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手持式低功耗高精度数字多功能表

专家
2013-01-07 14:36:10    评分

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%。




关键词: 手持     式低     功耗     高精度     数字     多功能     交流     单片    

专家
2013-01-07 14:52:53    评分
2楼

  2.4 电阻测量电路
  如图5所示,是电阻测量电路原理图。  

   电阻测量电路工作时,单片机P2.1置零,由MC1403产生2.5V参考电压,由待测电阻Rx及内部分压电阻组成分压电路,AD芯片进行采样,单片机进行处理,由LCD1602输出测量结果。
  工作原理:当开关S1、S2、S3相应闭合时,选取对应的量程,AD在Test3处采样。
  测量电路可分为几个量程,如:开关S1闭合时,R4=200Ω,是200Ω量程;开关S2闭合时,R2=2kΩ,是2kΩ量程;开关S3闭合时,R3=20kΩ,是20kΩ量程。如再增大量程时,可再加相应的电阻及开关。

  2.5 电容测量电路
  如图6所示,是电容测量电路原理图。  

   工作原理:该模块工作时,P2.2置零,测量模块通电,考虑到电容测量的准确性和简便性,采用555定时器构成的多谐振荡器来测量电容。测量电路可分为几个量程,如:当量程为100uF时,将R2短接,即 ,。量程为100nF时, 。如再增大量程时,可再加相应的电阻及开关。根据理论计算,多谢振荡器的振荡周期为,其中R1、 R2为已知电阻,通过单片机在某个下降沿触发,再到第n个下降沿截止,通过计数器计数m个机器周期,根据,计算出振荡周期,即可得出电容C。

  2.6 三极管放大倍数β测量电路
  如图7所示,是三极管放大倍数β测量电路原理图。该模块工作时,P2.3置零,测量模块通电。
  “Test1”为测试NPN型三极管,通过测量电压,根据公式由单片机处理后,计算出β值,由LCD1602输出测量结果。“Test2”为测试PNP型三极管,通过测量电压,可求得β值。

  2.7 直流电流测量电路
  如图8所示,为直流电流测量电路原理图。
  测量电路可分为几个量程,如:为20A、200mA、20mA及2mA,分别对应电阻0.01Ω、1Ω、10Ω、100Ω。其中20A量程单独使用25A保险管,其余各量程使用300mA保险管,AD从保险管后耦合电阻对地采样,由单片机计算电流值,LCD1602显示。  

   2.8 AD 采样模块
  如图9所示,是AD采样模块电路图。芯片采用24位AD芯片:ADS1232,为了进一步提高分别率,参考电压使用2.5V,以提高测量精度。

  2.9 测晶体管PN结电压及温度电路
  如图10所示,为测晶体管PN结电压及温度原理图
  模块工作时,P2.4置零,该部分电路通电,因晶体管的PN结电压随温度变化,温度每升高1°C,PN结的结压降下降2mV。测量时将当前环境下的PN结电压及根据温度计算出25℃时PN结的电压同步显示出来,这样测量PN结的结压更精确。  

   3 系统软件设计
  3.1主程序流程图
  系统软件采用C语言编程。如图11所示,是主程序流程图。  

   3.2系统自动休眠设计
  如图12所示,是系统自动休眠框图。定时由单片机定时器完成,当1分钟没有按键按下时,则自动进入休眠,此时按任意键则由单片机中断唤醒,进入休眠期前状态。

  4 结论
  本仪表实现了 位的测量精度,具有体积小、成本低、高精度、低功耗、操作简便、显示稳定等优点,只需9V电池供电,携带方便。再加后续完善,可作为正式仪表推广应用。

  作品特色

  (1) 具有创新性
  本仪表只需9V电池供电,实现了 位测量精度,携带方便。克服了其它仪表用220V交流电源供电、体积大、功耗大的缺点。

  (2) 具有先进性
  本仪表采用低功耗、低价格的单片机STC15F2K61S2为控制核心,配以其它高精度集成电路设计,电路设计具有先进性,测量精度高。如:
  ①交流电压测量电路选用OPA2111,设计自动校零型仪器放大器,UOS≤5μV,Drift≤0.028μV/℃。
  ②交流变直流电路用AD736,是经过激光修正的单片精密真有效值AC/ DC 转换器,用它来测量电压的综合误差不超过±0. 3 %。
  ③A/D转换采用24位AD芯片ADS1232,并用2.5V参考电压,提高AD分别率。
  ④为了使仪表可靠稳定地工作,消除机械开关长期工作因氧化等问题而引起的接触不良,采用晶体管代替了原始的机械开关。
  (3)具有实用性和推广价值
  随着电子技术迅速发展,对测量仪器提出了更高要求。该仪表具有体积小、成本低、高精度、低功耗、操作简便、显示稳定等优点,只需9V电池供电,携带方便。再加后续完善,可作为正式仪表推广应用。可替代目前数字万用表、数字电桥、电压表、电流表等仪器仪表。

系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2331


菜鸟
2016-05-29 13:18:38    评分
3楼
好用不

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