电子竞赛国1 低功耗数字多功能表的设计制作

A题低功耗数字多功能表的设计制作摘要该低功耗数字多功能表以低功耗、高性能的ARMCortex-M3控制核心，以交流电压测量模块，直流电压测量模块，电阻、电容测量模块，三极管β参数测试模块，显示模块为主要模块，实现了对交流电压、直流电压、电阻、电容以及三极管的β值等参数的测量。本系统能够根据需要选择不同的功能和量程，对电压、电阻、三极管放大倍数等参数进行检测。经由数据采集电路采集的模拟量经过stm32进行相应的A/D数模转换和数据的处理，得到的数字信号送通过数码管显示模块显示。本系统能够精确的测量出直流、交流电压，电阻、电容的值及三极管的β值，并能够实现长等待时自动关机和输出正弦波等功能。关键词:ARMCortex-M3、A/D数模转换、stm32、数码管显示数字多功能表AbstractThelowpowerconsumptiondigitalmulti-functiontablewithlowpowerconsumption,highperformanceARMCortex-M3controlcore,theacvoltagemeasurementmodule,dcvoltagemeasurementmodule,resistance,capacitancemeasurementmodule,triodeβparametertestmodule,displaymoduleasthemainmodules,realizationofacvoltage,dcvoltage,resistance,capacitanceandtriodebetavalueandotherparametersofthemeasurement.Thissystemcanchooseaccordingtoneeddifferentfunctionandrangeofvoltage,resistance,triodemagnificationparameters,suchasdetection.Throughthedataacquisitioncircuitacquisitionoftheanalogquantityafterstm32accordinglyA/DandD/Aconversiondataprocessing,thedigitalsignalsentthroughthedigitaltubedisplaymoduledisplay.Thissystemcanaccuratelymeasurethedc,acvoltage,resistanceandcapacitancevalueandtriodebetavalue,andcanrealizethelongwaitingtobeautomaticshutdownandoutputsinewavefunctions.Keywords:ARMCortex-M3,A/D,D/Aconversionstm32,digitaltubedisplaydigitalmulti-functiontable

目录28059摘要 129939目录 23749一、方案论证 3321471、方案比较与选择 3233372、方案描述 326611二、理论分析与计算 389311、直流供电系统DC/DC电路选择与参数计算 362352、直流、交流电压测量电路设计 498623、电阻测量电路设计 4194544、电容测量电路设计 4226905、晶体三极管β测量电路设计 4135026、正弦波信号产生电路设计 5283487、显示电路设计 56271三、电路与程序设计 630541、总体控制电路设计 6142502、程序设计流程图 622992四、测试方案与测试结果 674231、测试方案及测试条件 6188172、测试结果及其完整性 7186823、测试结果分析 717919五、总结 732081六、参考文献 710798附录 820811附录1 88263附录2 16一、方案论证1、方案比较与选择对于低功耗数字多功能表的核心模块的选择方案一：采用ATMEL公司的AT89C51。该款单片机价格便宜，应用广泛，但是功能单一，I/O管脚相对较少；另外51单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐；同时在能耗方面，功耗相对较大。方案二：选择STM32F103VCT6作为核心控制模块，该单片机I/O资源丰富，并具有超低功耗功能。STM32系列32位闪存微控制器基于突破性的ARMCORTEX-M3内核，这是一款转为嵌入式应用而开发的内核。此外用户还可通过跳线设置来充分利用板上的仿真器来调试别的板上的基于ARM和Cortex的芯片，为用户开发大大节约成本。STM32系列32位闪存微控制器提供了一个完整的32位产品系列，在结合了高性能、低功耗和低电压特性的同时保持了高度的集成性能和简易的开发特性。基于上述考虑，STM32F103VCT6因其内部寄存器资源丰富，能较好的实现各种功能，同时具备超低功耗特点，符合构建节约型社会的要求，故采用方案二。2、方案描述系统整体结构见附图1，包括功能量程选择、V/V、C/V、晶体三极管β值的测量等模块组成。经由数据采集电路采集的模拟量经过stm32进行相应的A/D数模转换和数据的处理，得到的数字信号送通过数码管显示模块显示。本系统能够根据需要选择不同的功能和量程，精确测量直流、交流电压，电阻、电容的值及三极管的β值，并能够完成长等待时自动关机和输出正弦波等发挥部分的功能。本设计较好的实现了题目所要求的基本功能和发挥功能。二、理论分析与计算1、直流供电系统DC/DC电路选择与参数计算AMS1117系列稳压器是一个低压差电压调节器系列，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。2、直流、交流电压测量电路设计直流电压测量电路分为0~0.2V，0~2V和0~20V三个档位，分别用放大倍数不同的运放电路进行电压的转换，电路原理图如附图2所示。选取0~0.2V档时，采用同相放大器，根据电压增益公式：可得到十倍的电压放大。选取0~2V档时，采用电压跟器，电压放大倍数恒小于且接近1，并可提高输入阻，降低输出阻，隔离电压。选取0~20V档时，输入电压由串联电阻分压，使放大器输入电压降至实际测量电压的1/11。3、电阻测量电路设计电阻测量电路原理图如附图3所示电阻阻值的测量采用的是伏安法测电阻。通过采用镜像电流源，为电阻测量支路提供恒定电流，并通过测量电压值和欧姆定律计算得出电阻的精确阻值。本方案采用具体方法是：由单片机DAC模块输出所需要的电压值Vdd，通过欧姆定律可知，基准电流根据镜像电流源的特点，镜像电流。单片机ADC模块的输入电压为，。最后可以测得的被测电阻的阻值。电容测量电路设计电阻测量电路原理图如附图4所示用555定时器组成多谐振荡器，将被测电容接入多谐振荡器，根据多谐振荡器的频率与电容的关系，通过单片机扫描多谐振荡器的频率，从而求出被测电容。5、晶体三极管β测量电路设计PNP、NPN三极管放大倍数测量电路原理图如附录5所示晶体三极管电流放大系数β近似等于集电极电流与基极电流之比，即。根据设计要求，本方案采用比例恒流源提供一个恒定的电流值，从而间接得到三极管的集电极电流值，具体方法是：由比例电流源的特点，经推导易得，。对于NPN型三极管：单片机ADC模块的输入电压为， 经计算得,对于PNP型三极管：单片机ADC模块的输入电压为，经计算得,根据单片机ADC模块的输入电压，可以得出结果。 6、正弦波信号产生电路设计 正弦波信号测量电路原理图如附录6所示本部分电路设计采用单片机的DAC输出和反相比例放大电路，电压增益，并通过在输出端接入电压跟随电路以提高输入阻抗，降低输出阻抗。显示电路设计本系统配置了4组共阳极七段显示器，每组七段显示器COM端连接至VCC电源。而每一段发光二级管，其脚位与单片机I/O口相连接。四位一体的七段数码显示管在单个数码显示管的基础上增加了用于选择位数的的位选信号端，每个数码管分别由各自的位选信号端控制，被选通的数码管显示数据，其余的关闭。如下图所示：三、电路与程序设计1、总体控制电路设计图（7.a）为系统核心部分ARMCortex-M3的电路板原理图，图（7.b）为测量电流电压等的电路原理图总体电路设计电路原理图见参考附图72、程序设计流程图根据需要选择不同的功能和量程，对电压、电阻、三极管放大倍数等参数进行检测。经由数据采集电路采集的模拟量经过stm32进行相应的A/D数模转换和数据的处理，得到的数字信号送通过数码管显示模块显示。程序设计流程图参考附图8四、测试方案与测试结果1、测试方案及测试条件采用DS1062CD双通道数字存储示波器，电压源，ZX38A系列电阻箱，RX7系列十进式型电容箱万用表仪器，工具等分别对直流电压，交流电压，电阻，电流，晶体三极管，正弦波信号等功能进行测量，通过理论计算，将测试结果和实际值进行比对。测试条件：测直流电压时，输入阻抗：≥10MΩ。测交流电压时，频率范围：40Hz~400Hz；输入阻抗：≥10MΩ。进行晶体三极管β参数测试时，基极电流约10uA，VCE约3V。2、测试结果及其完整性此低功耗数字多功能表可以在所规定的误差范围内完成直流、交流电压的测试、电子、电容等的测试，非常符合题目要求。直流交流、电压测量功能测试，电阻，电容及正弦交流电的测量数据如附图93、测试结果分析（1）直流电压测试结果分析经过准确运算，直流电压测量的最大误差为1%，符合题目要求。交流电压测试结果分析经过结果分析，交流电压测量的最大误差为1.5%，完全木盒题目所要求的。（3）电阻测试结果分析：测量电阻阻值误差较小，最大误差为1%，用16位AD采样直流分压信号极为精确。（4）电容测试结果分析：电容测试最大误差为3%经过实验结果分析可知，感测试最大误差小于5%（5）晶体三极管β测试结果分析经过实验结果及数据分析可以知道符合题目要求。（6）正弦波信号产生测试结果分析由实验结果可知，由于示波器精度所限，频率低于10Hz示波器无法识别信号。输出正弦波信号的频率为10Hz~100kHz，且可调；非线性失真≤3%。符合题目要求。由于硬件设计合理、精确度高，器件选择合理有效，经测试系统稳定性好、精度高。较好地完成了题目要求的各项功能指标。五、总结此作品能够根据需要选择不同的功能和量程，对电压、电阻、三极管放大倍数等参数进行检测。该低功耗数字多功能表可以很好的按照题目要求完成各项功能。由于自身硬件调试经验的匮乏，对新的芯片的认知程度较低，在设计电路时花费了大量的时间和经历，但是经过查阅多方面的资料，终于找到比较合适的方法。经过此次电子大赛让我们对电路的设计、调试有了深刻的印象，对ARMCORTEX-M3的有了更深的理解，同时也深刻的体会到了共同协作和团队精神的重要性，提高了我们解决问题的能力，设计中还有欠缺的方面，今后的学习工作中会加以注意。六、参考文献[1]《电子技术基础（数字部分）》，康光华著，武汉：华中科技大学，2005年7月；[2]《电子技术基础（模拟部分）》，康光华著，武汉：华中科技大学，2005年7月；[3]《基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践》，北京：电子工业出版社，2011年1月；[4]《C语言及程序设计》，杜忠友等编著，北京：中国铁道出版社，2008年11月；附录附录1测三极管β值数码管显示C/V转换V/V转换功能量程选择I/V转换R/V转换测三极管β值数码管显示C/V转换V/V转换功能量程选择I/V转换R/V转换STMSTM32输入信号输入信号附图1系统整体结构示意图附图2测量直流、交流电压的电路示意图附图3测量电阻的电路示意图附图4测量电容的电路示意图附图5测量晶体三极管电流放大系数β的电路原理图附图6测量正弦波信号产生电路设计图7.aARMCortex-M3电路板原理图图7.b附图7总体控制电路设计结束显示测量值对测试结果进行软件调整存储测试值及测试时间否符合测试范围调如合适测量档位输入测试信号选择测量模式初始化开始结束显示测量值对测试结果进行软件调整存储测试值及测试时间否符合测试范围调如合适测量档位输入测试信号选择测量模式初始化开始是附图8程序设计流程图表1直流电压测试结果量程选择待测电压值（V）测试值(V)测试相对误差0-0.2V0.0800.08000.1500.1510.6%0.1700.1690.5%0-2V1.051.0100.48%1.481.4700.67%1.801.7990.05%0-205.005.4480.04%12.5012.4800.02%16.1016.260.1%表2交流电压测试结果量程选择待测电压值（V）测试值(V)测试相对误差0-0.2V0.0600.0611.5%0.1200.1090.83%0.1700.1690.59%0-2V1.0401.0300.96%1.4801.4700.68%1.8001.7990.05%0-20V5.2205.2240.08%11.50011.490.08%15.10015.0180.61%表3电阻测试结果电阻阻值(Ω)测试值(Ω)测试相对误差10.0010.011%50.5050.400.2%1500150.000.850K0.849K1%1.00K0.905K0.%51.500K1.510K0.67%5.000K5.006K0.12%10.00K10.02K0.02%15.10K15.09K0.0%6表4电容测试结果电容箱电容值测试值测试相对误差40.00nF39.06nF0.1%60.03nF60.00nF0.05%100.0nF99.98nF0.02%10.00uF10.01uF0.1%50.00uF50.00uF0100.0uF99.98uF0.02%表5正弦波信号源测试结果信号源设定频率（Hz）示波器测试频率(Hz)测试相对误差1(频率过低示波器无法识别)/101005050.010.02%100100.10.1%附图9附录2程序清单#include"include_def.h"uint16_tmode_count=0xFFFF;//0xFFFFstaruint16_tdisplay_val_MEM;uint16_tcap_val;voidDAC_ctrl_I_VAL(uint16_tbuf){DAC->DHR12R2=buf&0x0FFF;}voiddisplay_flash(uint16_tbuf){uint8_tqian,bai,shi,ge;if(display_val_MEM!=buf){if(buf>999){qian=table[1];buf%=1000;}elseqian=0xff;bai=(uint8_t)(buf/100);bai=table[bai];shi=(uint8_t)(buf%100/10);shi=table[shi];shi&=0xef;ge=(uint8_t)(buf%10);ge=table[ge];display(qian,bai,shi,ge);}display_val_MEM=buf;}voiddelay(uint16_tz)//延时1ms{uint16_ti;for(;z>1;z--)for(i=0;i<2000;i++);}voidmode_set(uint8_ta)//测量模式选择（选ad通道）{ADC1->CR2&=~(uint32_t)0x01;//ADC1断电ADC1->SQR3=(uint32_t)a;ADC1->CR2|=0x01;//开启ADC并启动转换ADC1->CR2|=0x08;//初始化校准寄存器while(ADC1->CR2&0x08);//等待初始化校准寄存器完成ADC1->CR2|=0x04;//开始校准while(ADC1->CR2&0x04);//校准完成ADC1->CR2|=0x05<<20;//开始转换规则通道}voidDMA_reset(uint16_tbuffer_num){DMA1_Channel1->CCR&=~((uint32_t)0x01);DMA1_Channel1->CNDTR=buffer_num;DMA1_Channel1->CCR|=0x01;//通道开启}uint16_tkey_scan(void){uint16_tbuf;key_line_1_set;key_line_2_cl;delay(5);buf=readkey;if(buf!=0)returnbuf;key_line_1_cl;key_line_2_set;delay(5);buf=readkey;if(buf!=0){buf<<=8;returnbuf;}return(uint16_t)0x00;}uint16_tDC_V_calculate(void){uint32_tsum_temp=0;uint16_ti;while(DMA1_Channel1->CNDTR!=0);for(i=0;i<DC_GET_NUM;i++)sum_temp+=AD_VAL[i];DMA_reset(DC_GET_NUM);return(uint16_t)(sum_temp/DC_GET_NUM);}voidrun_in_while(void){uint16_tbuf;uint8_tflag;buf=key_scan();if(buf!=0){mode_count=buf;flag=1;}elseflag=0;switch(mode_count){case0x0001://V_0_2////////////////////////////////////////////////////////if(flag==1){display(0x15,0xfe,0x01,0x32);DAC_ctrl_I_VAL(0x0FFF);mode_set(V_0_2);display_val_MEM=0;delay(switch_delay);DMA_reset(DC_GET_NUM);}buf=DC_V_calculate();buf=(uint16_t)((buf*V_0_2_Kp_int)>>11);display_flash(buf);break;case0x0002://V_2if(flag==1){display(0x15,0xfe,0xfe,0x32);DAC_ctrl_I_VAL(0x0FFF);mode_set(V_2);display_val_MEM=0;delay(switch_delay);DMA_reset(DC_GET_NUM);}buf=DC_V_calculate();buf=(uint16_t)((buf*V_2_Kp_int)>>17);display_flash(buf);break;case0x0004://V_20if(flag==1){display(0x15,0xfe,0x32,0x11);DAC_ctrl_I_VAL(0x0FFF);mode_set(V_20);display_val_MEM=0;delay(switch_delay);DMA_reset(DC_GET_NUM);}buf=DC_V_calculate();buf=(uint16_t)((buf*V_20_Kp_int)>>7);display_flash(buf);break;case0x0008://R200if(flag==1){display(0x50,0x32,0x11,0x11);DAC_ctrl_I_VAL(0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