基于單片機的簡(jiǎn)易數字R-V-I測試儀的設計

摘要：介紹了一種基于AT89S52單片機的簡(jiǎn)易數字R-V-I測試儀，用ADC0809作為數據轉換芯片，通過(guò)相應的測量電路，能夠進(jìn)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，廣泛應用于電子及電工測量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測試系統等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強大的生命力。針對電阻、電壓及電流三個(gè)基本電量的測量，本文設計了一個(gè)簡(jiǎn)易的數字多用表。

1 總體設計方案
1．1 功能要求
本系統采用8位8路A／D轉換器ADC0809和AT89S52單片機，設計了一臺數字多用表，能進(jìn)行電阻、電壓和電流的測量，測量結果通過(guò)LED數碼管顯示，通過(guò)按鍵進(jìn)行測量功能轉換。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?xún)葴y量誤差約為±2Ω。
1．2 系統總體設計框圖
圖1為系統框圖。

信號一起經(jīng)或非門(mén)產(chǎn)生ADC0809的啟動(dòng)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(mén)產(chǎn)生ADC0809的輸出允許信號OE，OE=1時(shí)，選通三態(tài)門(mén)使輸出鎖存器中的轉換結果送入數據總線(xiàn)；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(xiě)入數據00H～07H，即可啟動(dòng)模擬量輸入通道0～7進(jìn)行A／D轉換。ADC0809的參考正電壓為5V，參考負電壓為0V，時(shí)鐘輸入為1MHz。
單片機的P2．1引腳作為數碼管鎖存器74LS374的片選信號，片選信號和信號一起經(jīng)或非門(mén)及反相器接到數碼管鎖存器74LS374的CLK端，因此顯示器的數字端口地址為0FDFFH，而單片機的P1．4～P1．7引腳作為數碼管的數位選擇，顯示時(shí)先將數據通過(guò)數字端口寫(xiě)入鎖存器，再通過(guò)數位選擇點(diǎn)亮相應的數碼管。
單片機的P1．0～P1．2引腳通過(guò)一個(gè)轉換開(kāi)關(guān)接地，通過(guò)判斷P1．0～P1．2引腳電平的高低，決定是否進(jìn)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，此處電路圖略。
2．2 電阻測量電路
圖2所示為數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，根據采樣值RV的大小可以判斷是否需要改變量程，通過(guò)改變轉換開(kāi)關(guān)SW2可以改變其量程范圍是1k、10k、100k?？紤]到精度問(wèn)題，沒(méi)有把量程繼續加大。如果開(kāi)關(guān)SW2接通1kΩ電阻R2，則對應的小繼電器RL2吸合，此時(shí)單片機會(huì )檢測到其對應引腳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，轉換后的數字量為DV=RV 255／5，單片機讀取A／D轉換數據，再經(jīng)過(guò)逆向運算可得RX=DV R2／255。
2．3 電壓測量電路
圖3為數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(jìn)行分壓；TL431和電阻R97、R98產(chǎn)生1．25V的基準源；LM324構成比較器，當正端輸入大于負端輸入時(shí)將輸出高電平，當正端輸入小于負端輸入時(shí)將輸出低電平，RL9為常閉繼電器，01組成開(kāi)關(guān)電路，當LM324輸出高電平時(shí)，01導通，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(guò)上述分析我們不難得出：當輸入信號小于5V時(shí)，電阻R94端電壓小于1．25V，LM324輸出低電平，01截止，繼電器導通，信號直接傳遞至AD轉換通道0；當輸入信號大于5V而小于20V時(shí)，電阻R94端電壓大于1．25V，LM324輸出高電平，01導通，繼電器截止，信號經(jīng)R93、R94分壓后，轉換為0V～5V信號傳遞至AD轉換的通道1。LM324輸出端通過(guò)非門(mén)接到單片機的P2．0口，所以通過(guò)判斷P2．0口的電平高低可知是啟動(dòng)AD／轉換器的0通道還是1通道，進(jìn)而測出電壓值。
2．4 電流測量電路
圖4中所示為數字多用儀表的電流測量電路。

電流測量范圍為1～100mA，因為ADC0809是電壓轉換器件，必須將電流轉換為電壓才能進(jìn)行測量，這可以通過(guò)串接電阻RL來(lái)現實(shí)。注意，RL必須很小(如0．1Ω)，否則會(huì )影響電流數值。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。假設待測電流大小為I，RL兩端節點(diǎn)的電壓分別為VA和VB，VA經(jīng)過(guò)反向放大緩沖電路之后VC=-VA。VA和VB經(jīng)過(guò)差分反向放大電路，得

將AV送給ADC0809的3通道轉換后得到數字量為，單片機讀取A／D轉換數據，再經(jīng)過(guò)逆向運算可得。有兩個(gè)問(wèn)題值得注意，由于電流的單位是mA，不能直接計算I的值，應先變換為，再進(jìn)行計算；其次，這么算出來(lái)的電流數值誤差比較大，原因是LM324不是精密理想運算放大器，當輸入信號很小時(shí)，誤差比較大。因此需要對計算數值進(jìn)行修正，方法是先計算DAV 50000，然后將結果減去102000，再將得到的結果除以89760，這樣比較準確。關(guān)于102000這個(gè)數值，是通過(guò)反復測試并經(jīng)過(guò)曲線(xiàn)擬合得到的。

3 軟件設計
圖5為軟件的主程序流程圖。系統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。其中電阻測量模塊主要根據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，否則要通過(guò)顯示模塊給出增加或減小量程的提示，然后根據不同量程進(jìn)行相應計算并顯示測量結果。電壓測量模塊主要對其電路的LM324輸出端口，即通過(guò)判斷單片機的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(jìn)行修正擬合，減小與實(shí)際值的誤差。

4 結論
本數字多用表以AT89S52單片機作為主控芯片，以ADC0809為轉換器，配以相應的測量電路，完成了對電阻和直流電壓、電流的測量功能，電路的設計比較簡(jiǎn)單、精度比較高、功耗低、可擴展性強。能滿(mǎn)足要求不高場(chǎng)合的測量需求。當然本設計還有許多不完善的地方，需要繼續研究改進(jìn)。