智能数字万用表参考模板

1智能万用表的设计摘要：采用 MSP430F148 单片机作为系统的核心控制器件，用 AD637 集成真有效值转换芯片和电阻电压转换电路分别将交流电压信号、电阻转换为直流信号，再利用MC14433A/D 转换芯片完成电压到数字量的转换。该系统采用直流供电，由直流电压测量模块、交流电压测量模块、电阻测量模块、MC1433A/D 转换模块，单片机控制模块、键盘输入模块与显示模块组成，具有测直流电压、测交流电压、测量电阻功能，测量精度高功耗低、抗干扰能力强等特点。关键词：数字万用表 MC14433 MSP430 单片机1 方案设计与比较1.1 交流有效值测量方案方案一：热电偶测量法。热电偶测量法是根据交流有效值的物理定义来实现测量的，利用热电偶电路平衡原理通过两端的电势比较得到有效值。但热电偶转换是非线性的且热电偶配对较难、响应速度慢、过载能力差。方案二：模拟运算法。根据有效值的数学定义，用集成组件乘法器、开方器等依次对被测信号进行平方、平均、开方等计算直接得到输入信号的有效值。这种方案测量的动态范围小、精度不高且当输入信号的幅度变小时，平均器输出电压的平均值下降很快、输出幅度很小往往导致与失调、漂移电压混淆。方案三：交流整形电路。采用 AD637 集成真有效值转换芯片，把交流电压信号转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号，再对直流电压进行测量，这种方案电路简单、响应速度快、失真度小故采用此种方案。1.2 小电阻测量方案方案一：直流电桥测电阻。直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。采用这两种方法时很多操作需要手动操作，并且对元件选取要求高，通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，调节困难，需要采用数控电阻，用单片机处理计算杂复并且测量时操作不方便。方案二：电阻比例法。电阻比例法采用与双斜积分式 A/D 转换器配合，可实现电阻数字的转换。此方案由于在电阻上 Rx、Rs 中流过相同的电流，因此不需要精密的基准电流，但需要计数器和精密时钟发生器且电路复杂处理难度大。方案三：采用恒流外加小信号放大法。当测量 02 小电阻时采用恒流源产生 10mA 电流流经电阻产生 020mV 压降再放大 10 倍即 0200mV 测量，这样解决了大电流流经小电阻发热大的问题。此种方案误差取决于恒流源的精度，恒定电流由精密恒流源产生 10mA，电流稳定误差小，所以可以达到很高的精度，故采用此种方案。22 理论分析与计算直流电压测量分析：直流电压测量用 MC14433AD 转换芯片完成，MC14433 转换精度为0.05% 1 个字，符合题目中的精度要求，MC14433 转换电压范围 02V，所以当直流电压信号大于 2V 时通过分压电路进行衰减使其电压将为 02V 达到合适量程范围。交流电压测量分析：交流电压信号经过分压电路进行量程选择后，再通过 AD637 真有效值转换芯片转换为直流电压信号进行测量，AD637 转换芯片精度高、失真小，最大失真误差为 0.02% 2 个字，而分压电路没有失真，所以交流电压测量精度完全符合题目要求。电阻测量分析：电阻测量采用恒流法，使用恒流源产生恒定的电流流经待测电阻产生压降，再测量相应的电压，通过 MC14433 转换得到电阻值，这种测量方法只要电流恒定测量误差可以降低很小，可以达到题目的精度要求。3 电路设计3.1 系统框图如图 3-1 所示。图 3-1 系统框图直流电压测量模块：直流电压信号经过分压器选择量程后直接测量。交流电压测量模块：交流电压信号经分压器选择量程后再通过 AD637 集成真有效值转换芯片转换为直流量后再进行测量，完成测量交流电压功能。电阻测量模块：将待测电阻转换为相应的直流电压信号，再测量直流电压通过 AD 转换间接得到电阻值。MC14433AD 转换模块：AD 转换模块采用 MC14433A/D 芯片完成电压量到数字量的转换。显示模块：显示模块采用段式 BTL003 液晶显示，由单片机控制送入显示，液晶显示具有直观、功耗低、方便等特点。按键控制模块：完成测量功能的转换以及标称值的输入，实现人机对话。单片机控制模块：是整个控制系统的核心，采用 MSP430 系列单片机。在实现低功耗方面有明显优势。3.2 交流电压转换电路交流电压测量中交流信号真有效值的转换电路是测量交流电压值的关键部分，其设计的3好坏直接影响到交流电压信号的测量精度，在本次设计中我们通过比较选择采用 AD637 来实现交流信号到直流量的转变，AD637 是高精度、带宽范围广的真有效值转换芯片，电路如图4 所示。图 3-2 AD637 转换电路V0 端输出的直流信号电压值等于交流信号 u(t)的有效值完成了交流到直流转换，实验检测对于 5000HZ 交流信号转换效果仍良好。3.3 电阻测量电路电阻测量采用在待测电阻上流过恒定电流产生压降，通过测量相应的电压再经 MC14433 A/D 转换后得到电阻值。3.4 量程转换电路系统设计采用单片机控制继电器来完成直流电压信号自动换挡功能，电路如图 3-6 所示。+-1 8 M2 0 0 K2 M0 . 1 u FA C - - - - D C转换KB信号输入CDER 1R 2图 3-5 恒流源电路 图 3-6 量程转换电路4 程序设计4.1 自动关机功能与低功耗的实现单片机控制系统采用 MSPF148 单片机，MSPF148 单片机具有 7 种低功耗模式，在实现自动关机功能上选择余地大且具有 I/O 口中断功能，程序上将指标测试放在 I/O 口中断部分即只要有测量功能按键按下则单片机进入测量状态，主程序循环检测 1 分钟内若无任何键按下即没有进入中断则控制单片机进入低功耗模式且断开模拟器件电源降低功耗，当有按键按下时单片机退出低功耗模式返回当前状态继续测量实现自动关机与返回功能。4.2 自动量程切换的实现4单片机控制模拟开关首先选择 200mV 档，检测 MC14433 电路 引脚是否输出低电平若OR不是则没有超过量程则直接测量，若是则电压超出 MC14433 测量量程，则利用单片机控制模拟开关选择 2V 档，再次判断 OR 脚状态若仍输出低电平则控制电阻网络衰减 10 倍达到合适的测量量程。否则就进行测量。4.3 程序流程图主程序流程图如图 4-1 所示。图 4-1 程序流程图5 作品测试5.1 测试仪器TDS1002 型 60MHZ1 0GS/s 双通道数字存储示波器，DDS 数字信号发生器，高精度数字BRT500 台式万用表，DS-1 双通道直流稳压源。5.2 测试方案交流测试方法：使用 DDS 数字信号发生器产生 405000HZ，电压范围 020V 的正弦交流信号通过示波器观察实际输出频率，通过高精度数字万用表观察实际输出电压值，将信号通入本系统仪器测量后与标准电压值进行比较。直流测试方法：使用直流稳压电源产生直流电压信号，通过高精度万用表观察实际输出直流电压值，将信号通入本系统仪器测量与标准电压值进行比较。电阻测试方法：采用精密标准电阻，使用高精度数字万用表观察精密电阻值，在使用系5统仪器测量与标准电阻进行比较。5.3 测试结果表 5-1 直流电压测量数据标准直流电压输入 本仪器实际测量 测量绝对误差0.0000 0.000 0mv7.7000mv 7.70mv 0mv136.7mv 136.6mv 0.11mv18.372v 18.36v 0.012v5.4 结果分析系统在测量直流电压、交流电压、电阻方面指标达到题目的基本和发挥部分要求，各项指标测量精度高，交流电压信号测量频率范围广，整体性能达到题目发挥部分要求。6 总结本系统以 MSP430F148 单片机作为系统的核心控制器件，用 AD637 集成真有效值转换芯片和电阻电压转换电路分别将交流电压信号、电阻转换为直流信号，再利用 MC14433A/D转换芯片完成电压到数字量的转换。该系统采用直流供电，由直流电压测量模块、交流电压测量模块、电阻测量模块、MC1433A/D 转换模块，单片机控制模块、键盘输入模块与显示模块组成，具有测直流电压、测交流电压、测量电阻功能，测量精度高功耗低、抗干扰能力强等特点。所有指标均达到或部分超过赛题要求。参考文献1 李智奇著. MSP430 系列低功耗单片机原理与设计. 西安电子科技大学出版社,2008.2 谭浩强著. C 语言程序设计(第三版). 清华大学出版社,2005.3 胡大可著 . MSP430 系列超低功耗 16 位单片机原理与应用(第三版). 北京航空航天出版社,2006.4 孙传友等. 测控电路及装置. 北京航空航天大学出版社,2002.5 李朝青著. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社,2005.6附件 1：MSP430F148 最小系统电路图112233445566D DC CB BA AP6.0/A059P6.1/A160 P6.2/A261P6.3/A32 P6.4/A43P6.5/A54 P6.6/A65P6.7/A76P1.0/TACLK12 P1.1/TA013P1.2/TA114 P1.3/TA215P1.4/SMCLK16 P1.5/TA017P1.6/TA118 P1.7/TA219P2.0/ACK20 P2.1/TAINCLK21P2.2/CAOUT/TA022 P2.3/CA0/TA123P2.4/CA1/TA224 P2.5/Rosc25P2.6/ADC12CLK26 P2.7/TA027P3.0/STE028 P3.1/SIMO029P3.2/SOMI030 P3.3/UCLK031P3.4/UTXD032 P3.5/URXD033P3.6/UTXD134 P3.7/URXD135DVss63AVss62TCK57TMS56TDI/TCLK55TDO/TDI54DVcc 1AVcc 64RST/NMI 58VREF+ 7VeREF+ 10VREF-/VeREF- 11X2OUT 52X2IN 53XOUT/TCLK 9XIN 8STE1/P5.0 44SIMO1/P5.1 45SOMI1/P5.2 46UCLK1/P5.3 47MCLK/P5.4 48SMCLK/P5.5 49ACLK/P5.6 50TBOUTH/P5.7 51TB0/P4.0 36TB1/P4.1 37TB2/P4.2 38TB3/P4.3 39TB4/P4.4 40TB5/P4.5 41TB6/P4.6 42TBCLK/P4.7 43MSP430F14xU1RSTV33RST8MX212PC7 12PC810uFC5 104C6COUT32KX1UTXD0URXD0V33P40P41P42P43P44P45P46P47SOMI0UCLK0AIN0SIMO0CS_FLASH104C2CS_DACLCD_CSLCD_SCLKLCD_SIDUTXD1URXD1RS485 key0key1key2key3key4key5key6key7AIN1SDASCLP12P13P14P15P16P17CA0CA1RTC_INTCS164LED110uFC3 104C4LED2LED3LED41 23 45 67 89 10JTAG103C1047KR11N4148D12KR2Vin3 Vout 2GND1SPX1117M3-3.3U13104C11V33V3312345678MHDR1X8P612345678MHDR1X8P112345678MHDR1X8P212345678MHDR1X8P312345678P41234567