數碼表示，但是為了能夠更好的通過直觀的認識和記錄數據，需要對進行數碼變換，由數碼管和液晶屏顯示。

2.3 多量程的數字電壓表測量

基于萬用表進行分級別電壓電路測量，擴展直流電壓的測量范圍，擴展后的多量程分壓器的電壓為1V、0.1V，一直到0.0001V，所對應的量程為2000、200，一直到2。采用分壓電路對電壓表進行量程控制，保證在較小的量程上也可以測量出電壓表的變化范圍，實現電壓測量的實際需要。另外，它還可以通過輸入不同的電阻產生阻抗，從而提高電路的分壓效果。在實際的測量中通過對不同檔位進行分壓和控制電阻值，盡管萬用表的最大檔位量程為2000V，但是實際上為了考慮萬用表的耐用性和安全性，一般會設定其最大的電壓量程為1000V，在測量過程中需要對轉換開關進行控制，保證其數為的自動調整效果，使讀者可以很容易的完成數據測量

2.4 多量程的數字電流表測量

測量電流的方法是通過歐姆定律對適合的電阻進行電流測量，逐漸形成各類電壓值的測量和電流值的比對。在實際的使用過程中，由于換擋開關接觸不良，造成萬用表的電壓可以會產生過載問題，計算最大萬用表的電流值和電阻值，保證萬用表的使用壽命。電流過大會造成電阻絲快速被熔斷，超過電流保護的作用，采用兩只反向分流電阻進行并聯二極管，使其二者可以對對向的電壓進行有效保護。在正常測量過程中，輸入的電壓小于二極管的正方向導通電流電壓，一旦輸入較大的電壓，二極管導通，使兩端的電壓被抑制，從而保護儀表不受損害，達到保護萬用表的作用。

2.5 交流電壓的測量原理

萬用表中的交流電壓、電流測量電路通過對直流電壓、電量進行電路測量外，可以通過分壓器進行分流，采用AD-DC變換器進行，通過集成運算放大器，二極管和RC濾波器組成一個可以對輸出電壓高低進行電位調整的電位器，從而通過對交流電壓檔位進行有效的矯正，調整電位器的數字表頭的顯示值可以為交流電壓的有效值。

2.6 電阻值和電容值的測量的方法

萬用表中的各類電阻采用比例測量法進行測量電阻。由穩定的ZD進行準確的準電壓、準電流測量，確保被測電阻的電流基本相同，就可以得到較高的阻抗值，A/D轉換器電壓與電流有一定的特性，選取不同的標準電阻進行數據定位測量，保證不同的電阻測量值。例如，對于200檔，選取=100，小數點定于十分位上，當=100時，表頭會顯示出100，當變化時，顯示的數值也隨之變化。由正溫度系統熱敏電阻、晶體管一同組成過壓保護系統電路，從而防止電阻對電壓的集成電路損害。當晶體管發射極發生擊穿反應，使輸入的電壓逐步升高，電流的增加造成發熱現象的產生，電阻值快速增加，遏制了電流的增加，防止因擊穿電流超過額定范圍，保護萬用表電路。電容測量值需要電容進行充放電的電壓和時間保持一致，確保電壓和時間從而有效的算出電容值。

3 萬用表的電路設計和芯片的選擇

電路設計：

以單片機AT89S52和ADC0809對系統進行數字萬用表設置，配合合理的分流電阻值和分壓電阻值，與基準的電阻值相互比較測量交流電壓、直流電壓、交流電流、直流電流及數碼顯示四位系統，從而實現四位量級成度的直流電壓的測量，控制電壓分為為500伏、200伏、20伏和2伏從而實現四級別程度的交流電壓測量，設置2安、200毫安、20毫安和2毫安四個級別的電流范圍，設置2M、200K、20K和2K四個級別的電阻測量范圍，防止因超范圍造成報警現象的產生。

萬用表中單片機系統功能的描述：AT89S52是一種具有較低的功耗、較高的性能的微控制器械，具有8k的flash可編程控制存儲系統，通過與80C51上的指令和引腳進行兼容，保證flash程序存儲系統的可編程效果，在單片機上，采用靈巧的八位CPU進行系統編程，促使總過的嵌入式控制系統可以更靈活的解決方案。AT89S52具有8k字節的flash，256字節的RAM，32位的I/O組下口，2個數據指針，3個16位的定時器，一個6向量的2級中斷結構，具有全雙工的行口，單片機內的晶振和時鐘電路。另外，AT89S52通過對0HZ的靜態邏輯控制操作，使兩種以上的軟件可以進行節電模式。在空閑模式下，CPU會停止工作，允許RAM、定時器、串口、計數器。在掉電保護下，RAM的內容將被保存下來，振蕩器隨之被凍結，單片機停止工作，知道硬件復位。

PO口是一個八位漏極的開口雙向I/O口，通過輸出口，每一個可以驅動8個TTL邏輯電平，PO具有內部上拉電阻，在flash編程過程中，PO口可以用來接收指令字節符。，程序通過校驗，完成指令符號的輸出。P2口是一個內部上拉式電阻的八位雙向的I/O口，P4輸出端口具有緩沖器，可以驅動4個TTL邏輯電平，在P1端口寫“1”，內部上拉電阻拉高端口，作為輸入口使用。P2口是內部上拉的電阻8位雙向I/O口，P2輸出的緩沖器能 驅動4個TTL邏輯電平，對P2端口寫“1”，內部的上拉電阻把端口拉高，也可作為輸入口使用。P3口是內部上拉8位電阻的雙向I/O口，P2輸出的緩沖器可以驅動4個TTL邏輯電平，P3端口寫“1”，內部的上拉電阻把端口拉高，作為輸入口使用，P3口具有接受控制信號。RST復位輸入，RST持續周期高電平對單片機復位，當看到計時完成后，RST腳輸出96個高電平的晶振周期，特殊寄存器AUCR上的DISRTO可以使用的功能無效，DISRTO在默認情況下復位高電平有效。

在一般的情況下，ALE以晶振為六分之一的固定頻率輸出脈沖，通過外部定時器或時鐘進行使用，在每次的訪問中，數據存儲器ALE脈沖將會跳過，通過地址為8位的SER的0位置“1”，執行WOVX使指令有效，否則，ALE將被微弱的拉高。

4 萬用表的硬件設計系統的實現

4.1 分模塊簡述系統內部可以實現的方法

由于高壓的交流電會造成對弱點系統產生一定的干擾，直接影響整個系統的穩定性，而電池存在一定的電源在維護和電流電壓的衰減等問題，通過對外部電源的供電處理，可以保證12伏的交流穩壓電源輸入，是電池的容量增大，防止電壓衰減，使其輸出電壓穩定。

4.2 輸入端口

在測量輸入端經過的電流時通過使用電筆對輸入端進行電流測量，保證電流電壓過大造成燒毀二極管的問題，影響電路的輸入和輸出。

4.3 分流電阻電路和分壓電阻電路

按照一定規律的R8與R12的電阻組合結構完成精密的電阻分流器設備，從而實現電流分流的目的，例如，20A的電流衰減到200MA，通過參考電壓計算實際的電流值。通過R2與R16組合的電阻構成較為精密的電阻分壓器電路，從而實現對打電壓進行分流的目的，例如，500V電壓衰減到200MV,通過測定參考電壓可以實現對于電壓值的計算。

4.4 基準電阻電路

通過利用電壓表對多量程的電阻表進行測量，以比例法測量萬用表的電阻范圍，使其精準度高，保證耗電小，在這種電路中的電阻配置稱為“基準電阻”。通過對各個接點測量得出不同的基準電阻，由AD009電壓與被測電阻上得出的電壓進行數值對比，若兩種電壓值相等，可以將AD0809的另外一段與AT89C52的控制點進行銜接，當LED的屏幕上有顯示，及可以讀出被測量的電阻值。

4.5 交直流電的處理電路與ADC0809轉換電路

通過對電路對交直流電路進行有效的控制，調節可變電阻從而減少電壓的損耗。通過ADC0809轉換電路對數據進行處理，在數碼管上顯示出相對電壓值，即實際顯示的電壓值。

4.6 報警電路

通過檢測預定變得峰值確定單片機輸出高電平，Q1導通，LS1對地導通，發出蜂鳴的響聲。7單片機的最小電路

通過采用AT89S52單片機作為主控芯片，配合RC上電復位的電路和11.0592MHz的震蕩電路，是系統可以穩定的運行，P0口是ADC0809的數據總線，p1.0-p1.7是8255單片機的信號輸入端口，可以使單片機檢測出相關的測量范圍和物理量值。

4.7 電路的顯示、開通工作過程

通過SPI總線的LED驅動器TEC6122來驅動8位的數碼管，使整個電路系統得到較快的系統響應，提高精準度顯示，采用四合一的數碼管，減少PCB表面的走線從而提高整個系統的穩定性問題。通過對8255的量程進行選擇和控制，使單片機可以測量出物理量程范圍，采用萬用表開關可以手動完成量程的轉換工作，保證測量值的合理性。通過采用正確的程序電路對系統中的各個芯片進行組合完成工作，當開關的測量電壓、電流和電阻時，對不同的量程需要采用不同的量程開關，保證測量數據的準確性，AT89s52的P0口是ADC0809的數據總線，P2.4、P2.5、P2.6可以顯示芯片的SPI總線的輸出，P1.0、P1.1、P1.2、P3.2是ADC0809的控制線。ADC0809通過對單片機識別的值進行測量保證輸出程序的控制量，在顯示芯片上顯示數據。顯示芯片根據的程序顯示內容，按要求完成4位數碼顯示工作，TEC6122芯片為8位數碼驅動顯示的，因此不接上數碼管TYP2也是可以滿足設計電路的基本要求，接上數碼管TYP2可以滿足8位驅動芯片的有效工作。

5 萬用表的故障分析

一個有故障的萬用表需要對相關參數進行適當的檢測，首先要分析故障產生的部位，根據線路圖找出故障相關位置從而更好的完成更換或修復工作，由于萬用表具有的精密測量的特點，每一個相關參數的原件都需要具有相同的參數，特別是更換A/D轉換器，一定需要采用廠家提供的標準配備的集成塊，否則會造成誤差直接影響測量結果的準確性。新的A/D轉換器也需要進行檢查，不能因新而認為具有準確的精度，保證實驗最終結果的準確。

6 結語

綜上所述，通過對于單片機的萬用表設計進行合理的分析和研究，對萬用表的單片機芯片和硬件設備進行系統的研究，從中認識到單片機萬用表的工作原理，以便在以后的工作和生活中更好的運用單片機萬用表完成各類直流電、交流電的電壓、電流、電阻、電容數據測量，以更加精準的數據作為實驗中的參考數據，完成應有的參數配比，保證電子工作元器件的相關數據的準確性。日常生活中，從自己的需要出發，如果要求不高可以選擇測量范圍和精度不高的臺式萬用表，如果測量精度數據高，用于修理儀器使用，對測量的數據穩定性要求高則應當選用一個手持式的萬用表。

［1］孫立群.萬用表測量電子元器件技能速成[M].機械工業出版社，2013.

［2］門宏.圖解萬用表測量技術與技巧[M].機械工業出版社，2014.

［3］孫立群.萬用表使用從入門到精通[M].人民郵電出版社，2012.

［4］楊清德.圖說萬用表使用入門[M].機械工業出版社,2011.