简易低功耗数字万用表

1、简易低功耗数字万用表烟台工程职业技术学院 张晓轩 潘广龙 司则帅专家点评：参赛队员通过方案论证，选择了满足设计要求的方案并进行了比较详细的系统结构设计。本设计以STC12LE5A60S2单片机为控制核心，整个系统由A/D数据采集、功能转换、量程转换以及键盘显示等模块组成。被测信号经过功能转换电路，转换成与其成比例关系的电压，再经单片机进行数据处理，结合继电器完成量程的转换，通过12864液晶实时反映测试参数。本设计完成了系统的基本要求并实现了发挥功能。论文撰写认真，图标规范，测试方案正确、结果可信、分析透彻，是一篇优秀的作品。淄博职业学院教务科研处 潘学海副教授摘要：该数字万用表以STC12L

2、E5A60S2单片机为控制核心，STC12LE5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。整个系统由A/D数据采集、功能转换、量程转换以及键盘显示等模块组成。被测信号经过功能转换电路，转换成与其成比例关系的电压，再经8路高速10位STC12LE5A60S2单片机进行数据处理,结合继电器完成量程的转换，通过12864液晶实时反映测试参数。关键词：数字万用表 STC12LE5A60S2 低功耗1. 系统方案11系统总体方案设计与结构框图采用8位10路内部自带A/D转换器的STC12LE5A60S2单片机，

3、设计一台数字万用表，能进行直流电压、交流电压、电阻、电容和温度的测量，通过按键进行测量功能转换，测量结果通过12864液晶显示。电源转换模块控制器模块键盘输入显示模块直流电压测量模块交流电压测量模块电阻测量模块电容测量模块温度测量模块结构框图12方案设计与论证1.2.1控制器模块方案一：采用AT公司的AT89C51作为控制核心 ，该芯片是40位单片机资源丰富，很多模块用不到，在该系统中性价比较低。方案二：采用STC12C5A60S2作为控制核心，能耗低，加密性强，超强抗干扰，超低功耗，I/0驱动能力更强，内部集成可靠复位电路。综合考虑，我们采用方案二。1.2.2 键盘输入模块采用独立键盘控制测

4、量档位。1.2.3 显示模块方案一:采用LED数码管显示。数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点，但显示信息量小，且自身功耗较大。方案二：12864点阵LCD液晶显示。LCD液晶可轻松实现字母、汉字、图像等的显示，液晶体积小，功耗低，控制简单。我们需要显示内容较多，所以采用方案二。1.2.4 电源模块方案一：采用开关直流稳压电源。开关电源功率大，效率高，但是纹波大，价格相对较高。方案二：采用7805和7905双电源输出，此电源很容易发热，且输出不稳定。方案三：采用线性直流稳压电源。用7660s这个芯片直接将9v电源转换为我们需要的电压值，可提供正负5v的电压，线性稳压电源制作简单，输出稳定，性

5、价比较高。综合考虑，我们选择方案三。1.2.5直流电压测量模块测量直流电压，我们直接选用的方法是用三极管控制继电器的方式自动切换量程，当待测电压小于5v的时候，直接接到单片机的AD口上；当电压大于5v的时候，继电器吸合，切换到大量程，再进行检测。1.2.6 交流电压测量模块方案一：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。但热电偶转换线性度差，且热电偶具有配对较难、响应速度慢、负载能力差等缺点。 方案二：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

6、进行测量，这种方案电路简单、响应速度快、失真度小，工作稳定可靠，故采用此种方案。1.2.7电阻测量模块方案一：直流电桥测量法。直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。采用这两种方法测量时很多操作需要手动，并且对元件精度要求高，通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以实现数控，但数字电位器的每一级步进电阻值不确定，调节困难，用单片机处理计算杂复并且测量时操作不便。方案二：电阻比例法。电阻比例法采用如图1 所示的双斜积分式A/D转换器电路，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：通过单

7、片机自带的AD转换，将带测电阻的问题转化为待测电压的问题，确定基值电阻，然后再通过三极管控制继电器，确定量程。该方法操作简单，可操作性强，故采用此方案。1.2.8 电容测量模块方案一：容抗法测量电容的原理是先用400MHz正弦波信号将被测量电容Cx变成Xc抗，然后进行C/U转换，把Xc转换成信号电压，再经过AC/DC转换器取出平均值电压，最后送至A/D转换器。方案二 ：利用555震荡电路电容的充放电时间，确定电容的大小。此方法电路简单，计算方便，故采用此方案。1.2.9 温度测量模块由于设计要求选用2线温度传感器PT100，所以对此搭建外围电路，检测温度。1.3选用器件的依据与理由 该系统的设

8、计使用了3个器件分别是STC12LE5A60S2单片机、液晶12864显示、LM358放大器。（1）STC12LE5A60S2单片机：STC12LE5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),因此在许多领域得到了广泛的应用。由于本系统属于仪表类设计，因此涉及到自动控制以及低功耗方面的要求。STC12C5A60S2单片机I/O口端丰富，所消耗的功耗低，因此是此系统设计的最佳选择。（2

9、）12864液晶显示：12864液晶使用ST7920控制器，5v电压驱动，带背光，内置8192个16*16点阵，128个字符，及64*256点阵显示RAM。（3）LM358放大器: LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。1.4系统设计通过对系统的整体考虑，选择各模块方案如下：（1）主控模块：增强型51单片机STC12C5A60S2；（2）显示模块：12864液晶显示；（3）电

10、源模块：线性稳压电源，产生正负5V，3.3v电压；（4）键盘模块：独立键盘；（5）直流电压模块：利用分压电路，直接连到A/D接口上（6）交流电压模块：交流电压信号不能直接测量，本设将计首先使交流电压信号经过合适的分压电路进行衰减后，再用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，再进行测量。（7）电阻测量模块：在测量直流电压的基础上，先确定基值电阻，在利用分压电路，测量电阻两端的电压，便可确定电阻大小。（8）电容测量模块：利用搭建起来的555多谐振荡器，测出他的频率，然后再利用公式确定充放电时间，确定电阻大小。（9）温度测量模块：利用桥式电路的特性，温度

11、传感器PT100的温度发生变化则电阻发生变化，相应的电压也发生变化。2. 理论分析直流测试方法：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。 交流测试方法：使用交流数字信号发生器产生40Hz400Hz，电压范围010V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。 电阻测试方法：采用标准精密电阻，使用高精度数字万用表观察精密电阻值，在使用系统仪器测量与标准电阻进行比较。 电容测量方法：采用555震荡电路电容充放电量产生频率，再让单片机T

12、0定时/计数器，计算单位时间的脉冲数，而定电容容量大小。 温度测量方法：利用Pt100和电阻构成电路桥，温度变化时，Pt100的电阻发生变化，产生的电压差经运放放大送给单片机AD口。通过电压差与Pt电阻的关系和Pt电阻与温度的关系确定温度值。5PT100的电阻值=实际温度值×0.385+100电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法。其主要原理：是在待测电阻与标准电阻的串联电路中加一直流电压V。AD采样Rx上电压，则测量电阻为：我们采用伏安法测量电容与电感，测量电感与电容要加入交流正弦波信号，在角频率为的交流信号的作用下，电容和电感获得的容抗和感抗：3. 电路与程序设

13、计3.1系统电路设计3.1.1交流电压测量电路图 交流电可以转换为直流电，再进行测量。3.1.2电容测量电路图 利用555振荡电路产生的频率检测电容大小。3.1.3温度测量电路图3.1.4电阻测量电路图3.2 系统软件设计 本系统的软件设计采用C语言对单片机进行编程，从而实现各模块的功能，主程序主要是控制电路的选择、各参数的检测与控制。程序流程图如图所示。4作品性能测试测量交/直流电压 选择测试交/直流电压按键，液晶显示当前选择测量模式，检测时单片机控制着继电器自动切换量程。测量电阻 选择测试交流电压界面，按选择键选择不同的测试量程，检测读数。 5测试性能概览 （1）直流电压测量数据 表1：直

14、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0.050.060.121.451.420.084.384.350.106.756.820.15 （2）交流电压测量数据 表二：交流电压测量数据交流电压输入频率（HZ）交流电压值本仪器实际测量值测量绝对误差50hz1.261.250.0850hz2.602.550.1250hz4.854.790.1650hz7.567.600.14 （3）电阻测量数据 表三：电阻测量数据标准电阻值本仪器实际测量值测量绝对误差86880.123.6k3.5k0.135.6k5.5k0.116.6k6.7k0.11 （4）电容测量数据 表四：电容测量数据 标

15、准电容值本仪器实际测量值测量绝对误差86nf88nf0.12124nf125nf0.13110uf108uf0.11145uf146uf0.09uf （5）温度测量数据标准温度值本仪器实际测量值测量绝对误差7877.50.1721451430.150 5.1误差分析 5.2系统完善 1）进一步减小进入低功耗电流。低功耗时所消耗的电流是单片机最小系统所消耗的电流。改进的措施是利用LDO器件代替原来所使用的普通稳压芯片。 2）量程自动切换时将原来的微型继电器用耐高压型的模拟开关替换掉。可以进一步降低系统正常工作时的功耗，还可以提高系统的稳定性和可靠性及响应速度。 3）将电阻测量档量程切换换成自动量

16、程切换。感想：这次大赛，经过四天三夜的拼搏，受益匪浅，我们终生难忘。不仅完成了一件作品，而且大大提高了我们的创新精神，动手能力，团队协作和竞争意识，这些在今后的人生道路上将是一笔宝贵的财富。充分发挥团队合作精神，工作进展很顺利。我们在比赛中做到精益求精，在完成基本功能之后，又向发挥部分进发，最后完成了所有的基本功能和部分发挥部分。附录：uchar code tab7="×0.1V ×1.0V ×10V " /直流电压，交流电压 05 79 1114uchar code tab8="×100 ×1 K ×10K" /电阻 05 710 1215uchar code tab9="×100nF ×100uf" /电容 06 813uchar code tab10="选择挡: "uchar code tab11="测量值:"uchar code tab12=" v"uchar code tab13="k"uchar code tab14="."uchar code tab15=""uchar flag1,fl