低功耗數字萬用表的設計

文/張華 銀座集團股份有限公司濟南銀座金牛購物廣場 山東濟南 250000

低功耗數字萬用表的設計

文/張華 銀座集團股份有限公司濟南銀座金牛購物廣場 山東濟南 250000

數字萬用表亦稱數字多用表，簡稱DMM（Digtial Multimeter）。它是采用數字化測量技術，把連續的模擬量轉換成不連續的、離散的數字形式并加以顯示的儀表。本設計以STC 89LE52RC為核心，設計制作了低功耗數字萬用表并完成了直流電壓、交流電壓和電阻、電容、溫度的測量，具有測量精度高，抗干擾能力強等特點。整個系統采用9V方電池供電，由電源模塊、直流和交流電壓測量模塊、電阻測量模塊、電容測量模塊、溫度測量模塊、液晶顯示模塊等組成。

STC 89LE52RC；低功耗；測量；萬用表

1、總體方案設計

根據設計要求，制定了整體的設計方案：將直流供電電源模塊、信號采集與AD轉換電路、直流電壓測量電路、交流電壓測量電路、電阻測量電路、電容測量電路、溫度測量電路和LCD顯示電路和鍵盤控制電路等器件集成在一片模板上，創建一個在STC89LE52RC最小系統版上可編程片上系統。通過測量，用LCD液晶將各種所需信息實時顯示。

2、硬件電路設計

根據實際的測量需要，在本電路設計中，采用模塊化設計思路。對整個電路以模塊為單位，進行方案的分析、比較和論證。

2.1 主控模塊（單片機的選擇）

方案一：AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP（Insystem programmable）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C 51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。

方案二：STC 89LE52RC是宏晶科技有限公司生產的以51為內核的系列單片機的一種，是高速、超低功耗、超強干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051，但速度快8-10倍；價格低，使用范圍廣等優點。它的使用電壓為3.3V，使整個系統功耗更小。

2.2 直流供電電源模塊

此模塊設計為整個儀表的正常工作提供電源，其電壓輸出穩定性將影響A/D轉換精度，為滿足設計要求，利用性能穩定可靠、外圍元件少的集成三端式穩壓器提供電源。

方案一：采用W 7805或W 7905集成穩壓源三端固定輸出穩壓器W 7805。它具有過流、過熱和安全區保護功能，輸入電壓范圍為: 9 ～20V；輸出電壓為5V，電流為1.5A，電壓調整率.為0.01%V。

方案二：采用TPS5430集成電壓基準源。是TI推出的一款性能優越的 DC /DC開關電源轉換芯片。具有寬電壓輸入范圍、高轉換效率、有過流保護及熱關斷功能 、具有開關使能腳 ， 關狀態僅有 17 u A 靜止電流。是調整率高、穩定性好的TPS5430電壓基準源，做成雙5V供電系統。

通過兩種方案的對比，考慮到低功耗、性能等多方面的因素，我們采用方案二。系統中還要用到3.3V電源，采用TI公司的X1117--3.3V芯片，它能直接把5V轉化為3.3V。

2.3 A/D轉換模塊

方案一：ADC 0809是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/ D模數轉換器。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片。其轉換速率比雙積分式A/D轉換器快的多，每秒鐘采樣高達幾十萬次，但是轉換精度相對較低。

方案二：采用TLC 2543，它是12位的逐次逼近A/D轉換器，相比與ADC 0809轉換精度大大提高。

所需設計的萬用表對精度要求比較高，速度要求也比較高，所以采用方案二中12位的TLC 2543，既能實現精度要求也能實現采樣速率的要求。

2.4 交流電壓測量模塊

方案一：半波整流電路。利用二極管的單向導電性，可以很容易的得到直流電壓，但得到的電壓波動大，不易控制，測量困難。

方案二：交流測量是用AD 637真有效值轉換芯片將交流信號轉換成直流電壓后測量，輸出直流電壓的值是輸入交流電壓的真有效值。其他的都和直流電壓類似，只是在顯示時轉化為交流電壓的有效值。AD637的轉化電路如右圖。

綜合考慮，我們采用方案二，可以滿足設計要求。

2.5 電阻測量模塊

方案一：選用常規的電阻分壓法，對含待測元件的電阻網絡加以穩定電流或電壓信號，通過采樣待測元件兩端電壓值計算阻值，方案優點為方法簡單，易于實現，缺點為沒有考慮信號與元件誤差，精度較低，對小電阻的測量誤差大。

方案二：采用可自校準的恒流源法與分壓法相結合的方案，通過繼電器改變電路狀態并用同一采樣電路采樣不同點處的電位，以求解待測電阻阻值。方案優點為測量精度高，可消除電路與元件引入的誤差。

綜合上述兩種法案的優缺點，方案二可有效提高測量精度。故選擇方案二。

2.6 電容測量模塊

方案一：采用555搭建振蕩電路，通過測量電路振蕩頻率計算接入電路的待測電容的大小，優點為電路簡單易搭建，對于較大電容測量精度理想。

方案二：采用類似于分壓法測電阻的測量方式，將標準正弦信號加于含待測元件的RC網絡，通過采樣多點電位求解電路狀態，消除誤差。優點為理論精度較高，可測量范圍較寬；缺點為電路、求解過程復雜。

3、程序設計

首先以A/D轉換器（TLC 2543）為核心，設計一個多檔的直流電壓測量電路，再在此基礎上對電路進行擴展，使其能多量程的測量交流電壓、電阻、電容和溫度的測量電路。然后通過單片機（AT89S52）編程對各個主要模塊的進行智能控制和數據處理，實現對直流電壓、交流電壓、電阻、電容和溫度測量對象切換；手動和自動量程轉換等功能，并將測量數據轉換為人們日常習慣的十進制數字形式顯示在LED顯示器上。

開關選用繼電器，以實現量程的自動轉換；當檢測到量程較大（較小）時，單片機給繼電器發出信號以切換較小（較大）量程。

結語：

在本次論文設計中，我們真正體會到制作一件成功的作品并不像想象的那樣簡單，它需要扎實的專業基礎，能熟練駕馭知識的能力，團隊的團結合作精神，吃苦耐勞的品質以及遇見問題沉著冷靜的態度。我們真正體會到了身為大學生的意義，解決問題的能力得到了很大的提高，為我們以后的學習工作積累了寶貴的經驗。

［1］謝維成，楊加國.主編.《單片機原理與應用及C 51程序設計》北京：清華大學出版社，2006年.

［2］郭天祥.主編.《新概念51單片機C語言教程.入門.提高.開發》北京：電子工業出版社，2009年.

［3］先鋒工作室.編著《單片機程序設計實例》北京：清華大學出版社，2003年.

［4］童長飛.編著《Keil Cx51 V 7.0單片機高級語言編程與μVision 2應用實踐》北京：電子工業出版社，2005年.