基于單片機的數(shù)字萬用表設(shè)計

摘要：本萬用表通過采集電壓值與頻率值等物理量反推出相應(yīng)的電阻、電容、電感以及頻率值，利用DDS芯片發(fā)生任意頻率波形，采用STC89C52通過外部按鍵選擇與設(shè)置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，外部各個開關(guān)配合使表筆選通不同硬件電路從而產(chǎn)生相應(yīng)元件的電壓或頻率信號供軟件處理，外設(shè)12864液晶屏顯示系統(tǒng)工作結(jié)果，可實現(xiàn)結(jié)果的調(diào)回。
關(guān)鍵詞：萬用電表；STC89C52；波形發(fā)生器

1 工作原理
    萬用表是電氣、電子行業(yè)中常用的儀器之一，本文通過對MCS-51單片機進(jìn)行電路及軟件開發(fā)，實現(xiàn)電阻、電感、電容的測量，同時利用DDS芯片發(fā)生任意頻率波形。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    單片機取得按鍵值，從而判斷工作模式，具體測量不同類型由硬件或軟件選通相應(yīng)電路。
    電阻：被測電阻與內(nèi)部已知電阻串聯(lián)，測其公共端電壓與兩電阻總電壓。
    電容：采用被測電阻與內(nèi)部已知電阻構(gòu)成RC CMOS振蕩器，記錄其頻率通過C=l／πRf求得（C：電容值，R：電阻值，f：頻率值）。
    電感：利用被測電感與內(nèi)部已知電容構(gòu)成LC振蕩電路，記錄其頻率通過求得（f：頻率值，L：電感值，C：電容值）。
    頻率：將被測信號接入單片機單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)，以計算頻率值f=m／t（f：頻率值，m：脈沖個數(shù)，t：時間）。
    信號發(fā)生：采用DDS芯片AD9850芯片。通過單片機控制其頻率及相位。
    數(shù)據(jù)儲存：采用24C04 E2PROM進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)回。
2 電阻測量模塊
2．1 電阻測量模塊設(shè)計
    如圖2所示，基于AD芯片PCF8591的4路8位AD中的一路。由于此為8位AD，被測電阻Rx與Ro之間有Ro／256<Rx<256Ro，隨本系統(tǒng)采用雙檔位的電阻測量。電路中R0有兩個值，R01=30kΩ其測量范圍為118Ω到7．68MΩ。Ro2=100 Ω其測量范圍為0．3 Ω到25．6kΩ。Q1、Q2完成大小量程自動切換。

2. 2 電阻模塊工作原理
    如上圖所示，當(dāng)單片機接到測電阻阻值通知時（通過按鍵在液晶界面選擇），單片機會首先拉低高阻擋的三極管Q1打開，測得電壓值，計算后電阻值若大于5．5MΩ顯示0L M，若小于24k Ω時關(guān)斷Q1打開Q2選通低阻擋測定電壓值，計算電阻值。
2．3 電阻模塊與單片機系統(tǒng)的連接
    電阻模塊共有五根導(dǎo)線與其它電路連接：一根是電源（+5V）、公共端的AD輸出端、高阻擋選通端、低阻擋選通端、另一根是地線（GND）。
2．4 電路參數(shù)及計算
    電路根據(jù)：Ro／Rx=Uo／Ux
    已知串聯(lián)總電壓是5V：Uo=5-Ux
    所以Rx=R0×Ux／（5-Ux）

3 電容電感模塊
3．1 電容電感模塊的設(shè)計
    如圖3、圖4，為搭建RC振蕩器和LC振蕩電路，本系統(tǒng)采用了4路與非門芯片CD4011。

    如圖5，由于CD4011為兩輸入的與非門，通過控制一腳可以控制LC和RC的起振。
3．2 電容電感模塊工作原理
    如圖6，由U1D為中心構(gòu)成LC振蕩電路，由C1、C2、C3、C4有振蕩器電容U1D的12腳為控制腳，Sal、Sa2、Sb1、Sb2為轉(zhuǎn)換開關(guān)S的兩個位置，在S打在1位置時兩個表筆分別跟Sa1、Sb1接通。打在2位置時兩表筆分別與Sa2、Sb2接通。U1C為頻率輸出腳。由U1B、U1A為中心構(gòu)成RC振蕩電路，U1B單元6腳為控制腳。

3．3 電容電感模塊與單片機的連接
    本模塊共有9個引腳，分別是電源正（+5．00V）、電源地、電容起振控制位、電感起振控制位、脈沖輸出腳、電感表筆1、電感表筆2、電容表筆1、電容表筆2。
3．4 電路參數(shù)及計算
    測電容時RC振蕩電路工作測得頻率f
    f=1／（πRC）（本系統(tǒng)中R=10k Ω，π取3．1415）
    C=1／（31415f）
    減去C5的lnf即是測得的電容值。
    測電感時LC振蕩電路工作測得頻率f。根據(jù)推出電感值，減去本身的L1的10μh即是所測電感值。

4 信號發(fā)生模塊
4．1 信號發(fā)生模塊的設(shè)計
    采用DDS芯片AD9850芯片實現(xiàn)。
    AD9850的各引腳功能如表1所示，具體配置字如表2所示。

          
4．2 信號發(fā)生與單片機的連接
    本模塊的八位數(shù)據(jù)腳與單片機P1口相連接，另外有兩個控制腳分別與單片機連接。如圖7所示。

5 按鍵模塊與顯示模塊
    本系統(tǒng)對單片機的引腳利用得非常緊湊。為了拓展出多個按鍵，利用AD的其中一個通道拓展一個分壓鍵盤如圖8所示。沒有鍵按下時，AD腳通過400kΩ電阻接地為0V，顯示模塊采用12864液晶屏。本系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的儲存功能，主要是利用單片機拓展外部E2PROM
24C04來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。這樣可實現(xiàn)掉電記憶。

6 結(jié)束語
    文中利用STC89C52單片機和對電路進(jìn)行合理設(shè)計，實現(xiàn)了常見電阻、電感、電容值的測量，同時利用AD9850芯片可實現(xiàn)任意波形信號發(fā)生。調(diào)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可靠性高、使用方便，但在測量大值電阻時仍存在一定不足，下一步將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)，使該功能進(jìn)一步完善。