基于单片机的万用表设计

摘要：本万用表通过采集电压值与频率值等物理量反推出相应的电阻、电容、电感以及频率值，利用DDS芯片发生任意频率波形，采用STC89C52通过外部按键选择与设置系统的工作状态，外部各个开关配合使表笔选通不同硬件电路从而产生相应元件的电压或频率信号供软件处理，外设12864液晶屏显示系统工作结果，可实现结果的调回。
关键词：万用电表；STC89C52；波形发生器

1 工作原理
    万用表是电气、电子行业中常用的仪器之一，本文通过对MCS-51单片机进行电路及软件开发，实现电阻、电感、电容的精确测量，同时利用DDS芯片发生任意频率波形。其系统整体结构框图如图1所示。

    单片机取得按键值，从而判断工作模式，具体测量不同类型由硬件或软件选通相应电路。
    电阻：被测电阻与内部已知电阻串联，测其公共端电压与两电阻总电压。
    电容：采用被测电阻与内部已知电阻构成RC CMOS振荡器，记录其频率通过C=l／πRf求得(C：电容值，R：电阻值，f：频率值)。
    电感：利用被测电感与内部已知电容构成LC振荡电路，记录其频率通过求得(f：频率值，L：电感值，C：电容值)。
    频率：将被测信号接入单片机单位时间内脉冲个数，以计算频率值f=m／t(f：频率值，m：脉冲个数，t：时间)。
    信号发生：采用DDS芯片AD9850芯片。通过单片机控制其频率及相位。
    数据储存：采用24C04 E2PROM进行数据的存储，实现数据调回。
2 电阻测量模块
2．1 电阻测量模块设计
    如图2所示，基于AD芯片PCF8591的4路8位AD中的一路。由于此为8位AD，被测电阻Rx与Ro之间有Ro／256<Rx<256Ro，随本系统采用双档位的电阻测量。电路中R0有两个值，R01=30kΩ其测量范围为118Ω到7．68MΩ。Ro2=100 Ω其测量范围为0．3 Ω到25．6kΩ。Q1、Q2完成大小量程自动切换。

2. 2 电阻模块工作原理
    如上图所示，当单片机接到测电阻阻值通知时(通过按键在液晶界面选择)，单片机会首先拉低高阻挡的三极管Q1打开，测得电压值，计算后电阻值若大于5．5MΩ显示0L M，若小于24k Ω时关断Q1打开Q2选通低阻挡测定电压值，计算电阻值。
2．3 电阻模块与单片机系统的连接
    电阻模块共有五根导线与其它电路连接：一根是电源(+5V)、公共端的AD输出端、高阻挡选通端、低阻挡选通端、另一根是地线(GND)。
2．4 电路参数及计算
    电路根据：Ro／Rx=Uo／Ux
    已知串联总电压是5V：Uo=5-Ux
    所以Rx=R0×Ux／(5-Ux)

3 电容电感模块
3．1 电容电感模块的设计
    如图3、图4，为搭建RC振荡器和LC振荡电路，本系统采用了4路与非门芯片CD4011。

    如图5，由于CD4011为两输入的与非门，通过控制一脚可以控制LC和RC的起振。
3．2 电容电感模块工作原理
    如图6，由U1D为中心构成LC振荡电路，由C1、C2、C3、C4有振荡器电容U1D的12脚为控制脚，Sal、Sa2、Sb1、Sb2为转换开关S的两个位置，在S打在1位置时两个表笔分别跟Sa1、Sb1接通。打在2位置时两表笔分别与Sa2、Sb2接通。U1C为频率输出脚。由U1B、U1A为中心构成RC振荡电路，U1B单元6脚为控制脚。

3．3 电容电感模块与单片机的连接
    本模块共有9个引脚，分别是电源正(+5．00V)、电源地、电容起振控制位、电感起振控制位、脉冲输出脚、电感表笔1、电感表笔2、电容表笔1、电容表笔2。
3．4 电路参数及计算
    测电容时RC振荡电路工作测得频率f
    f=1／(πRC)(本系统中R=10k Ω，π取3．1415)
    C=1／(31415f)
    减去C5的lnf即是测得的电容值。
    测电感时LC振荡电路工作测得频率f。根据推出电感值，减去本身的L1的10μh即是所测电感值。

4 信号发生模块
4．1 信号发生模块的设计
    采用DDS芯片AD9850芯片实现。
    AD9850的各引脚功能如表1所示，具体配置字如表2所示。

4．2 信号发生与单片机的连接
    本模块的八位数据脚与单片机P1口相连接，另外有两个控制脚分别与单片机连接。如图7所示。

5 按键模块与显示模块
    本系统对单片机的引脚利用得非常紧凑。为了拓展出多个按键，利用AD的其中一个通道拓展一个分压键盘如图8所示。没有键按下时，AD脚通过400kΩ电阻接地为0V，显示模块采用12864液晶屏。本系统还可以实现对测量数据的储存功能，主要是利用单片机拓展外部E2PROM
24C04来实现数据的存储。这样可实现掉电记忆。

6 结束语
    文中利用STC89C52单片机和对电路进行合理设计，实现了常见电阻、电感、电容值的测量，同时利用AD9850芯片可实现任意波形信号发生。调试结果表明，本系统可靠性高、使用方便，但在测量大值电阻时仍存在一定不足，下一步将在此基础上进一步开发，使该功能进一步完善。