基于51单片机的万用表设计

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／256Rx256Ro，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。