自動量程數(shù)字萬用表

1、自動量程數(shù)字萬用表（B題）摘要全文主要介紹了基于STM32F103RBT6的自動量程數(shù)字萬用表的設(shè)計。本設(shè)計以STM32F103RBT6作為核心MCU，配合外圍的各個模塊，實現(xiàn)了交流電壓、直流電壓、頻率、電阻以及電流的高精度測量，同時具有自動更換量程功能。所測得值在LCD5110液晶顯示屏上顯示，整個儀器完全由一節(jié)1.5V一號電池供電，達到了低功耗的目的。關(guān)鍵詞：STM32單片機，AD736，自動量程轉(zhuǎn)換，升壓模塊一 方案設(shè)計與論證1.1 MCU的選擇方案一：MSP430系列單片機MSP430系列單片機是美國德州公司（TI）1996年開始推向市場一種16位超低功耗、具有精簡指令集SC）的混合信

2、號處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富的優(yōu)點。方案二：51系列單片機51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛

3、應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。方案三：STM32系列單片機由于STM32F103RBT6的時鐘頻率達到72 MHz，能實現(xiàn)高端運算。內(nèi)嵌128KB FLASH程序存儲器。豐富的外設(shè)，UART、SPI等串行接口以及最大翻轉(zhuǎn)率18 MHz的GPIO。最重要的是它擁有最快1 txs轉(zhuǎn)換速度的雙12位精度ADC，此快速采集，高性能的ADC非常適用于數(shù)據(jù)的快速采集和快速處理上，這也是本系統(tǒng)選擇它作為核心控制器的一個重要原因。綜合考慮，本系統(tǒng)選擇STM32系列的STM32

4、f103RBT6作為核心主控芯片1.2 交流電壓測量方案的選擇方案一：利用AD736將交流電壓轉(zhuǎn)換為其有效值A(chǔ)D736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。 其主要特點是準確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達0460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200A.用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過3%. 方案二：純計算法求出交流電壓有效值首先，利用運放整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流周期電壓信號。用純計算法來測量交流電的有效值，必須滿足奈奎斯特采樣頻率條件，即交流信號的周期必須等于采樣周期的整數(shù)倍和有

5、理分數(shù)倍。從而利用STM32單片機來測量交流信號的有效值。綜合考慮，由于方案二對于系統(tǒng)的程序設(shè)計很復(fù)雜，并且無法精確的控制交流信號的周期是采樣周期的整數(shù)倍和有理分數(shù)倍，因此導(dǎo)致測量精度比較低。而方案二的程序設(shè)計簡單，硬件設(shè)計清晰。因此，本系統(tǒng)選擇方案二作為系統(tǒng)測交流電壓的原理。其電路原理圖見附錄圖1-1。1.3 電阻測量方案的選擇方案一：串聯(lián)分壓原理 V Rx R0 圖1串聯(lián)電路原理圖根據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理可知，串聯(lián)電路上電壓與電阻成正比關(guān)系。通過測量Rx和R0上的電壓。由公式 計算出R0阻值方案二：利用直流電橋平衡原理的方案 圖2 電橋（其中R1，R2，為可變電位器，R3為已知電阻，R4為被

6、測電阻）根據(jù)電路平衡原理，不斷調(diào)節(jié)電位器，使得電表指針指向正中間。由R1*R4=R3*R4.在通過測量電位器電阻值，可得到R4的值。方案三：利用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)的方案 根據(jù)555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機讀取高低電平得出頻率，通過公式換算得到電阻阻值。由f=1/ (R1+2R2)*C*In2 得到公式： R2=1/2*1/ (f*c*Ln2)-R1上述三種方案從對測量精度要求而言，方案二需要測量的電阻值多，而且測量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作與數(shù)字化，相比較而言，方案三還是比較符合要求的，由于是通過單片機讀取轉(zhuǎn)化，精確度會明顯的提高。而方案一的原理簡單，操作簡單，成本低廉，而且由于12位

7、的ADC可以在很大程度上彌補方案一精度低的缺陷。故本設(shè)計選擇了方案一，并且通過模擬開關(guān)的轉(zhuǎn)換來改變已知電阻值的大小，以滿足整個范圍內(nèi)測電阻的精度要求。二理論分析與設(shè)計2.1 直流電壓的理論分析本題目要求對于直流電壓的測量范圍為020V。首先，由于STM32單片機的AD內(nèi)部基準源為3.3V，因此無法直接檢測3.3V以上的高電壓，因此需要將3V20V的電壓按0.1倍縮小之后再經(jīng)12位ADC采集。而對于03V的電壓可以直接采集。其功能實現(xiàn)具體電路圖見附錄圖1-1.2.2 交流電壓的測量的理論分析與電路設(shè)計本題目要求對于交流電壓的測量范圍為020V。為了實現(xiàn)題目要求，本文選用AD736芯片將交流信號轉(zhuǎn)

8、換為其交流信號的有效值之后進行采集，但是由于AD736滿量程只能達到200mv，因此我們需要對交流信號進行處理。本文以200mv，2v為臨界點，當(dāng)輸入交流電壓有效值小于200mv時，直接進行采集；當(dāng)電壓有效值在200mv到2v之間時，將輸入信號縮小20倍之后輸入AD736之后再對AD736輸出電壓進行采集；當(dāng)電壓有效值大于2V時，將輸入信號縮小200倍之后輸入AD736之后再對AD736的輸出電壓進行采集。最后再對采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后顯示真實電壓有效值。經(jīng)過理論分析與計算，這個換擋設(shè)計以及電壓采集均可以實現(xiàn)題目要求。AD736轉(zhuǎn)換電路圖見附錄圖1-2。2.3 電阻與頻率的理論分析本文選擇串

9、聯(lián)分壓原理，將電阻的測量轉(zhuǎn)換為電壓進行采集測量，電路原理圖見附錄圖1-3。根據(jù)串聯(lián)分壓原理和歐姆定律原理，可以得到電阻計算公式：Rx=V*R0/Ux - R0。為了提高AD對電壓信號的采集精度，對于不同的電壓范圍采用不同的已知電阻值，用繼電器進行不同已知電阻的轉(zhuǎn)換。通過計算分析，用100作為小于1K的電阻測量，用1K作為1K到10K的電阻測量。對于測頻的測量，本文采用STM32內(nèi)部的輸入捕捉功能在一定的時間內(nèi)捕捉交流信號脈沖并計數(shù)，從而求出頻率。由于題目中為說明輸入信號的峰值為多少，因此為了擴大儀器對輸入信號的頻率測量能力，利用三極管二級放大處理以及整波處理，可以得到對電壓的正弦交流信號和方波

10、信號的頻率檢測。但是由于對于三極管的信號放大對于高電壓會存在失真現(xiàn)象，因此本系統(tǒng)只能測量小電壓信號的頻率。經(jīng)過理論計算分析，輸入電壓范圍小于1V。測頻電路見附錄圖1-4.2.4 電流測量的理論分析由于單片機只能對電壓信號進行處理，無法直接對電流信號進行采集，因此，本文通過將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的原理進行處理采集。采樣電阻選值為86，待測電流范圍為100A10mA，即所采得電壓理想值范圍為8.6mv860mv，實際電壓值略有偏差。由于所用內(nèi)置A/D為12位A/D，基本可以滿足8.6mv860mvd的電壓范圍，所以把所采得的電壓直接交由單片機測量處理。三電路與程序設(shè)計3.1單元電路設(shè)計3.1.1

11、 直流電壓測量電路直流電壓檢測電路見附錄圖1-1，其中PA2，PA0為AD采集電壓口PC2為高低電平將決定NPN8050三極管是否導(dǎo)通，單片機通過檢測PC2的電平從而在軟件上控制哪路AD采集口的電壓為真實電壓值。3.1.2 交流電壓測量電路交流電壓的檢測電路的AD736外圍模塊圖1-2，通過此模塊可以將交流電壓信號精確的轉(zhuǎn)換為其交流電壓有效值，從而輸出給單片機檢測。交流電壓檢測的自動量程換擋電路原理圖如附錄圖1-2，圖中io1和io2即為自動量程轉(zhuǎn)換控制口。當(dāng)io1和io2均為低電平時，檢測電路對輸入電壓縮小200倍，用于檢測2V到20V的電壓；當(dāng)io1為高電平，io2為低電平時，檢測電路對輸

12、入電壓縮小20倍，用于檢測200mV到2V的電壓；當(dāng)io1為低電平，io2為高電平時，檢測直接輸入的電壓，用于檢測0到200mV的電壓。3.1.3 電阻與頻率測量電路電阻的測量電路見附錄圖1-3，其中P0、P1、P2為測電阻自動量程轉(zhuǎn)換控制IO口，根據(jù)其電阻值范圍可以實現(xiàn)自動換擋。頻率的測量電路見附錄圖1-4，圖中5為信號輸入端口。J為頻率測量口。3.1.4 電流測量電路電流的測量電路見附錄圖1-5，其中Vin為電路供電電壓輸入口，iin為AD采集電壓信號點，從而測得電壓并將其轉(zhuǎn)換為電流值。3.1.5 電源升壓模塊由于題目要求整個系統(tǒng)有一節(jié)1.5V的1號干電池供電，若不對電源電壓進行升壓處理，

13、將無法滿足儀器的工作電壓要求，因此本儀器設(shè)計了一個電源升壓模塊對電源電壓進行升壓，并且其升壓的電源輸出功率可以滿足系統(tǒng)要求。電源升壓模塊電路見附錄圖1-6.3.2 軟件設(shè)計該系統(tǒng)基于Keil uVision4進行程序編寫，仿真環(huán)境為proteus7.7.部分程序設(shè)計見附錄四測試方案與測試結(jié)果4.1 測試儀器：數(shù)字萬用表Agilent 34405A、函數(shù)信號發(fā)生器EE1411、數(shù)字示波器DS10521、學(xué)生電源QJ-3003S，電橋TH2822A4.2 測試方法對于直流電壓，直接由數(shù)字萬用表測出實際電壓值，與液晶顯示的值相比較，測其相對誤差。對于交流電壓，直接由數(shù)字萬用表測出交流電壓的有效值與液

14、晶顯示的值相比較，測其相對誤差；對于電阻的測量，用電橋測得實際的電阻值與液晶顯示的值相比較，求出相對誤差；用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦波，用示波器測得其頻率，與液晶顯示的值相比較求出相對誤差；4.3 測試結(jié)果經(jīng)過反復(fù)多組的數(shù)據(jù)測試，并求出其相對誤差，各參數(shù)測量數(shù)據(jù)及相對誤差結(jié)果見附錄。通過測試結(jié)果得出結(jié)論，可以滿足一下幾點。 項 目 項目完成情況基本部分直流電壓量程200mV、2V、20V , 精度5.0%+1； 完成交流電壓量程200mV、2V、20V，精度5.0%+1，頻率響應(yīng)40400Hz； 基本完成任務(wù)電阻量程101000，精度5.0%+1；完成（1020k內(nèi)滿足精度）測量值LC

15、D顯示； 5110LCD液晶顯示具有自動量程轉(zhuǎn)換功能 完成 發(fā) 揮 部 分能測量信號頻率 (范圍:100HZ-10KHZ)，精度1%+1；完成（在100Hz100kHz內(nèi)誤差1%）直流電壓、交流電壓、電阻的測量精度提高至1%+1; 完成萬用表用1只1.5V 一號電池供電; 完成萬用表工作電流不超過20mA(測量直流電壓時); 未能完成其它創(chuàng)新功能。擴展部分參數(shù)測量范圍，增加了對小電流的高精度測量五設(shè)計總結(jié)本文運用自動控制原理實現(xiàn)了對多種電參數(shù)直流電壓、交流電壓、電阻、電流、頻率等的精確測量。各個模塊方案的原理成熟，思路清晰，具有很好的可行性。同時采用各個電參數(shù)分模塊實現(xiàn)功能檢測的思想，可以很好

16、的防止模塊之間的干擾；同時程序?qū)崿F(xiàn)多路ADC采集，也在一定程度上防止程序干擾。同時系統(tǒng)由一節(jié)1.5V干電池供電，完全符合題目的要求，達到了節(jié)能低功耗的要求。但是本系統(tǒng)也有一定的缺陷，由于單片機AD采樣時會導(dǎo)致系統(tǒng)工作電流較大，從而會導(dǎo)致系統(tǒng)的工作電流較大。為了改變這個缺點，可以對系統(tǒng)的工作模塊在程序上進行優(yōu)化，在不工作時系統(tǒng)進入休眠模式，從而減少工作電流。六參考文獻1 趙明莉.基于MSP430F5438單片機的交流電壓測量.傳感檢測及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)2 劉軍編著 例說STM32 北京航空航天大學(xué)出版社 2011年4月3 康華光主編 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）高等教育出版社 2006年1月七附錄圖

17、1-1 直流電壓測量電路及自動量程切換圖1-2 交流電壓AD736外圍模塊電路及自動量程切換圖1-3 電阻測量電路圖1-4 測頻電路圖1-5 電流測量電路圖1-6 電源升壓模塊電路圖1-7 系統(tǒng)主板電路原理圖圖1-8 STM32f103RBT6芯片原理圖數(shù)據(jù)測試結(jié)果直流電壓值測量結(jié)果相對誤差實際值測得值相對誤差實際值測得值0.99691919.80.0610.9934349.290.0610.99668718.410.0610.9930138.730.0610.99652617.560.0610.9921997.820.0610.99640516.970.0610.9916217.280.0610.99632516.60.0610.9910036.780.0610.99606715.510