低功耗數(shù)字萬用表的設(shè)計

張華

【摘要】數(shù)字萬用表亦稱數(shù)字多用表，簡稱DMM（Digtial Multimeter）。它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。本設(shè)計以STC89LE52RC為核心，設(shè)計制作了低功耗數(shù)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(qiáng)等特點。整個系統(tǒng)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。

【關(guān)鍵詞】STC89LE52RC；低功耗；測量；萬用表

1、總體方案設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，制定了整體的設(shè)計方案：將直流供電電源模塊、信號采集與AD轉(zhuǎn)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(chuàng)建一個在STC89LE52RC最小系統(tǒng)版上可編程片上系統(tǒng)。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(shè)計

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

2.1 主控模塊（單片機(jī)的選擇）

方案一：AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復(fù)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(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。

方案二：STC89LE52RC是宏晶科技有限公司生產(chǎn)的以51為內(nèi)核的系列單片機(jī)的一種，是高速、超低功耗、超強(qiáng)干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-10倍；價格低，使用范圍廣等優(yōu)點。它的使用電壓為3.3V，使整個系統(tǒng)功耗更小。

2.2 直流供電電源模塊

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

方案一：采用W7805或W7905集成穩(wěn)壓源三端固定輸出穩(wěn)壓器W7805。它具有過流、過熱和安全區(qū)保護(hù)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(diào)整率.為0.01%V。

方案二：采用TPS5430集成電壓基準(zhǔn)源。是TI推出的一款性能優(yōu)越的 DC /DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片。具有寬電壓輸入范圍、高轉(zhuǎn)換效率、有過流保護(hù)及熱關(guān)斷功能 、具有開關(guān)使能腳 ， 關(guān)狀態(tài)僅有 17 u A 靜止電流。是調(diào)整率高、穩(wěn)定性好的TPS5430電壓基準(zhǔn)源，做成雙5V供電系統(tǒng)。

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(tǒng)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(zhuǎn)化為3.3V。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

方案一：ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。其轉(zhuǎn)換速率比雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器快的多，每秒鐘采樣高達(dá)幾十萬次，但是轉(zhuǎn)換精度相對較低。

方案二：采用TLC2543，它是12位的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，相比與ADC0809轉(zhuǎn)換精度大大提高。

所需設(shè)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TLC2543，既能實現(xiàn)精度要求也能實現(xiàn)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?qū)щ娦裕梢院苋菀椎牡玫街绷麟妷海玫降碾妷翰▌哟螅灰卓刂疲瑴y量困難。

方案二：交流測量是用AD637真有效值轉(zhuǎn)換芯片將交流信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為交流電壓的有效值。AD637的轉(zhuǎn)化電路如右圖。

綜合考慮，我們采用方案二，可以滿足設(shè)計要求。

2.5 電阻測量模塊

方案一：選用常規(guī)的電阻分壓法，對含待測元件的電阻網(wǎng)絡(luò)加以穩(wěn)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(yōu)點為方法簡單，易于實現(xiàn)，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(zhǔn)的恒流源法與分壓法相結(jié)合的方案，通過繼電器改變電路狀態(tài)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(biāo)準(zhǔn)正弦信號加于含待測元件的RC網(wǎng)絡(luò)，通過采樣多點電位求解電路狀態(tài)，消除誤差。優(yōu)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(fù)雜。

3、程序設(shè)計

首先以A/D轉(zhuǎn)換器（TLC2543）為核心，設(shè)計一個多檔的直流電壓測量電路，再在此基礎(chǔ)上對電路進(jìn)行擴(kuò)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(jī)（AT89S52）編程對各個主要模塊的進(jìn)行智能控制和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)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(zhuǎn)換等功能，并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人們?nèi)粘Ａ?xí)慣的十進(jìn)制數(shù)字形式顯示在LED顯示器上。

開關(guān)選用繼電器，以實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換；當(dāng)檢測到量程較大（較小）時，單片機(jī)給繼電器發(fā)出信號以切換較小（較大）量程。

結(jié)語：

在本次論文設(shè)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(yè)基礎(chǔ)，能熟練駕馭知識的能力，團(tuán)隊的團(tuán)結(jié)合作精神，吃苦耐勞的品質(zhì)以及遇見問題沉著冷靜的態(tài)度。我們真正體會到了身為大學(xué)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(xué)習(xí)工作積累了寶貴的經(jīng)驗。

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