全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽論文.doc

2012山東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽論文題目:低功耗數(shù)字多功能表的設(shè)計(jì)制作論文編號(hào)：072A006參賽學(xué)校：青島工學(xué)院參賽學(xué)生：王天暉 王朋 王傳沛聯(lián)系方13658684562導(dǎo)教師：金余義 麻名蕊二一二 年 九 低功耗數(shù)字多功能表的設(shè)計(jì)制作摘要：本低功耗數(shù)字多功能表的設(shè)計(jì)是以TI公司的32位低功耗單片機(jī)LM3S1138為主控制核心，利用NE555-TI芯片組成的多諧振蕩電路將電阻值和電容值的變化轉(zhuǎn)換成方波脈沖頻率的變化、利用TLC372-TI芯片組成的過(guò)零比較器電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成方波頻率的變化，然后計(jì)數(shù)器測(cè)頻后通過(guò)單片機(jī)運(yùn)算，最后將計(jì)算出的值送給LCD顯示，達(dá)到了精確測(cè)量的效果。通過(guò)單片機(jī)控制AD9851芯片輸出頻率和幅值可調(diào)的正弦波，實(shí)現(xiàn)了正弦波信號(hào)源的功能。為了降低功耗，系統(tǒng)采用單片機(jī)所具有的休眠模式，完成了自動(dòng)開(kāi)、關(guān)機(jī)的功能。系統(tǒng)還使用了語(yǔ)音WT588D模塊使系統(tǒng)更加人性化。關(guān)鍵詞：LM3S1138單片機(jī)；NE555-TI；低功耗數(shù)字多功能表；休眠模式； 1方案論證與設(shè)計(jì)本系統(tǒng)先設(shè)計(jì)總體方案，列舉關(guān)鍵模塊，然后對(duì)關(guān)鍵模塊進(jìn)行論證與選擇。1.1總體方案與系統(tǒng)框圖根據(jù)題目的要求，本低功耗數(shù)字多功能表的設(shè)計(jì)制作主要由測(cè)量模塊、控制器模塊、按鍵選擇模塊和顯示模塊等幾大部分構(gòu)成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)整體框圖1.2模塊的論證與選擇1.2.1控制器模塊的論證選擇方案一：采用89C51控制。此方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低，運(yùn)用廣泛，容易上手。但該單片機(jī)能夠?qū)嵱玫钠瑑?nèi)外資源有限，定時(shí)計(jì)數(shù)器少、無(wú)A/D轉(zhuǎn)換、能用的IO口比較少、頻率低、處理速度慢、功耗高、功能單一，難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。方案二：采用TI公司提供的32位LM3S1138作為系統(tǒng)的核心控制器。LM3S1138具有32位的RSIC性能，強(qiáng)大的MCU控制內(nèi)核，可以工作在50MHz的頻率下，多路中斷，并設(shè)有內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)，處理速度快，并且還有多個(gè)GPIO，多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換端口等。就整體而言LM3S1138有更高的性?xún)r(jià)比，且功耗比較低。由于LM3S1138具有強(qiáng)大的功能、豐富的中斷定時(shí)器及A/D轉(zhuǎn)換模塊，并且功耗很低，故選擇方案二。1.2.2 放大器的論證及選擇方案一：采用一般的反相放大器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但精度不高，波形很容易失真，一般達(dá)不到題目的指標(biāo)要求。方案二：采用由TI公司生產(chǎn)的高精度低噪聲運(yùn)放芯片OPA227-TI,該集成運(yùn)放芯片具有低功耗、低失真、低溫漂、低噪聲、高帶寬和較廣增益等特點(diǎn)。綜上所述，由于本設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)量的精度要求較高，故采納方案二。1.2.3顯示模塊的論證與選擇方案一：采用LED數(shù)碼管顯示，控制比較簡(jiǎn)單，但占用較多的I/O口，不能實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，而且只能顯示一些簡(jiǎn)單的字符，顯示信息量有限。方案二：采用LCD液晶顯示，優(yōu)點(diǎn)是功耗低、字跡清晰、美觀、視覺(jué)舒服，因此具有友好的人機(jī)交流顯示界面，還能更好的顯示其它功能?；谏鲜鯨CD液晶屏的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇方案二。2原理分析計(jì)算與硬件電路圖2.1直流供電系統(tǒng)DC/DC的選擇與參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)中，單片機(jī)需3.3V供電，運(yùn)算放大器需要5V供電,本設(shè)計(jì)采用了AZ1117三端穩(wěn)壓管輸出3.3V電壓；采用7805和7905三端穩(wěn)壓管輸出5V電壓。電壓產(chǎn)生電路見(jiàn)附錄一圖1所示。由公式（2-1）得電路總功耗P。 （2-1）其中U是模塊供電電壓，I是電路總電流，P是電路總功耗。2.2直流電壓測(cè)量電路為了精確的使單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)需要對(duì)測(cè)量到的小電壓進(jìn)行放大，大電壓進(jìn)行縮減，如圖2所示，本設(shè)計(jì)中使用了TI公司的集成運(yùn)放芯片OPA227-TI組成同向比例運(yùn)算電路對(duì)采集到的電壓Ui(00.2V)進(jìn)行了10倍的放大，其放大計(jì)算公式為： (2-2-1)圖2 同向比例運(yùn)算電路如圖3 所示電路是利用了串聯(lián)電路分壓的原理把采集到的電壓Ux（020V）進(jìn)行了10倍的縮減,其縮減計(jì)算公式為： (2-2-2)圖3 串聯(lián)分壓電路2.3 交流電壓測(cè)量電路 如圖4所示電路的設(shè)計(jì)采用TI公司提供的集成運(yùn)放TLC372-TI芯片，用此芯片組成過(guò)零比較器電路，從集成運(yùn)放輸出端的限幅電路可以知道: (2-3)圖4 過(guò)零比較器電路圖2.4電阻測(cè)量電路TI公司提供的NE555定時(shí)器是一種用途很廣的集成電路，只需接少量R、C元件，就可以構(gòu)成多諧、單穩(wěn)態(tài)及施密特觸發(fā)器。電阻的測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)”，由NE555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)電阻的大小。如圖5所示為電阻測(cè)試電路仿真圖。圖5 電阻測(cè)試電路仿真圖NE555-TI接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： (2-4-1)得出： (2-4-2)即： (2-4-3)2.5 電容測(cè)量電路電容的測(cè)量同樣采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由NE555-TI電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)電容的大小。電容測(cè)試電路仿真圖見(jiàn)附錄二圖2,NE555-TI接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： （2-5-1）設(shè)置得出： （2-5-2）即： （2-5-3）2.6 晶體三極管值的測(cè)量電路該電路的設(shè)計(jì)是采用TI公司提供的的高精度低噪聲運(yùn)放芯片OPA227-TI組成的集成運(yùn)放電路，其電路圖如圖6所示。圖6 晶體三極管值的測(cè)量電路由電路圖可得： （2-6-1） （2-6-2）即得晶體三極管的值為： （2-6-3）2.7 正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路本正弦波信號(hào)源的產(chǎn)生是利用AD9851芯片，它內(nèi)部含高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器及高速比較器，它可以產(chǎn)生一個(gè)頻率純凈、頻率和相位都可以編程的控制且穩(wěn)定性很好的模擬正弦波。其電路設(shè)計(jì)見(jiàn)附錄二圖11所示。2.8 顯示部分電路 LCD液晶顯示電路見(jiàn)附錄二圖4。 3 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件部分主要由控制模塊、測(cè)量模塊和顯示模塊組成。系統(tǒng)主程序流程圖見(jiàn)附錄一圖1，中斷程序流程圖見(jiàn)附錄一圖2。軟件實(shí)現(xiàn)的功能：讀取測(cè)量電路輸出產(chǎn)生的振蕩頻率。實(shí)現(xiàn)對(duì)LED和LCD的數(shù)據(jù)輸出。對(duì)單片機(jī)進(jìn)行休眠模式的控制。4系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析4.1 測(cè)試環(huán)境時(shí)間：2012年9月17日 溫度：27 地點(diǎn)：室內(nèi)4.2測(cè)試儀器及方法 測(cè)試儀器包括：精度0.01s秒表，34401A六位半數(shù)字萬(wàn)用表，DS1022C 示波器，DG1012C信號(hào)發(fā)生器，CA18303D穩(wěn)壓源等。測(cè)量時(shí)，先將待測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)工具如數(shù)字萬(wàn)用表等測(cè)量出來(lái)，然后用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，最后計(jì)算出誤差。4.3測(cè)試數(shù)據(jù)4.3.1基本要求測(cè)試（1）表1所示是用直流穩(wěn)壓源作為被測(cè)信號(hào)源進(jìn)行測(cè)得的的數(shù)據(jù)。表1 直流電壓測(cè)試數(shù)據(jù)信號(hào)源電壓/V0.0500.1000.3001.5003.00010.0019.00測(cè)試值/V0.0510.1010.3051.5052.959.9018.80相對(duì)誤差/%2.001.001.670.331.701.001.05（2）表2所示是用信號(hào)發(fā)生器作為被測(cè)交流電壓信號(hào)，并用萬(wàn)用表測(cè)量的值與本系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比。表2 交流電壓測(cè)試數(shù)據(jù)信號(hào)源峰值/V0.1251.25010.0015.0019.00萬(wàn)用表讀數(shù)/V0.0880.8807.0710.6113.43測(cè)量值/V0.0870.8007.1410.5213.38相對(duì)誤差/%1.141.120.990.850.4（2）表3所示數(shù)據(jù)是通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量的電阻值與本系統(tǒng)測(cè)量的電阻對(duì)比。表3電阻測(cè)量數(shù)據(jù)（3）表4所示數(shù)據(jù)是通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量的容值與本系統(tǒng)測(cè)量的電容值對(duì)比。電阻標(biāo)值 1001701k1.8k10k17k測(cè)量值101.2171.10.998 1.786 9.8816.89相對(duì)誤差/%1.200.650.200.781.200.65表4 電容測(cè)量數(shù)據(jù)電容標(biāo)值10nF100nF22F47F100F測(cè)量值9.8598.221.446.898.5相對(duì)誤差/%1.50.042.730.431.5（4）表5所示是測(cè)得的電流放大倍數(shù)的值。表5 晶體管測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)定值851253301000測(cè)量值085.8126.6326997相對(duì)誤差/%0.241.281.210.34.3.1發(fā)揮部分測(cè)試為了降低功耗，系統(tǒng)能在1分鐘后完成“自動(dòng)關(guān)機(jī)功能”，任意按下按鍵，系統(tǒng)“開(kāi)機(jī)”。完成了幅值可調(diào)且?guī)缀醪皇д娴恼也ㄐ盘?hào)源功能。仿真電路圖見(jiàn)附錄二圖5。5.4誤差分析與結(jié)論測(cè)試過(guò)程中，引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象的因素有很多，如選用的實(shí)驗(yàn)元件受溫度的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的誤差產(chǎn)生，集成運(yùn)放不是理想運(yùn)放，其運(yùn)放性能指標(biāo)對(duì)運(yùn)算誤差有影響、選用的實(shí)驗(yàn)原件存在系統(tǒng)偏差等，這些因素綜合影響實(shí)驗(yàn)的整體效果。通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，不但完成了基本要求和發(fā)揮部分的功能，并增加了多個(gè)創(chuàng)新功能，如語(yǔ)音提示、液晶顯示時(shí)間、溫度等功能。6總 結(jié)在同組三人的緊密團(tuán)結(jié)、精誠(chéng)合作下，小組終于完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，并有所發(fā)揮，這是與大學(xué)兩年的理論學(xué)習(xí)、平時(shí)的電子訓(xùn)練及老師的教導(dǎo)是分不開(kāi)的。經(jīng)過(guò)此次電子設(shè)計(jì)大賽的磨練，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和實(shí)踐能力，體會(huì)到了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。由于知識(shí)水平有限、時(shí)間倉(cāng)促，作品還有很多缺陷有待于繼續(xù)完善，在此要感謝我們的指導(dǎo)老師。也在此懇請(qǐng)各位評(píng)委老師批評(píng)指正。參考文獻(xiàn)1 童詩(shī)白等 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