低功耗数字万用表的设计

1、    低功耗数字万用表的设计    张华【摘要】数字万用表亦称数字多用表，简称dmm（digtial multimeter）。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。本设计以stc89le52rc为核心，设计制作了低功耗数字万用表并完成了直流电压、交流电压和电阻、电容、温度的测量，具有测量精度高，抗干扰能力强等特点。整个系统采用9v方电池供电，由电源模块、直流和交流电压测量模块、电阻测量模块、电容测量模块、温度测量模块、液晶显示模块等组成。【关键词】stc89le52rc；低功耗；测量；万用表1、总体方案设

2、计根据设计要求，制定了整体的设计方案：将直流供电电源模块、信号采集与ad转换电路、直流电压测量电路、交流电压测量电路、电阻测量电路、电容测量电路、温度测量电路和lcd显示电路和键盘控制电路等器件集成在一片模板上，创建一个在stc89le52rc最小系统版上可编程片上系统。通过测量，用lcd液晶将各种所需信息实时显示。2、硬件电路设计根据实际的测量需要，在本电路设计中，采用模块化设计思路。对整个电路以模块为单位，进行方案的分析、比较和论证。2.1 主控模块（单片机的选择）方案一：at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes isp（in-system progr

3、ammable）的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，功能强大的微型计算机的at89s51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。方案二：stc89le52rc是宏晶科技有限公司生产的以51为内核的系列单片机的一种，是高速、超低功耗、超强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-10倍；价格低，使用范围广等优点。它的使用电压为3.3v，使整个系统功耗更小。2.2 直流供电电源模块此

4、模块设计为整个仪表的正常工作提供电源，其电压输出稳定性将影响a/d转换精度，为满足设计要求，利用性能稳定可靠、外围元件少的集成三端式稳压器提供电源。方案一：采用w7805或w7905集成稳压源三端固定输出稳压器w7805。它具有过流、过热和安全区保护功能，输入电压范围为： 9 20v；输出电压为5v，电流为1.5a，电压调整率.为0.01%v。方案二：采用tps5430集成电压基准源。是ti推出的一款性能优越的 dc /dc开关电源转换芯片。具有宽电压输入范围、高转换效率、有过流保护及热关断功能 、具有开关使能脚 ， 关状态仅有 17 u a 静止电流。是调整率高、稳定性好的tps5430电压

5、基准源，做成双5v供电系统。通过两种方案的对比，考虑到低功耗、性能等多方面的因素，我们采用方案二。系统中还要用到3.3v电源，采用ti公司的x1117-3.3v芯片，它能直接把5v转化为3.3v。2.3 a/d转换模块方案一：adc0809是美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d模数转换器。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片。其转换速率比双积分式a/d转换器快的多，每秒钟采样高达几十万次，但是转换精度相对较低。方案二：采用tlc2543，它是12位的逐次逼近a/d转换器，相比与adc0809转换精度大大提高。所需设计的万用表对精度要求比较高，速度要求也比较高，所

6、以采用方案二中12位的tlc2543，既能实现精度要求也能实现采样速率的要求。2.4 交流电压测量模块方案一：半波整流电路。利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，但得到的电压波动大，不易控制，测量困难。方案二：交流测量是用ad637真有效值转换芯片将交流信号转换成直流电压后测量，输出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。其他的都和直流电压类似，只是在显示时转化为交流电压的有效值。ad637的转化电路如右图。综合考虑，我们采用方案二，可以满足设计要求。2.5 电阻测量模块方案一：选用常规的电阻分压法，对含待测元件的电阻网络加以稳定电流或电压信号，通过采样待测元件两端电压值计算阻值，方

7、案优点为方法简单，易于实现，缺点为没有考虑信号与元件误差，精度较低，对小电阻的测量误差大。方案二：采用可自校准的恒流源法与分压法相结合的方案，通过继电器改变电路状态并用同一采样电路采样不同点处的电位，以求解待测电阻阻值。方案优点为测量精度高，可消除电路与元件引入的误差。综合上述两种法案的优缺点，方案二可有效提高测量精度。故选择方案二。2.6 电容测量模块方案一：采用555搭建振荡电路，通过测量电路振荡频率计算接入电路的待测电容的大小，优点为电路简单易搭建，对于较大电容测量精度理想。方案二：采用类似于分压法测电阻的测量方式，将标准正弦信号加于含待测元件的rc网络，通过采样多点电位求解电路状态，消

8、除误差。优点为理论精度较高，可测量范围较宽；缺点为电路、求解过程复杂。3、程序设计首先以a/d转换器（tlc2543）为核心，设计一个多档的直流电压测量电路，再在此基础上对电路进行扩展，使其能多量程的测量交流电压、电阻、电容和温度的测量电路。然后通过单片机（at89s52）编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理，实现对直流电压、交流电压、电阻、电容和温度测量对象切换；手动和自动量程转换等功能，并将测量数据转换为人们日常习惯的十进制数字形式显示在led显示器上。开关选用继电器，以实现量程的自动转换；当检测到量程较大（较小）时，单片机给继电器发出信号以切换较小（较大）量程。结语：在本次论文设计中，我们真正体会到制作一件成功的作品并不像想象的那样简单，它需要扎實的专业基础，能熟练驾驭知识的能力，团队的团结合作精神，吃苦耐劳的品质以及遇见问题沉着冷静的态度。我们真正体会到了身为大学生的意义，解决问题的能力得到了很大的提高，为我们以后的学习工作积累了宝贵的经验。参考文献：1谢维成，杨加国.主编.单片机原理与应用及c51程序设计北京：清华大学出版社，2006年.2郭天祥.主编.新概念51单片机c语