智能万用表H05

1、封装纸智能数字万用表论文摘要 本设计以89C51单片机系统为核心，采用12位A/D转换器AD574对数据进行采样，主要完成对交流、直流电压及电阻的测量。基本满足题目对直流电压、交流电压及电阻测量的精度要且在电压测量时满足输入阻抗大于等于。在该系统由数据信号采集模块、单片机系统数据处理模块、显示模块三个部分组成。数据信号采集模块主要完成对交、直流电压及电阻值的采集和转换，通过单片机的控制实现量程的自动转换以及交、直流电压和电阻测量的自动识别。系统数据处理模块基于傅立叶变换对测得的工频交流信号进行谐波分析，计算出各个谐波分量的百分比。增加了超量程LED显示报警以及交流测试频率显示功能。一、方案选择

2、与论证1、系统构成本系统采用单片机为核心，将设计任务分解为电阻值转换、自动量程转换、交流电压有效值转换、结果显示等功能模块，完成对交、直流电压及电阻的归一化测量，系统框图如图1所示。电阻的测量利用恒流源将电阻转换成电压测量；自动识别测量通过两级选通开关，前级实现电阻与电压的切换，后级实现交直流信号的切换；通过将输入电压统一降压100倍，再利用程控放大器对不同的电压值进行放大选通实现自动量程转换；交流信号通过交/直流转换成后，直接对其有效值进行测量；单片机控制A/D转换器采样输入电平，将转换结果送入4位数码管显示，满足最大量程3999的要求。2、系统方案论证方案一：采用双积分A/D转换器ICL7

3、149大规模集成电路，组成DVM数字电压测量模块,而电阻、交流电压都可以通过相应的变换器，把它们变换成直流电压，然后用DVM数字电压测量模块进行测量，直接驱动数码管显示。此方法使电路和软件的设计大大简化，并具有较高精度，但是ICL7149集成电路价格较贵，性能价格比较低，且不能实现谐波分量的分析处理。 方案二：采用以单片机数据处理为核心, 结合多路模拟开关、分压电路、恒流源电路、AC/DC转换电路等硬件电路的实现方法。单片机软件编程灵活，自由度大，可以用软件编程实现交、直流电压和电阻测量的全自动识别及量程自动转换功能。由A/D转换器进行幅度采集，经过单片机进行数据处理后显示。整个系统结构简单，

4、能提高系统的智能化程度，并且测量结果的精度可以很高。比较以上两种方案，方案一和方案二都可以实现本题目的基本要求，但方案一较难实现本题中发挥部分的功能扩展，而方案二可以通过单片机对谐波分量进行计算和分析，从而测量工频交流电的谐波分量的百分比。并且可以较易实现其他功能的拓展。因此采用方案二实现。二、硬件电路设计与比较硬件电路主要包括电阻/电压转换电路、自动转换电路、AC/DC转换电路、A/D转换电路及键盘显示电路。其中电阻/电压转换电路主要实现电阻值到电压值的转换；AC/DC转换电路可以将交流电压转换成直流电压，实现交流信号的有效值转换，方便于单片机控制A/D转换器采样；自动转换电路实现全自动量程

5、转换功能；显示电路用于显示测量结果和超量程警告信息。 1）电阻/电压转换电路a、由于电阻不易直接测量，故需将其转换成其他参量进行测量。方案一：采用恒压源电路，将被测电阻值转换为电流值进行测量，但电流值的测量不易实现，且精度难以提高。方案二：采用恒流源电路，将被测电阻值转换为电压值进行测量，即用恒流源产生一个恒定的电流通过被测电阻，通过测量电阻两端的电压，再根据欧姆定律求出被测电阻值。这种方法简单易行，精度较高。本设计选择方案二。b、恒流源的选择：方案一：采用运算放大器和稳压管等分立元件组成恒流源电路。但这种电路结构复杂，调试比较困难，且精度难以满足要求。方案二：采用三端串联型集成稳压器构成的开

6、关恒流源。集成串联型稳压电路，它是以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定。该集成稳压器中除包含有调整管、基准电压电路、取样电路和比较放大电路，还具有过流、过热和调整管安全工作区保护电路。使用集成稳压器可以简化恒流源电路，精度高。本设计采用方案二。2) 自动转换电路方案一：直接利用电阻分压,通过单片机对多路模拟开关进行选择实现多量程自动切换。该电路结构简单，容易实现，但是电压分压不稳定。方案二：通过多路模拟开关与运放的组合，设置了多个量程开关，利用单片机对模拟开关的控制实现多个量程之间的自动切换。利用两级模拟开开关，前级实现了对功

7、能的自动识别，后级实现了全量程的自动切换。由于题目要求对高电压进行测量，需对电压值进行缩放，因此选择方案二。3）AC/DC转换电路对于交流电压，由于单片机只能处理单向直流电压信号，所以应先将其转化为直流电压后进入A/D转换器，再通过单片机控制进行采样量化。方案一：采用平均值检波的方法。但是该方法存在测量非正弦信号误差较大、测量小信号时漂移较大的问题。方案二：用一般的二极管-电容型峰值检波器实现。由于二极管的正向压降是随着充电电流和温度而变化的,因此电容所保持的值也是不稳定的。方案三：采用运放的半波整流与将平均值转换成有效值电路，该电路能将交流信号直接转换成其有效值，减少了单片机的运算量，且转换

8、精度较高。鉴于以上方案，考虑到平均值检波和峰值检波存在的缺点，为了保证交流电压测量精度的要求，故采用方案三实现这一转换过程。4）A/D转换电路由于所测电阻最大值为400欧，且分辨率为0.1欧，因此A/D的分辨率应满足下式：，得，即应选择十二位以上的A/D转换器。采用逐次逼近式A/D转换器，从速度和转换精度来看即可满足要求，且电路结构简单。因此选用逐次比较型A/D574对数据进行采样。5）键盘显示电路a.键盘设定：设有开始按键、复位键和测量控制键，启动开始按键，通过单片机对被测交、直流电压和电阻进行控制，实现全自动识别交、直流电压及电阻测量。b.显示电路：电路如图2所示。由4片74LSl64串级

9、扩展为4个8位并行输出口，分别连接到4个LED显示器的段选端作静态显示。图2 三、系统实现及理论分析1、硬件电路部分1）电阻/电压转换电路由于电阻测量值界于10400欧，分辨率为0.1欧，而电压测量时设定内部量程为4V档，故恒流源选用10mA，使得电阻转换成电压测量时对应的范围为0.4V-4V档。选用78系列的7805三端固定式稳压管构成恒流源电路，实现电阻/电压的转换。电路如图3所示：图3 该电路由MC7805固定式集成稳压器、电容及负载电阻构成。固定式集成稳压器工作在悬浮状态，在输出端2和公共端3之间接入一电阻，其输出电流与电阻的关系满足下式：，其中为7805的静态电流，小于10mA。当较

10、小即输出电流较大时，可以忽略。如果选用可调电阻，电路可给负载提供某一范围的恒定电流。在本设计中要产生一恒定的电流，且7805稳压器的输出电压为5V ，则由上述公式可知，电阻应为500 欧。2）自动转换电路电路如图4所示。本系统采用A/D转换器对数据进行处理，就必须满足其输入电压在05V范围之内，因此对于大于5V的电压不能直接进入A/D转换器进行采样，所以要将大电压值进行衰减后才送入A/D采集。又电压的量程分为3档，即4V、40V、400V。为了实现3档电压量程自动转换并提高输入阻抗，先用10M:100K的电阻将被测电压经过分压，即将电压衰减100倍且输入阻抗大于；然后经过一电压跟随器，隔离后级

11、程控放大器对输入端电阻的影响，真正实现电压衰减100倍。程控放大器将衰减后的信号按其电压值分别放大10倍、1倍和1/10倍，使得各档输出的电压值均满足小于等于4V。其衰减倍数通过单片机控制模拟开关的A、B端来实现，当AB为11时，衰减100倍、AB为10时，衰减10倍、AB为01时，衰减1倍。经过程控放大器后的信号是反向的小于等于0.4V的信号，为了便于测量，应将其变为正向的小于等于4V的信号。故加一级放大倍数为10倍的反向放大器。由于以上放大器都是反向放大器，其放大倍数均为，其中为反馈电阻。由此可选择如图示电路图中的参数。图43）AC/DC转换电路自动量程转换模块输出信号仍为交流信号，由于A

12、/D采样不能准确的采样到交流信号的峰值，势必将增加测量误差，因此我们将交流信号AC/DC转换电路转换为其有效值后再进行采样，其转换电路由半波整流电路和将平均值转换成有效值的电路组成，电路图所示：图由于是把交流信号转换为有效值，故在整流前加10U电容虑掉直流电压。整流电路中，二极管和10K电阻串联反馈使得电压为负半周时，输出电压为零；电压为正半周时，由于运用了反向输入，输出为负半波整流电压。输出电压集成电路OP07后二极管取出，其目的是利用二极管的正向电压改善OP07的增益，反馈电阻以补偿二极管的正向压降。反馈电阻阻值于与输入电阻阻值相等，此级无放大作用，因此输出电压幅值与整流前相等。平均值转有

13、效值电路是一个积分运算电路。电路中根据虚短、虚地的原理，电容中的电流等于流过电阻的电流，输出电压与电容上的电压成反向的关系，而电容上的电压等于其电流的积分，故满足。由于前级使用的是半波整流，故反馈电阻加以可调电阻改变其放大倍数，调节平均值使得与其有效值相等。22U电容起滤波作用，使得输出平滑的直流电压。4）A/D转换电路A/D574是12位逐次逼近式A/D转换器，其转换时间为25us，转换精度为0.05，由于芯片内有三太输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连，而无需附加逻辑接口电路。且能与CMOS及TTL兼容。通过改变AD574引脚8、10、12的外接电路，可使AD57

14、4进行单极性和双进行模拟信号的转换，本系统测量范围在04V，因此采用单极性转换电路。利用500欧电位器作为满量程调整，100K电位器作零位调整，使输入位零时输出也位零，电路如图所示： 图6 1、数据处理部分1）、电压、电阻的计算分析 在外部硬件电路中，已经对交流信号作了有效值分析，故单片机对电压电阻值的处理只需乘上前级的倍数关系，并进行误差调整即可。2）、对谐波分量的分析与计算 运用离散傅立叶变换对谐波分量进行分析。任何一个满足狄里赫利条件的周期函数,除基波外还含有直流分量和各次谐波，均可以分解为一个傅立叶级数，即式中：,T为的周期，-为各频率成分的振幅所测信号是一个周期性的时间函数，利用离散

15、傅立叶变换，可将一个周期的信号分割成等分，则,由此得出：同理可得：，所以第次的谐波幅度的计算式为：，由此可以推导出谐波分量的计算方法： 第K次谐波电压含有率 ，式中为第K次的谐波电压（均方根值）。式中，为采样点数，为第个采样点的电压瞬时值；K为被分析的谐波次数所测信号波形是镜对称的，没有恒定分量和偶次谐波，只有奇次谐波；为基波电压（均方根值）。四、软件设计及软件流程图：1） 软件初始化：系统上电时对单片机及外围电路模块进行初始化，如置电压表初始状态为直流电压测量状态，且衰减100倍。2）键盘中断采用查询方式进行处理，当扫描到有中断请求时，就根据不同的按键功能转到相应的程序模块。 全自动识别 电

16、压、电阻测量程序流程图自动量程转换 五、测试结果及误差分析 1、 测量仪器2、 测试数据1）直流电压值数据见下表：(0-4V-40V-400V)测量值/V0.0000.5041.1032.0252.5023.1013.5023.998显示值/V0.0000.5011.1052.0152.5023.0813.4823.994误差/%0%0.60%0.18%0.49%0%0.64%0.57%0.11%测量值/V4.24010.2615.3620.5425.2230.5239.95显示值/V4.21110.1515.2520.4524.9230.1239.24误差/%0.68%1.07%0.72%0

17、.44%1.19%1.31%1.78%测量值/V40.2062.1282.47100.5120.6180.4220.1380.3显示值/V40.2362.4282.67100.3118.9178.7216.5372.9误差/%0.75%0.48%0.24%0.20%1.41%0.94%1.64%1.95%2）交流电压值数据见下表: (有效值:0-4V-40V-400V)测量值/V0.0000.5101.1122.2252.5413.3253.5743.998显示值/V0.0000.5131.1142.2262.5403.2963.5213.926误差/%0%0.59%0.18%0.04%0.0

18、4%0.09%1.48%1.81%测量值/V4.24510.3515.6520.7725.5730.4539.95显示值/V4.25710.4515.7420.8025.5430.1039.34误差/%0.28%0.97%0.58%0.14%0.12%1.15%1.53%测量值/V40.2562.7482.45104.5122.6183.4220.2380.3显示值/V40.3062.5882.38104.2124.8181.5222.1375.6误差/%0.12%0.26%0.09%0.29%1.79%1.04%0.87%1.24%3）电阻值数据如下表:测量值/1047100150240330390430显示值/10.247.3100.8149.3238.5327.4386.2422.1误差/%20%0.64%0.80%0.47%0.63%0.79%1.27%0.21%、误差分析1) A/D转换器的误差:/D转换经过取样、保持、量化及编码4个过程。在量化过程中，由于取样电压不一定能被最小量化单位即量化中所取的最小数量单位整除，所以量化前后不可避免地存在误差，即量化误差。它属于原