自動(dòng)量程數(shù)字萬用表

1、自動(dòng)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(dòng)量程數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以STM32F103RBT6作為核心MCU，配合外圍的各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了交流電壓、直流電壓、頻率、電阻以及電流的高精度測(cè)量，同時(shí)具有自動(dòng)更換量程功能。所測(cè)得值在LCD5110液晶顯示屏上顯示，整個(gè)儀器完全由一節(jié)1.5V一號(hào)電池供電，達(dá)到了低功耗的目的。關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)，AD736，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換，升壓模塊一 方案設(shè)計(jì)與論證1.1 MCU的選擇方案一：MSP430系列單片機(jī)MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州公司（TI）1996年開始推向市場(chǎng)一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集SC）的混合信

2、號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)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(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機(jī)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(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富的優(yōu)點(diǎn)。方案二：51系列單片機(jī)51單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛

3、應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。方案三：STM32系列單片機(jī)由于STM32F103RBT6的時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算。內(nèi)嵌128KB FLASH程序存儲(chǔ)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(gè)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(cè)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(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測(cè)量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達(dá)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(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過3%. 方案二：純計(jì)算法求出交流電壓有效值首先，利用運(yùn)放整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流周期電壓信號(hào)。用純計(jì)算法來測(cè)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(hào)的周期必須等于采樣周期的整數(shù)倍和有

5、理分?jǐn)?shù)倍。從而利用STM32單片機(jī)來測(cè)量交流信號(hào)的有效值。綜合考慮，由于方案二對(duì)于系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)很復(fù)雜，并且無法精確的控制交流信號(hào)的周期是采樣周期的整數(shù)倍和有理分?jǐn)?shù)倍，因此導(dǎo)致測(cè)量精度比較低。而方案二的程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)清晰。因此，本系統(tǒng)選擇方案二作為系統(tǒng)測(cè)交流電壓的原理。其電路原理圖見附錄圖1-1。1.3 電阻測(cè)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(cè)量Rx和R0上的電壓。由公式 計(jì)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(cè)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(cè)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(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機(jī)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(duì)測(cè)量精度要求而言，方案二需要測(cè)量的電阻值多，而且測(cè)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(jī)讀取轉(zhuǎn)化，精確度會(huì)明顯的提高。而方案一的原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，而且由于12位

7、的ADC可以在很大程度上彌補(bǔ)方案一精度低的缺陷。故本設(shè)計(jì)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(gè)范圍內(nèi)測(cè)電阻的精度要求。二理論分析與設(shè)計(jì)2.1 直流電壓的理論分析本題目要求對(duì)于直流電壓的測(cè)量范圍為020V。首先，由于STM32單片機(jī)的AD內(nèi)部基準(zhǔn)源為3.3V，因此無法直接檢測(cè)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(duì)于03V的電壓可以直接采集。其功能實(shí)現(xiàn)具體電路圖見附錄圖1-1.2.2 交流電壓的測(cè)量的理論分析與電路設(shè)計(jì)本題目要求對(duì)于交流電壓的測(cè)量范圍為020V。為了實(shí)現(xiàn)題目要求，本文選用AD736芯片將交流信號(hào)轉(zhuǎn)

8、換為其交流信號(hào)的有效值之后進(jìn)行采集，但是由于AD736滿量程只能達(dá)到200mv，因此我們需要對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行處理。本文以200mv，2v為臨界點(diǎn)，當(dāng)輸入交流電壓有效值小于200mv時(shí)，直接進(jìn)行采集；當(dāng)電壓有效值在200mv到2v之間時(shí)，將輸入信號(hào)縮小20倍之后輸入AD736之后再對(duì)AD736輸出電壓進(jìn)行采集；當(dāng)電壓有效值大于2V時(shí)，將輸入信號(hào)縮小200倍之后輸入AD736之后再對(duì)AD736的輸出電壓進(jìn)行采集。最后再對(duì)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后顯示真實(shí)電壓有效值。經(jīng)過理論分析與計(jì)算，這個(gè)換擋設(shè)計(jì)以及電壓采集均可以實(shí)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(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行采集測(cè)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(jì)算公式：Rx=V*R0/Ux - R0。為了提高AD對(duì)電壓信號(hào)的采集精度，對(duì)于不同的電壓范圍采用不同的已知電阻值，用繼電器進(jìn)行不同已知電阻的轉(zhuǎn)換。通過計(jì)算分析，用100作為小于1K的電阻測(cè)量，用1K作為1K到10K的電阻測(cè)量。對(duì)于測(cè)頻的測(cè)量，本文采用STM32內(nèi)部的輸入捕捉功能在一定的時(shí)間內(nèi)捕捉交流信號(hào)脈沖并計(jì)數(shù)，從而求出頻率。由于題目中為說明輸入信號(hào)的峰值為多少，因此為了擴(kuò)大儀器對(duì)輸入信號(hào)的頻率測(cè)量能力，利用三極管二級(jí)放大處理以及整波處理，可以得到對(duì)電壓的正弦交流信號(hào)和方波

10、信號(hào)的頻率檢測(cè)。但是由于對(duì)于三極管的信號(hào)放大對(duì)于高電壓會(huì)存在失真現(xiàn)象，因此本系統(tǒng)只能測(cè)量小電壓信號(hào)的頻率。經(jīng)過理論計(jì)算分析，輸入電壓范圍小于1V。測(cè)頻電路見附錄圖1-4.2.4 電流測(cè)量的理論分析由于單片機(jī)只能對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，無法直接對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，因此，本文通過將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的原理進(jìn)行處理采集。采樣電阻選值為86，待測(cè)電流范圍為100A10mA，即所采得電壓理想值范圍為8.6mv860mv，實(shí)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(jī)測(cè)量處理。三電路與程序設(shè)計(jì)3.1單元電路設(shè)計(jì)3.1.1

11、 直流電壓測(cè)量電路直流電壓檢測(cè)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(jī)通過檢測(cè)PC2的電平從而在軟件上控制哪路AD采集口的電壓為真實(shí)電壓值。3.1.2 交流電壓測(cè)量電路交流電壓的檢測(cè)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(hào)精確的轉(zhuǎn)換為其交流電壓有效值，從而輸出給單片機(jī)檢測(cè)。交流電壓檢測(cè)的自動(dòng)量程換擋電路原理圖如附錄圖1-2，圖中io1和io2即為自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換控制口。當(dāng)io1和io2均為低電平時(shí)，檢測(cè)電路對(duì)輸入電壓縮小200倍，用于檢測(cè)2V到20V的電壓；當(dāng)io1為高電平，io2為低電平時(shí)，檢測(cè)電路對(duì)輸

12、入電壓縮小20倍，用于檢測(cè)200mV到2V的電壓；當(dāng)io1為低電平，io2為高電平時(shí)，檢測(cè)直接輸入的電壓，用于檢測(cè)0到200mV的電壓。3.1.3 電阻與頻率測(cè)量電路電阻的測(cè)量電路見附錄圖1-3，其中P0、P1、P2為測(cè)電阻自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換控制IO口，根據(jù)其電阻值范圍可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。頻率的測(cè)量電路見附錄圖1-4，圖中5為信號(hào)輸入端口。J為頻率測(cè)量口。3.1.4 電流測(cè)量電路電流的測(cè)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(hào)點(diǎn)，從而測(cè)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(gè)系統(tǒng)有一節(jié)1.5V的1號(hào)干電池供電，若不對(duì)電源電壓進(jìn)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(jì)了一個(gè)電源升壓模塊對(duì)電源電壓進(jìn)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(jì)該系統(tǒng)基于Keil uVision4進(jìn)行程序編寫，仿真環(huán)境為proteus7.7.部分程序設(shè)計(jì)見附錄四測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試儀器：數(shù)字萬用表Agilent 34405A、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器EE1411、數(shù)字示波器DS10521、學(xué)生電源QJ-3003S，電橋TH2822A4.2 測(cè)試方法對(duì)于直流電壓，直接由數(shù)字萬用表測(cè)出實(shí)際電壓值，與液晶顯示的值相比較，測(cè)其相對(duì)誤差。對(duì)于交流電壓，直接由數(shù)字萬用表測(cè)出交流電壓的有效值與液

14、晶顯示的值相比較，測(cè)其相對(duì)誤差；對(duì)于電阻的測(cè)量，用電橋測(cè)得實(shí)際的電阻值與液晶顯示的值相比較，求出相對(duì)誤差；用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦波，用示波器測(cè)得其頻率，與液晶顯示的值相比較求出相對(duì)誤差；4.3 測(cè)試結(jié)果經(jīng)過反復(fù)多組的數(shù)據(jù)測(cè)試，并求出其相對(duì)誤差，各參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)及相對(duì)誤差結(jié)果見附錄。通過測(cè)試結(jié)果得出結(jié)論，可以滿足一下幾點(diǎn)。 項(xiàng) 目 項(xiàng)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(cè)量值LC

15、D顯示； 5110LCD液晶顯示具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能 完成 發(fā) 揮 部 分能測(cè)量信號(hào)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(cè)量精度提高至1%+1; 完成萬用表用1只1.5V 一號(hào)電池供電; 完成萬用表工作電流不超過20mA(測(cè)量直流電壓時(shí)); 未能完成其它創(chuàng)新功能。擴(kuò)展部分參數(shù)測(cè)量范圍，增加了對(duì)小電流的高精度測(cè)量五設(shè)計(jì)總結(jié)本文運(yùn)用自動(dòng)控制原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)量。各個(gè)模塊方案的原理成熟，思路清晰，具有很好的可行性。同時(shí)采用各個(gè)電參數(shù)分模塊實(shí)現(xiàn)功能檢測(cè)的思想，可以很好

16、的防止模塊之間的干擾；同時(shí)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(shí)系統(tǒng)由一節(jié)1.5V干電池供電，完全符合題目的要求，達(dá)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(jī)AD采樣時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作電流較大，從而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的工作電流較大。為了改變這個(gè)缺點(diǎn)，可以對(duì)系統(tǒng)的工作模塊在程序上進(jìn)行優(yōu)化，在不工作時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，從而減少工作電流。六參考文獻(xiàn)1 趙明莉.基于MSP430F5438單片機(jī)的交流電壓測(cè)量.傳感檢測(cè)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(cè)量電路及自動(dòng)量程切換圖1-2 交流電壓AD736外圍模塊電路及自動(dòng)量程切換圖1-3 電阻測(cè)量電路圖1-4 測(cè)頻電路圖1-5 電流測(cè)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(cè)試結(jié)果直流電壓值測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差實(shí)際值測(cè)得值相對(duì)誤差實(shí)際值測(cè)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