基于单片机的简易数字R-V-I测试仪的设计

0 引言
    当前大量使用的一种基本的测量工具，广泛应用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。针对电阻、电压及电流三个基本电量的测量，本文设计了一个简易的数字多用表。

1 总体设计方案
1．1 功能要求
    本系统采用8位8路A／D转换器ADC0809和AT89S52单片机，设计了一台数字多用表，能进行电阻、电压和电流的测量，测量结果通过LED数码管显示，通过按键进行测量功能转换。电压测量范围为0～20 V，测量误差约为±0．02 V；电流测量范围为1～100 mA，测量误差约为±0．5 mA；电阻测量范围为0～100kΩ，1k以内测量误差约为±2Ω。
1．2 系统总体设计框图
    图1为系统框图。

    本多用表由以下几部分功能组成：电源模块、复位／振荡电路、功能选择电路、LED显示模块、A／D转换模块、电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路以及A／D驱动电路等。

2 系统的硬件电路设计
    针对设计要求和各模块的要求，我们对各元件进行了选型并设计了具体电路。
2．1 主控模块
    单片机通过线选方式扩展了A／D转换器ADC0809和4位LED数码管，单片机的P2．7引脚作为ADC0809的片选信号，因此A／D转换器的端口地址为7FFFH；片选信号和信号一起经或非门产生ADC0809的启动信号START和地址锁存信号ALE；片选信号和 信号一起经或非门产生ADC0809的输出允许信号OE，OE=1时，选通三态门使输出锁存器中的转换结果送入数据总线；ADC0809的EOC信号经反相后接到8051的INT1引脚，用于产生A／D转换完成中断请求信号；ADC0809芯片的3位模拟量输入通道地址输入端A、B、C分别接到单片机的P0．0、P0．1和P0．2，故只要向端口地址分别写入数据00H～07H，即可启动模拟量输入通道0～7进行A／D转换。ADC0809的参考正电压为5V，参考负电压为0V，时钟输入为1MHz。
    单片机的P2．1引脚作为数码管锁存器74LS374的片选信号，片选信号和信号一起经或非门及反相器接到数码管锁存器74LS374的CLK端，因此显示器的数字端口地址为0FDFFH，而单片机的P1．4～P1．7引脚作为数码管的数位选择，显示时先将数据通过数字端口写入锁存器，再通过数位选择点亮相应的数码管。
    单片机的P1．0～P1．2引脚通过一个转换开关接地，通过判断P1．0～P1．2引脚电平的高低，决定是否进行电阻测量、电压测量或电流测量。由于主控模块电路比较常规，此处电路图略。
2．2 电阻测量电路
    图2所示为数字多用表的电阻测量电路。

    运算放大电路的反馈电阻RX作为待测电阻，根据采样值RV的大小可以判断是否需要改变量程，通过改变转换开关SW2可以改变其量程范围是1k、10k、100k。考虑到精度问题，没有把量程继续加大。如果开关SW2接通1kΩ电阻R2，则对应的小继电器RL2吸合，此时单片机会检测到其对应引脚P3．0是低电平。假定运算放大理想，那么RW=5RX／R2，将RV送给ADC0809的2通道，转换后的数字量为DV=RV 255／5，单片机读取A／D转换数据，再经过逆向运算可得RX=DV R2／255。[page]
2．3 电压测量电路
    图3为数字多用表的电压测量电路。

    电压信号经RV9端对地输入。R93、R94对输入信号进行分压；TL431和电阻R97、R98产生1．25V的基准源；LM324构成比较器，当正端输入大于负端输入时将输出高电平，当正端输入小于负端输入时将输出低电平，RL9为常闭继电器，01组成开关电路，当LM324输出高电平时，01导通，电流经R92和01集电极流向继电器RL9源绕组从而关断继电器。
    通过上述分析我们不难得出：当输入信号小于5V时，电阻R94端电压小于1．25V，LM324输出低电平，01截止，继电器导通，信号直接传递至AD转换通道0；当输入信号大于5V而小于20V时，电阻R94端电压大于1．25V，LM324输出高电平，01导通，继电器截止，信号经R93、R94分压后，转换为0V～5V信号传递至AD转换的通道1。LM324输出端通过非门接到单片机的P2．0口，所以通过判断P2．0口的电平高低可知是启动AD／转换器的0通道还是1通道，进而测出电压值。
2．4 电流测量电路
    图4中所示为数字多用仪表的电流测量电路。

    电流测量范围为1～100mA，因为ADC0809是电压转换器件，必须将电流转换为电压才能进行测量，这可以通过串接电阻RL来现实。注意，RL必须很小(如0．1Ω)，否则会影响电流数值。由于待测电流和RL都很小，RL两端的电压也很小，必须将其放大到ADC0809能够分辨的范围之内。假设待测电流大小为I，RL两端节点的电压分别为VA和VB，VA经过反向放大缓冲电路之后VC=-VA。VA和VB经过差分反向放大电路，得
   

    将AV送给ADC0809的3通道转换后得到数字量为，单片机读取A／D转换数据，再经过逆向运算可得。有两个问题值得注意，由于电流的单位是mA，不能直接计算I的值，应先变换为，再进行计算；其次，这么算出来的电流数值误差比较大，原因是LM324不是精密理想运算放大器，当输入信号很小时，误差比较大。因此需要对计算数值进行修正，方法是先计算DAV 50000，然后将结果减去102000，再将得到的结果除以89760，这样比较准确。关于102000这个数值，是通过反复测试并经过曲线拟合得到的。[page]

3 软件设计
    图5为软件的主程序流程图。系统软件主要由初始化模块、LED显示模块、功能判断模块及三个功能子模块组成。其中电阻测量模块主要根据其电路输出电压的采样值大小，判断被测电阻是否在量程内，否则要通过显示模块给出增加或减小量程的提示，然后根据不同量程进行相应计算并显示测量结果。电压测量模块主要对其电路的LM324输出端口，即通过判断单片机的P2．0口的电平高低而决定是启动ADC的0通道还是1通道，进行相应的测量和计算，然后显示出电压值。电流测量模块主要对电流的测量值进行修正拟合，减小与实际值的误差。

4 结论
    本数字多用表以AT89S52单片机作为主控芯片，以ADC0809为转换器，配以相应的测量电路，完成了对电阻和直流电压、电流的测量功能，电路的设计比较简单、精度比较高、功耗低、可扩展性强。能满足要求不高场合的测量需求。当然本设计还有许多不完善的地方，需要继续研究改进。