EEPW论坛

作者：山东理工大学 赵见国 林渠 李恒伟
指导教师：苗汇静 王立新

　　作品简介

　　1.1 开发背景
　　为了克服目前使用的数字万用表、数字电桥、电压表、电流表等仪表存在价格高、体积大、功耗高、误差大、操作繁琐、数值显示不稳、需配备220V交流电源等缺点，设计开发了手持式低功耗高精度数字多功能表。

　　1.2 结构说明
　　如图1-1所示，是手持式低功耗高精度数字多功能表原理方框图。　　

　　本系统采用低功耗单片机STC15F2K61S2为控制核心，主要由电源变换电路、各种功能测量电路(包括直流电压、交流电压、电流、电阻、电容、三极管放大倍数、晶体管PN结电压及温度)、测量功能自动转换电路、键盘和LCD1602显示器组成。整个系统用单片机控制，键盘操作，用LCD1602显示测量数值。
　　如图1-2所示，是手持式低功耗高精度数字多功能表的面板图。　　

 　　1.3 功能与使用说明
　　1. 功能
　　本仪表具有电压、电流、电阻、电容、三极管放大倍数、PN结压降及温度的测量功能，并实时显示相关的测量数值。只需9V电池供电，实现了 位的测量精度。

　　2. 使用说明
　　(1)按下【电源】开关。
　　(2)每按下【功能】按键，数字表将在“DC Function，AC Function，Res Function，Cap Function，Tri Function，PN Function，T Function，I Function”及“直流电压、交流电压、电阻、电容、三极管、PN结、温度、电流”测量模式中循环，按下【切换】键进入该测量模式。操作过程中LCD液晶显示器显示操作状态。
　　(3)量程切换方法：在相应测量模式下，按下【功能】将进行量程的切换，同时需要手动切换量程开关，LCD液晶显示器将显示测量模式、量程及测量值等信息。
　　(4)测量功能切换方法：在某种测量功能下，按下【切换】将跳出该功能，重新进行功能选择。
　　(5)休眠唤醒：当超过1分钟未操作时，电表将进入休眠状态，此时按下【功能】、【切换】任一键即可将其唤醒，亦可关闭电源开关，重新开机。
　　(6)测量数据保持：在任意测量模式下，按下【保持】键，测量信息将不再变化，方便读取。
　　(7)测量时，电压、电流、电阻需用表笔测量，三极管、PN结、电容还可直接插在相应插孔上测量。

　　平台选型说明

　　本仪表用低功耗单片机STC15F2K61S2为控制核心，实现了直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、电容、三极管放大倍数、PN结压降及温度的测量功能。整个系统用单片机控制，键盘操作，用LCD1602显示测量数值。
　　为了提高测量精度，在交流电压测量电路中，用精密仪器放大器芯片OPA2111设计了自动较零型仪器放大器;用高精度芯片AD736，实现了交流到直流的转换。
　　为了使仪表可靠稳定地工作，采用晶体管代替了原始的机械开关，消除了机械开关长期工作因氧化等问题而引起的接触不良等问题。
　　为了减小测量误差，采用24位AD芯片ADS1232，并用2.5V参考电压，提高AD分辨率。

　　设计说明

　　1 设计方案及论证
　　1.1 设计方案
　　如图1所示，是手持式低功耗高精度数字多功能表原理方框图。　　

 　　本系统以STC15F2K61S2单片机为控制核心，主要由电源变换电路、各种功能测量电路(包括电压、电流、电阻、电容、三极管放大倍数、晶体管PN结电压及温度测量)、测量功能自动转换电路、AD采样电路、键盘和LCD1602显示器组成。

　　1.2 高精度测量方案论证
　　为提高测量精度，AD采样芯片选用TI公司的高精度AD芯片ADS1232，此芯片为24位高精度低功耗AD芯片，参考电压选用2.5V，所以精度可以提高到 。为实现位测量精度，对其它器件和电路也提出了相应的要求。在交流电压测量电路中，采用精密仪器放大器OPA2111芯片，设计了自动较零型仪器放大器。在交流变直流信号处理电路中，采用了AD736高精度芯片。AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/ DC 转换芯片，其主要特点是准确度高、灵敏性好、测量速率快、频率特性好 (工作频率范围可达0～460kHz) 、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低(最大的电源工作电流为200μA)。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±0. 3 %。

　　2 硬件电路设计及理论分析计算
　　2.1低功耗供电系统电路
　　本仪表用普通9V电池供电，由LM2596S构成高效电源降压模块，为单片机提供待机电源。其余各测量功能模块由单片机控制，工作部分通过小功率开关管S8550由单片机选择性通电，以保证低功耗运行。如图2所示，是直流供电系统电路原理图。　　

 　　当开关S1闭合时，由LM2596S芯片、稳压二极管IN5824、电感L1及电容C2构成DC-DC转换电路，输出+5V电压。

　　2.2 直流电压测量电路
　　如图3所示，是直流电压测量电路原理图。
　　直流电压测量电路，由R1、R2串联组成，可知此电路的输入阻抗≥1MΩ，以保证测量时减小对被测电路的影响。其原理是利用串联电阻的分压原理，当测量电压大于2V时，将输入电压降低10倍，从Test2点采样，以满足AD芯片的输入要求;当电压小于2V时，采样点从Test1，将采样值通过单片机计算，由LCD1602输出测量结果。

　　2.3 交流电压测量电路
　　如图4所示，是交流电压测量电路原理图。　　

 　　交流电压测量电路由二级组成，第一级用由OPA2111精密仪器放大器及其外围器件构成自动较零型仪器放大器，以提高测量精度和减小测量误差。第二级由AD736组成交流变直流电路。再将输出的直流电压信号加到A/D采样电路，由单片机处理后，由LCD1602输出测量结果。

　　工作原理：
　　(1)该模块工作时，单片机P2.0口输出低电平，开关管S8550相当与机械开关闭合，再由B0505芯片产生-5V，为此模块供电。
　　(2)第一级电路中，当开关S4、S5均打在3位置时，完成自动校零功能;当开关S4、S5均打在1位置时，完成放大功能。
　　输出电压和输入电压的关系为： 公式(1)
　　测量电路可分为几个量程，如：开关S1闭合时，R1=1kΩ，是0.2V量程;开关S2闭合时，R2=10kΩ，是2V量程;开关S3闭合时，R3=100kΩ，是20V量程。如再增大量程时，可再加相应的电阻及开关。
　　(3)第二级电路用AD736完成交流变直流功能，是专用的单片精密真有效值A/D转换器，功耗小，其测量误差小于±0.3%。