全国大学生电子设计大赛获奖论文.docx
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全国大学生电子设计大赛获奖论文
2012年山东省大学生电子设计竞赛
A题
低功耗数字多功能表的设计制作
低功耗数字多功能表的设计制作
摘要:
用低功耗单片机为控制核心,设计了低功耗数字多功能表。
本系统包括:
直流电压、交流电压、电阻、电容、三极管放大倍数的测量和正弦波信号源电路。
为了提高测量精度,在信号源、电阻、交流电压三个测量电路中,用OPA2111精密仪器放大器芯片,设计了自动较零型仪器放大器。
交流电压信号处理电路中,采用了AD736交流变直流芯片,测量精度较高。
按照题目要求完成了全部功能,并自由发挥增加了晶体管PN结电压的测量功能及温度测量功能。
仿真结果和试验数据表明,本系统具有较高的测量精度,再加后期研发完善,可推广作为数字万用表使用。
关键词:
数字多功能表,低功耗,高精度,单片机控制
Abstract:
Withlowpowerconsumptionsingle-chipmicrocomputerascontrolcore,designthelowpowerconsumptiondigitalmulti-functiontable.Thissystemincludes:
dcvolts,acvoltage,resistance,capacitance,triodemagnificationfactormeasurementandsinewavesignalsourcecircuit.Inordertoimprovethemeasurementprecision,thesignalsource,resistance,acvoltagethreeinthemeasurementcircuit,withOPA2111precisioninstrumentamplifierchip,designtheautomaticazerotypeinstrumentamplifier.Intheacvoltagesignalprocessingcircuit,adoptedAD736acvariabledcchip,hashighaccuracy.Accordingtothetopicrequestcompletedallfunction,andfreeplaytoincreasethediodeandtriodep-njunctionvoltagemeasurementfunction.Thesimulationresultsandtestdatashowthatthissystemhashighmeasurementprecision,addlaterresearchandperfect,canbegeneralizedasdigitalmultimeteruse.
Keywords:
digitalmulti-functiontable,lowpowerconsumption,highprecision,single-chipmicrocomputercontrol
目录
1.方案选择及论证3
1.1方案选择3
1.2设计方案3
2.硬件电路设计及理论分析计算3
2.1低功耗供电系统电路3
2.2直流电压测量电路4
2.3交流电压测量电路4
2.4电阻测量电路5
2.5电容测量电路5
2.6三极管放大倍数测量电路6
2.7正弦波信号源电路6
3系统软件设计7
3.1主程序流程图7
3.2系统自动休眠设计7
4.测试方案和测试结果分析7
4.1直流电压测量方法和测试结果7
4.2交流电压测量方法和测试结果7
4.3电阻测量方法和测试结果8
4.4电容测量方法和测试结果8
4.5三极管放大倍数测量方法和测试结果8
4.6正弦波信号源测量方法和测试结果8
4.7晶体管PN结电压测量方法和测试结果9
5自由发挥部分9
5.1测晶体管PN结电压电路9
5.2温度测量电路9
6结论9
参考文献10
附录1:
系统电路原理总图11
附录2:
部分程序清单12
1.方案选择及论证
1.1方案选择
方案一:
选用MSP430单片机为控制核心。
MSP430是TI公司的16位低功耗单片机,电源电压范围宽为1.8~3.6V,很适合做低功耗数字多功能表,但我们只有一块电路板,没有备用板。
方案二:
选用ARM9作为控制核心。
ARM9具有体积小、低功耗、高性能等优点,但价格较高。
方案三:
选用STC12C5A16S2单片机为控制核心。
单片机STC12C5A16S2,其特点是超低功耗,超低价格,有38个I/O口,不需外加晶振和复位电路,高速10位8通道A/D,电源范围宽为2.4V~3.6V。
适合用于仪器仪表等电子产品。
综上所述,本设计选择方案三。
1.2设计方案
如图1所示,是低功耗数字多功能表原理方框图。
图1低功耗数字多功能表原理方框图
本系统以STC12C5A16S2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(包括直流电压、交流电压、电阻、电容、三极管放大倍数、晶体管PN结电压、温度测量)、正弦波信号源电路、测量功能自动转换电路、键盘和LCD1602显示器组成。
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
各部分电路和芯片所需的电压,由直流供电系统电路提供。
如图2所示,是直流供电系统电路原理图。
图2直流供电系统电路原理图图3直流电压测量电路原理图
当开关S2闭合时,由LM7805、B0506、C1、R1构成DC-DC转换电路,从A点输出+5V电压,从B点输出-5V电压。
当开关S1闭合时,用稳压管得到3.0V稳定电压,从C点输出+3.0V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、R3串联组成,可知此电路的输入阻抗≥10MΩ,满足题目要求。
其原理是利用串联电阻的分压原理,分3个量程输出,分别是:
0.2V量程从a点输出,2V量程从b点输出,20V量程从c点输出。
分别将Ua、Ub、Uc加到A/D采样电路,由单片机处理后,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。
图4交流电压测量电路原理图
交流电压测量电路由三级组成,第一级采用跟随器,可提高输入阻抗,满足输入阻抗大于10MΩ。
第二级用由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。
第三级由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)第二级电路中,当开关S4、S5均打在1位置时,完成自动校零功能;当开关S4、S5均打在3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)
测量电路分3个量程,分别是:
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。
(2)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%。
2.4电阻测量电路
如图5所示,是电阻测量电路原理图。
图5电阻测量电路原理图
电阻测量电路用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。
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:
当开关S4、S5均打在1位置时,完成自动校零功能;当开关S4、S5均打在3位置时,完成放大功能。
输出电压和输入电压的关系为:
公式
(2)
测出Uo后,由公式
(2)计算出被测电阻Rx的值。
测量电路分3个量程,分别是:
开关S1闭合时,R1=1kΩ,是200Ω量程;开关S2闭合时,R2=10kΩ,是2kΩ量程;开关S3闭合时,R3=100kΩ,是20kΩ量程。
2.5电容测量电路
如图6所示,是电容测量电路原理图。
图6电容测量电路原理图图7三极管β测量电路原理图
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。
电容测量分为两个量程,当量程为100uF时,将
短接即
,
。
量程为100nF时,
。
根据理论计算,多谢振荡器的振荡周期为
,其中
、
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。
“Test1”为测试NPN型三极管,通过测量电压Ue,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Uc,
,
,
,可求得β值。
2.7正弦波信号源电路
如图8所示,是正弦波信号源电路原理图。
正弦信号由专用芯片AD9850设计制作,可由单片机控制输出频率连续可调的正弦波及方波,后接集成运放芯片,降低输出电阻,提高带负载能力,并控制输出峰峰值调节范围。
AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器。
系统核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位寄存器组成。
每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M增加。
相位寄存器没过2N/M个外部参考时钟后,返回到初始状态一次,从而是整个DDS系统输出一个正弦波。
输出正弦波周期T0=Tc2N/M,频率fout=Mfc/2N。
图8正弦波信号源电路原理图图9AD采样模块电路图
2.8AD采样模块
如图9所示,是AD采样模块电路图。
为了进一步减小测量误差,采用16位AD7705转换器,实现了高精度测量。
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10所示,是主程序流程图。
图10主程序流程框图图11系统自动休眠框图
3.2系统自动休眠设计
如图11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,此时按任意键则有单片机中断唤醒,进入休眠期前状态。
4.测试方案和测试结果分析
4.1直流电压测量方法和测试结果
1.测量仪器:
(1)直流稳压电源:
型号为MPS-3003L-3;
(2)4位半数字万用表:
型号为MS8050
2.测量方法:
用直流稳压电源输入直流电压,用4位半数字万用表测量输出电压。
二者比较,求出误差。
3.测试结果:
测量数据如表1所示。
表1直流电压测量数据
标准电压Ui(V)
0.050
0.100
0.150
0.300
1.000
1.500
3.000
实测电压Uo(V)
0.050
0.100
0.149
0.209
1.004
1.506
3.00
误差δ(%)
0
0
0.6
0.3
0.4
0.4
0
4.2交流电压测量方法和测试结果
1.测量仪器:
(1)函数信号发生器:
型号为F20;
(2)数字示波器:
型号为DS5152CA。
2.测量方法:
用函数信号发生器输入交流电压,用数字示波器测量输出电压,观察波形,并读取数值。
二者比较,求出误差。
3.测试结果:
测量数据如表2所示。
表2交流电压测试数据
标准电压ui(V)
0.050
0.100
0.150
0.300
1.000
1.500
3.000
标准频率fi(Hz)
50
150
300
50
150
300
50
实测电压uo(V)
0.050
0.100
0.151
0.208
1.007
1.509
3.01
误差δ(%)
0
0
0.6
0.7
0.7
0.6
0.3
4.3电阻测量方法和测试结果
1.测量仪器:
RLC数字电桥:
型号为YD2817B.
2.测量方法:
将电阻插到对应测量插孔,读取数值。
再用RLC数字电桥的电阻档,测量电阻,并记录数值。
二者比较,求出误差。
3.测试结果:
测量数据如表3所示。
表3电阻测量数据
标准R
10Ω
100Ω
150Ω
0.51kΩ
1kΩ
1.5kΩ
5.1kΩ
实测R
10.03Ω
100.2Ω
149.7Ω
0.512kΩ
1.003kΩ
1.505kΩ
5.10kΩ
误差δ(%)
0.3
0.2
0.2
0.4
0.3
0.4
0
4.4电容测量方法和测试结果
1.测量仪器:
RLC数字电桥:
型号为YD2817B。
2.测量方法:
将电容插到对应测量插孔,读取数值。
再用RLC数字电桥的电容档,测量电容,并记录数值。
二者比较,求出误差。
3.测试结果:
测量数据如表4所示。
表4电容测量数据
标准C
10nF
33nF
100nF
0.1uF
10uF
47uF
实测C
10.21nF
33.5nF
100.2nF
0.102uF
10.03uF
47.5uF
误差δ(%)
2.1
1.5
2.0
2.0
3.0
1.0
4.5三极管放大倍数β测量方法和测试结果
1.测量仪器:
数字万用表:
型号为VC9808+。
2.测量方法:
分别将NPN型或PNP型三极管,插入E、B、C对应的插孔,读取β值。
再用数字万用表的hFE档,分别将NPN型或PNP型三极管,插入数字万用表E、B、C对应的插孔,读取数值。
二者比较,求出误差。
3.测试结果:
测量数据如表5所示。
表5三极管放大倍数β测量数据
三极管型号
9013(NPN)
8050(NPN)
9012(PNP)
8550(PNP)
标准β(倍数)
380.2
230.1
140.1
330.1
实测β(倍数)
383
228
141
333
误差δ(%)
0.4
0.9
0.6
0.9
4.6正弦波信号源测量方法和测试结果
1.测量仪器:
数字示波器:
型号为DS5152CA。
2.测量方法:
用数字示波器测量输出电压,观察波形,并读取数值。
3.测试结果:
测量数据如表6所示。
表6正弦波信号源测试数据
输出电压uo
100.0mv
300.0mv
800.0mv
1.500v
3.000v
4.500v
5.300v
频率fi
100kHz
50kHz
10kHz
2kHz
500Hz
100Hz
10Hz
实测电压uo
99.0mv
298mv
796mv
1.49v
2.96v
4.48v
5.26v
实测频率fo
100kHz
50kHz
10kHz
2kHz
500Hz
100Hz
10Hz
误差δ(%)
1.00
0.67
0.50
0.67
1.33
0.44
0.75
4.7晶体管PN结电压测量方法和测试结果
1.测量仪器:
数字万用表:
型号为VC9808+。
2.测量方法:
将二极管(或三极管),插入PN结测试插孔,读取PN结电压数值。
再用数字万用表的二极管档,测量晶体管的PN结电压,红表笔接晶体管的P,黑表笔接晶体管的N。
二极管、三极管都可以测PN结电压。
3.测试结果:
测量数据如表7所示。
表7晶体管的PN结电压测量数据
Ube(三极管、二极管型号)
Ube(9014)
Ube(8050)
Ube(9013)
Ueb(8550)
1N4001
LED
高亮LED
标准PN结电压(v)
0.671
0.672
0.669
0.671
0.572
1.84
2.32
实测PN结电压(v)
0.678
0.678
0.664
0.675
0.568
1.83
2.32
误差δ(%)
1.04
0.89
0.74
0.59
0.70
0.54
0
5自由发挥部分
自由发挥增加了2个测量功能,分别是:
测晶体管PN结电压和环境温度。
5.1测晶体管PN结电压电路
如图12所示,测晶体管PN结电压电路。
图12测PN结电压原理图 图13测温度原理图
5.2温度测量电路
图13是测温度原理图。
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。
这样测量PN结的结压更精确。
如图12所示,是温度温度测量电路原理图。
采用DS18B20实现,测量范围-25℃~125℃,将测量结果通过LCD1602显示。
用温度计测量环境温度,并读取数值。
6结论
本设计按照题目要求完成了基本部分和发挥部分的全部功能,并自由发挥增加了晶体管PN结电压测量和温度测量的功能。
本多功能表具有较高的测量精度,再加后期研发完善,可推广作为数字万用表使用。
参考文献
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电子工业出版社,2008.
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电子工业出版社,2008.
[3]段尚枢.运算放大器应用基础[M].哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,1992.
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北京航空航天大学出版社,2006.
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北京航空航天大学出版社,2007.
[6]AD736.pdf
[7]STC15F2k60S2.pdf
[8]李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,2005.
[9]谢自美,电子线路设计.华中科技大学出版社,2006.
附录1:
系统电路原理总图
附录2:
部分程序清单
Main.c:
#include
#include
#include
#include"mytypedef.h"
#include"delay.h"
#include"LCD1602.h"
#include"keyscan.h"
//#include"sleep.h"
#include"ads1232.h"
//#include"dds9850.h"
#include"ad7705.h"
//常量定义
#defineADDR_ADD6
#defineMAIN_SLEEP_OPEN0
#defineCAP_SLEEP_OPEN0
#defineVOL_SLEEP_OPEN0
#defineMAIN_SLEEP500000
#defineCAP_SLEEP200000
#defineVOL_SLEEP200000
#defineln2(0.693147)
#defineR1A(0)
#defineR2A(198.33)
#defineERROR1(22E-9)
#defineR1B(0.936E6)
#defineR2B(0.981E6)
#defineERROR2(12E-12)
//测量三级管常量定义
#defineTRI_SLEEP_OPEN0//自动休眠开关
#defineTRI_SLEEP200000//自动休眠计数
#defineIb_NPN(10E-6)
#defineRe_NPN(10)
#defineIb_PNP(10E-6)
#defineRc_PNP(10)
sbitLED0=P1^0;
sbitsb_power=P3^2;
sbitsb_CapFn=P0^4;
//字符ASC定义
u8codeChooseFnAsc[]="ChooseFn:
";
u8codeCapFunctionAsc[]="CapFn:
";
u8codeCap100uFAsc[]="100uF";
u8codeCap100nFAsc[]="100nF";
u8codeCapnFAsc[]="nF";
u8codeCappFAsc[]="pF";
u8codeCapuFAsc[]="uF";
u8codeVolFunctionAsc[]="VolFn:
";
u8codeVol0_2Asc[]="0.2V";
u8codeVol2Asc[]="2V";
u8codeVol20Asc[]="20V";
u8codeVolmVAsc[]="mV";
u8codeVolVAsc[]="V";
u8codeTriFunctionAsc[]="TriFn:
";
u8codeSleepNowAsc[]="Sleeping......";
//全局变量定义
u16g_uiTimer0;
u32g_u32Sleep=0;
bitg_bCountOver;
jmp_bufbuf;
u8TH1Val=255,TL1Val=245;
bitgb_sleepFlag=0;
voidSleepNow();
voidInitInterrupt(void)
{
g_uiTimer0=0;
g_bCountOver=0;
//PCON=0x30;
TMOD=0x51;//0定时模式,工作方式1(16位定时),1计数模式,方式1(16位)
ET0=1;//定时器0允许
TH0=0;
TL0=0;
ET1=1;//定时器1允许
TH1=255;
TL1=255;//
PT1=1;//定时器1高优先级
TR1=1;//开定时器1
//EA=1;//开总中断
}
voidDisCapVal(u8addr,floatval)
{
if(val<1E-12)//<1pF
{
val*=1E12;
Dis1602float1_3(addr,val);
Dis1602Str(addr+ADDR_ADD,CappFAsc);
}
elseif((val>=1E-12)&&(val<1E-9))//1pF--1nF
{
val*=1E12;
if((val>=1)&&(val<10))
{
Dis1602float1_3(addr,val);
Dis1602Str(addr+ADDR_ADD,CappFAsc);
}
elseif((val>=10)&&(val<100))
{
- 配套讲稿:
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