智能萬用表H05

1、封裝紙智能數(shù)字萬用表論文摘要 本設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心，采用12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，主要完成對(duì)交流、直流電壓及電阻的測(cè)量?；緷M足題目對(duì)直流電壓、交流電壓及電阻測(cè)量的精度要且在電壓測(cè)量時(shí)滿足輸入阻抗大于等于。在該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)信號(hào)采集模塊、單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊三個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)信號(hào)采集模塊主要完成對(duì)交、直流電壓及電阻值的采集和轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換以及交、直流電壓和電阻測(cè)量的自動(dòng)識(shí)別。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊基于傅立葉變換對(duì)測(cè)得的工頻交流信號(hào)進(jìn)行諧波分析，計(jì)算出各個(gè)諧波分量的百分比。增加了超量程LED顯示報(bào)警以及交流測(cè)試頻率顯示功能。一、方案選擇

2、與論證1、系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)采用單片機(jī)為核心，將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為電阻值轉(zhuǎn)換、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、交流電壓有效值轉(zhuǎn)換、結(jié)果顯示等功能模塊，完成對(duì)交、直流電壓及電阻的歸一化測(cè)量，系統(tǒng)框圖如圖1所示。電阻的測(cè)量利用恒流源將電阻轉(zhuǎn)換成電壓測(cè)量；自動(dòng)識(shí)別測(cè)量通過兩級(jí)選通開關(guān)，前級(jí)實(shí)現(xiàn)電阻與電壓的切換，后級(jí)實(shí)現(xiàn)交直流信號(hào)的切換；通過將輸入電壓統(tǒng)一降壓100倍，再利用程控放大器對(duì)不同的電壓值進(jìn)行放大選通實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換；交流信號(hào)通過交/直流轉(zhuǎn)換成后，直接對(duì)其有效值進(jìn)行測(cè)量；單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸入電平，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入4位數(shù)碼管顯示，滿足最大量程3999的要求。2、系統(tǒng)方案論證方案一：采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7

3、149大規(guī)模集成電路，組成DVM數(shù)字電壓測(cè)量模塊,而電阻、交流電壓都可以通過相應(yīng)的變換器，把它們變換成直流電壓，然后用DVM數(shù)字電壓測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量，直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。此方法使電路和軟件的設(shè)計(jì)大大簡化，并具有較高精度，但是ICL7149集成電路價(jià)格較貴，性能價(jià)格比較低，且不能實(shí)現(xiàn)諧波分量的分析處理。 方案二：采用以單片機(jī)數(shù)據(jù)處理為核心, 結(jié)合多路模擬開關(guān)、分壓電路、恒流源電路、AC/DC轉(zhuǎn)換電路等硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法。單片機(jī)軟件編程靈活，自由度大，可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)交、直流電壓和電阻測(cè)量的全自動(dòng)識(shí)別及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行幅度采集，經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后顯示。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，

4、能提高系統(tǒng)的智能化程度，并且測(cè)量結(jié)果的精度可以很高。比較以上兩種方案，方案一和方案二都可以實(shí)現(xiàn)本題目的基本要求，但方案一較難實(shí)現(xiàn)本題中發(fā)揮部分的功能擴(kuò)展，而方案二可以通過單片機(jī)對(duì)諧波分量進(jìn)行計(jì)算和分析，從而測(cè)量工頻交流電的諧波分量的百分比。并且可以較易實(shí)現(xiàn)其他功能的拓展。因此采用方案二實(shí)現(xiàn)。二、硬件電路設(shè)計(jì)與比較硬件電路主要包括電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路、AC/DC轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及鍵盤顯示電路。其中電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路主要實(shí)現(xiàn)電阻值到電壓值的轉(zhuǎn)換；AC/DC轉(zhuǎn)換電路可以將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的有效值轉(zhuǎn)換，方便于單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器采樣；自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)量程

5、轉(zhuǎn)換功能；顯示電路用于顯示測(cè)量結(jié)果和超量程警告信息。 1）電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路a、由于電阻不易直接測(cè)量，故需將其轉(zhuǎn)換成其他參量進(jìn)行測(cè)量。方案一：采用恒壓源電路，將被測(cè)電阻值轉(zhuǎn)換為電流值進(jìn)行測(cè)量，但電流值的測(cè)量不易實(shí)現(xiàn)，且精度難以提高。方案二：采用恒流源電路，將被測(cè)電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值進(jìn)行測(cè)量，即用恒流源產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流通過被測(cè)電阻，通過測(cè)量電阻兩端的電壓，再根據(jù)歐姆定律求出被測(cè)電阻值。這種方法簡單易行，精度較高。本設(shè)計(jì)選擇方案二。b、恒流源的選擇：方案一：采用運(yùn)算放大器和穩(wěn)壓管等分立元件組成恒流源電路。但這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試比較困難，且精度難以滿足要求。方案二：采用三端串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開

6、關(guān)恒流源。集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，它是以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)，利用晶體管的電流放大作用，增大負(fù)載電流；在電路中引入深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定。該集成穩(wěn)壓器中除包含有調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、取樣電路和比較放大電路，還具有過流、過熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路。使用集成穩(wěn)壓器可以簡化恒流源電路，精度高。本設(shè)計(jì)采用方案二。2) 自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路方案一：直接利用電阻分壓,通過單片機(jī)對(duì)多路模擬開關(guān)進(jìn)行選擇實(shí)現(xiàn)多量程自動(dòng)切換。該電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是電壓分壓不穩(wěn)定。方案二：通過多路模擬開關(guān)與運(yùn)放的組合，設(shè)置了多個(gè)量程開關(guān)，利用單片機(jī)對(duì)模擬開關(guān)的控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)量程之間的自動(dòng)切換。利用兩級(jí)模擬開開關(guān)，前級(jí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)功

7、能的自動(dòng)識(shí)別，后級(jí)實(shí)現(xiàn)了全量程的自動(dòng)切換。由于題目要求對(duì)高電壓進(jìn)行測(cè)量，需對(duì)電壓值進(jìn)行縮放，因此選擇方案二。3）AC/DC轉(zhuǎn)換電路對(duì)于交流電壓，由于單片機(jī)只能處理單向直流電壓信號(hào)，所以應(yīng)先將其轉(zhuǎn)化為直流電壓后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，再通過單片機(jī)控制進(jìn)行采樣量化。方案一：采用平均值檢波的方法。但是該方法存在測(cè)量非正弦信號(hào)誤差較大、測(cè)量小信號(hào)時(shí)漂移較大的問題。方案二：用一般的二極管-電容型峰值檢波器實(shí)現(xiàn)。由于二極管的正向壓降是隨著充電電流和溫度而變化的,因此電容所保持的值也是不穩(wěn)定的。方案三：采用運(yùn)放的半波整流與將平均值轉(zhuǎn)換成有效值電路，該電路能將交流信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成其有效值，減少了單片機(jī)的運(yùn)算量，且轉(zhuǎn)換

8、精度較高。鑒于以上方案，考慮到平均值檢波和峰值檢波存在的缺點(diǎn)，為了保證交流電壓測(cè)量精度的要求，故采用方案三實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換過程。4）A/D轉(zhuǎn)換電路由于所測(cè)電阻最大值為400歐，且分辨率為0.1歐，因此A/D的分辨率應(yīng)滿足下式：，得，即應(yīng)選擇十二位以上的A/D轉(zhuǎn)換器。采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，從速度和轉(zhuǎn)換精度來看即可滿足要求，且電路結(jié)構(gòu)簡單。因此選用逐次比較型A/D574對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。5）鍵盤顯示電路a.鍵盤設(shè)定：設(shè)有開始按鍵、復(fù)位鍵和測(cè)量控制鍵，啟動(dòng)開始按鍵，通過單片機(jī)對(duì)被測(cè)交、直流電壓和電阻進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)識(shí)別交、直流電壓及電阻測(cè)量。b.顯示電路：電路如圖2所示。由4片74LSl64串級(jí)

9、擴(kuò)展為4個(gè)8位并行輸出口，分別連接到4個(gè)LED顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。圖2 三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及理論分析1、硬件電路部分1）電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路由于電阻測(cè)量值界于10400歐，分辨率為0.1歐，而電壓測(cè)量時(shí)設(shè)定內(nèi)部量程為4V檔，故恒流源選用10mA，使得電阻轉(zhuǎn)換成電壓測(cè)量時(shí)對(duì)應(yīng)的范圍為0.4V-4V檔。選用78系列的7805三端固定式穩(wěn)壓管構(gòu)成恒流源電路，實(shí)現(xiàn)電阻/電壓的轉(zhuǎn)換。電路如圖3所示：圖3 該電路由MC7805固定式集成穩(wěn)壓器、電容及負(fù)載電阻構(gòu)成。固定式集成穩(wěn)壓器工作在懸浮狀態(tài)，在輸出端2和公共端3之間接入一電阻，其輸出電流與電阻的關(guān)系滿足下式：，其中為7805的靜態(tài)電流，小于10mA。當(dāng)較

10、小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略。如果選用可調(diào)電阻，電路可給負(fù)載提供某一范圍的恒定電流。在本設(shè)計(jì)中要產(chǎn)生一恒定的電流，且7805穩(wěn)壓器的輸出電壓為5V ，則由上述公式可知，電阻應(yīng)為500 歐。2）自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路電路如圖4所示。本系統(tǒng)采用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就必須滿足其輸入電壓在05V范圍之內(nèi)，因此對(duì)于大于5V的電壓不能直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，所以要將大電壓值進(jìn)行衰減后才送入A/D采集。又電壓的量程分為3檔，即4V、40V、400V。為了實(shí)現(xiàn)3檔電壓量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換并提高輸入阻抗，先用10M:100K的電阻將被測(cè)電壓經(jīng)過分壓，即將電壓衰減100倍且輸入阻抗大于；然后經(jīng)過一電壓跟隨器，隔離后級(jí)

11、程控放大器對(duì)輸入端電阻的影響，真正實(shí)現(xiàn)電壓衰減100倍。程控放大器將衰減后的信號(hào)按其電壓值分別放大10倍、1倍和1/10倍，使得各檔輸出的電壓值均滿足小于等于4V。其衰減倍數(shù)通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)的A、B端來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)AB為11時(shí)，衰減100倍、AB為10時(shí)，衰減10倍、AB為01時(shí)，衰減1倍。經(jīng)過程控放大器后的信號(hào)是反向的小于等于0.4V的信號(hào)，為了便于測(cè)量，應(yīng)將其變?yōu)檎虻男∮诘扔?V的信號(hào)。故加一級(jí)放大倍數(shù)為10倍的反向放大器。由于以上放大器都是反向放大器，其放大倍數(shù)均為，其中為反饋電阻。由此可選擇如圖示電路圖中的參數(shù)。圖43）AC/DC轉(zhuǎn)換電路自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換模塊輸出信號(hào)仍為交流信號(hào)，由于A

12、/D采樣不能準(zhǔn)確的采樣到交流信號(hào)的峰值，勢(shì)必將增加測(cè)量誤差，因此我們將交流信號(hào)AC/DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為其有效值后再進(jìn)行采樣，其轉(zhuǎn)換電路由半波整流電路和將平均值轉(zhuǎn)換成有效值的電路組成，電路圖所示：圖由于是把交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效值，故在整流前加10U電容慮掉直流電壓。整流電路中，二極管和10K電阻串聯(lián)反饋使得電壓為負(fù)半周時(shí)，輸出電壓為零；電壓為正半周時(shí)，由于運(yùn)用了反向輸入，輸出為負(fù)半波整流電壓。輸出電壓集成電路OP07后二極管取出，其目的是利用二極管的正向電壓改善OP07的增益，反饋電阻以補(bǔ)償二極管的正向壓降。反饋電阻阻值于與輸入電阻阻值相等，此級(jí)無放大作用，因此輸出電壓幅值與整流前相等。平均值轉(zhuǎn)有

13、效值電路是一個(gè)積分運(yùn)算電路。電路中根據(jù)虛短、虛地的原理，電容中的電流等于流過電阻的電流，輸出電壓與電容上的電壓成反向的關(guān)系，而電容上的電壓等于其電流的積分，故滿足。由于前級(jí)使用的是半波整流，故反饋電阻加以可調(diào)電阻改變其放大倍數(shù)，調(diào)節(jié)平均值使得與其有效值相等。22U電容起濾波作用，使得輸出平滑的直流電壓。4）A/D轉(zhuǎn)換電路A/D574是12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us，轉(zhuǎn)換精度為0.05，由于芯片內(nèi)有三太輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連，而無需附加邏輯接口電路。且能與CMOS及TTL兼容。通過改變AD574引腳8、10、12的外接電路，可使AD57

14、4進(jìn)行單極性和雙進(jìn)行模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)測(cè)量范圍在04V，因此采用單極性轉(zhuǎn)換電路。利用500歐電位器作為滿量程調(diào)整，100K電位器作零位調(diào)整，使輸入位零時(shí)輸出也位零，電路如圖所示： 圖6 1、數(shù)據(jù)處理部分1）、電壓、電阻的計(jì)算分析 在外部硬件電路中，已經(jīng)對(duì)交流信號(hào)作了有效值分析，故單片機(jī)對(duì)電壓電阻值的處理只需乘上前級(jí)的倍數(shù)關(guān)系，并進(jìn)行誤差調(diào)整即可。2）、對(duì)諧波分量的分析與計(jì)算 運(yùn)用離散傅立葉變換對(duì)諧波分量進(jìn)行分析。任何一個(gè)滿足狄里赫利條件的周期函數(shù),除基波外還含有直流分量和各次諧波，均可以分解為一個(gè)傅立葉級(jí)數(shù)，即式中：,T為的周期，-為各頻率成分的振幅所測(cè)信號(hào)是一個(gè)周期性的時(shí)間函數(shù)，利用離散

15、傅立葉變換，可將一個(gè)周期的信號(hào)分割成等分，則,由此得出：同理可得：，所以第次的諧波幅度的計(jì)算式為：，由此可以推導(dǎo)出諧波分量的計(jì)算方法： 第K次諧波電壓含有率 ，式中為第K次的諧波電壓（均方根值）。式中，為采樣點(diǎn)數(shù)，為第個(gè)采樣點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值；K為被分析的諧波次數(shù)所測(cè)信號(hào)波形是鏡對(duì)稱的，沒有恒定分量和偶次諧波，只有奇次諧波；為基波電壓（均方根值）。四、軟件設(shè)計(jì)及軟件流程圖：1） 軟件初始化：系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)單片機(jī)及外圍電路模塊進(jìn)行初始化，如置電壓表初始狀態(tài)為直流電壓測(cè)量狀態(tài)，且衰減100倍。2）鍵盤中斷采用查詢方式進(jìn)行處理，當(dāng)掃描到有中斷請(qǐng)求時(shí)，就根據(jù)不同的按鍵功能轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序模塊。 全自動(dòng)識(shí)別 電

16、壓、電阻測(cè)量程序流程圖自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換 五、測(cè)試結(jié)果及誤差分析 1、 測(cè)量儀器2、 測(cè)試數(shù)據(jù)1）直流電壓值數(shù)據(jù)見下表：(0-4V-40V-400V)測(cè)量值/V0.0000.5041.1032.0252.5023.1013.5023.998顯示值/V0.0000.5011.1052.0152.5023.0813.4823.994誤差/%0%0.60%0.18%0.49%0%0.64%0.57%0.11%測(cè)量值/V4.24010.2615.3620.5425.2230.5239.95顯示值/V4.21110.1515.2520.4524.9230.1239.24誤差/%0.68%1.07%0.72%0

17、.44%1.19%1.31%1.78%測(cè)量值/V40.2062.1282.47100.5120.6180.4220.1380.3顯示值/V40.2362.4282.67100.3118.9178.7216.5372.9誤差/%0.75%0.48%0.24%0.20%1.41%0.94%1.64%1.95%2）交流電壓值數(shù)據(jù)見下表: (有效值:0-4V-40V-400V)測(cè)量值/V0.0000.5101.1122.2252.5413.3253.5743.998顯示值/V0.0000.5131.1142.2262.5403.2963.5213.926誤差/%0%0.59%0.18%0.04%0.0

18、4%0.09%1.48%1.81%測(cè)量值/V4.24510.3515.6520.7725.5730.4539.95顯示值/V4.25710.4515.7420.8025.5430.1039.34誤差/%0.28%0.97%0.58%0.14%0.12%1.15%1.53%測(cè)量值/V40.2562.7482.45104.5122.6183.4220.2380.3顯示值/V40.3062.5882.38104.2124.8181.5222.1375.6誤差/%0.12%0.26%0.09%0.29%1.79%1.04%0.87%1.24%3）電阻值數(shù)據(jù)如下表:測(cè)量值/1047100150240330390430顯示值/10.247.3100.8149.3238.5327.4386.2422.1誤差/%20%0.64%0.80%0.47%0.63%0.79%1.27%0.21%、誤差分析1) A/D轉(zhuǎn)換器的誤差:/D轉(zhuǎn)換經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過程。在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被最小量化單位即量化中所取的最小數(shù)量單位整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，即量化誤差。它屬于原