论文部分内容阅读
【摘要】数字万用表亦称数字多用表，简称DMM（Digtial Multimeter）。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。本设计以STC89LE52RC为核心，设计制作了低功耗数字万用表并完成了直流电压、交流电压和电阻、电容、温度的測量，具有测量精度高，抗干扰能力强等特点。整个系统采用9V方电池供电，由电源模块、直流和交流电压测量模块、电阻测量模块、电容测量模块、温度测量模块、液晶显示模块等组成。
【关键词】STC89LE52RC；低功耗；测量；万用表
1、总体方案设计
根据设计要求，制定了整体的设计方案：将直流供电电源模块、信号采集与AD转换电路、直流电压测量电路、交流电压测量电路、电阻测量电路、电容测量电路、温度测量电路和LCD显示电路和键盘控制电路等器件集成在一片模板上，创建一个在STC89LE52RC最小系统版上可编程片上系统。通过测量，用LCD液晶将各种所需信息实时显示。
2、硬件电路设计
根据实际的测量需要，在本电路设计中，采用模块化设计思路。对整个电路以模块为单位，进行方案的分析、比较和论证。
2.1 主控模块（单片机的选择）
方案一：AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
方案二：STC89LE52RC是宏晶科技有限公司生产的以51为内核的系列单片机的一种，是高速、超低功耗、超强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-10倍；价格低，使用范围广等优点。它的使用电压为3.3V，使整个系统功耗更小。
2.2 直流供电电源模块
此模块设计为整个仪表的正常工作提供电源，其电压输出稳定性将影响A/D转换精度，为满足设计要求，利用性能稳定可靠、外围元件少的集成三端式稳压器提供电源。
方案一：采用W7805或W7905集成稳压源三端固定输出稳压器W7805。它具有过流、过热和安全区保护功能，输入电压范围为： 9 ～20V；输出电压为5V，电流为1.5A，电压调整率.为0.01%V。
方案二：采用TPS5430集成电压基准源。是TI推出的一款性能优越的 DC /DC开关电源转换芯片。具有宽电压输入范围、高转换效率、有过流保护及热关断功能 、具有开关使能脚 ， 关状态仅有 17 u A 静止电流。是调整率高、稳定性好的TPS5430电压基准源，做成双5V供电系统。
通过两种方案的对比，考虑到低功耗、性能等多方面的因素，我们采用方案二。系统中还要用到3.3V电源，采用TI公司的X1117--3.3V芯片，它能直接把5V转化为3.3V。
2.3 A/D转换模块
方案一：ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。其转换速率比双积分式A/D转换器快的多，每秒钟采样高达几十万次，但是转换精度相对较低。
方案二：采用TLC2543，它是12位的逐次逼近A/D转换器，相比与ADC0809转换精度大大提高。
所需设计的万用表对精度要求比较高，速度要求也比较高，所以采用方案二中12位的TLC2543，既能实现精度要求也能实现采样速率的要求。
2.4 交流电压测量模块
方案一：半波整流电路。利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，但得到的电压波动大，不易控制，测量困难。
方案二：交流测量是用AD637真有效值转换芯片将交流信号转换成直流电压后测量，输出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。其他的都和直流电压类似，只是在显示时转化为交流电压的有效值。AD637的转化电路如右图。
综合考虑，我们采用方案二，可以满足设计要求。
2.5 电阻测量模块
方案一：选用常规的电阻分压法，对含待测元件的电阻网络加以稳定电流或电压信号，通过采样待测元件两端电压值计算阻值，方案优点为方法简单，易于实现，缺点为没有考虑信号与元件误差，精度较低，对小电阻的测量误差大。
方案二：采用可自校准的恒流源法与分压法相结合的方案，通过继电器改变电路状态并用同一采样电路采样不同点处的电位，以求解待测电阻阻值。方案优点为测量精度高，可消除电路与元件引入的误差。
综合上述两种法案的优缺点，方案二可有效提高测量精度。故选择方案二。
2.6 电容测量模块
方案一：采用555搭建振荡电路，通过测量电路振荡频率计算接入电路的待测电容的大小，优点为电路简单易搭建，对于较大电容测量精度理想。
方案二：采用类似于分压法测电阻的测量方式，将标准正弦信号加于含待测元件的RC网络，通过采样多点电位求解电路状态，消除误差。优点为理论精度较高，可测量范围较宽；缺点为电路、求解过程复杂。
3、程序设计
首先以A/D转换器（TLC2543）为核心，设计一个多档的直流电压测量电路，再在此基础上对电路进行扩展，使其能多量程的测量交流电压、电阻、电容和温度的测量电路。然后通过单片机（AT89S52）编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理，实现对直流电压、交流电压、电阻、电容和温度测量对象切换；手动和自动量程转换等功能，并将测量数据转换为人们日常习惯的十进制数字形式显示在LED显示器上。
开关选用继电器，以实现量程的自动转换；当检测到量程较大（较小）时，单片机给继电器发出信号以切换较小（较大）量程。
结语：
在本次论文设计中，我们真正体会到制作一件成功的作品并不像想象的那样简单，它需要扎实的专业基础，能熟练驾驭知识的能力，团队的团结合作精神，吃苦耐劳的品质以及遇见问题沉着冷静的态度。我们真正体会到了身为大学生的意义，解决问题的能力得到了很大的提高，为我们以后的学习工作积累了宝贵的经验。
参考文献：
[1]谢维成，杨加国.主编.《单片机原理与应用及C51程序设计》北京：清华大学出版社，2006年.
[2]郭天祥.主编.《新概念51单片机C语言教程.入门.提高.开发》北京：电子工业出版社，2009年.
[3]先锋工作室.编著《单片机程序设计实例》北京：清华大学出版社，2003年.
[4]童长飞.编著《Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision 2应用实践》北京：电子工业出版社，2005年.
【关键词】STC89LE52RC；低功耗；测量；万用表
1、总体方案设计
根据设计要求，制定了整体的设计方案：将直流供电电源模块、信号采集与AD转换电路、直流电压测量电路、交流电压测量电路、电阻测量电路、电容测量电路、温度测量电路和LCD显示电路和键盘控制电路等器件集成在一片模板上，创建一个在STC89LE52RC最小系统版上可编程片上系统。通过测量，用LCD液晶将各种所需信息实时显示。
2、硬件电路设计
根据实际的测量需要，在本电路设计中，采用模块化设计思路。对整个电路以模块为单位，进行方案的分析、比较和论证。
2.1 主控模块（单片机的选择）
方案一：AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
方案二：STC89LE52RC是宏晶科技有限公司生产的以51为内核的系列单片机的一种，是高速、超低功耗、超强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-10倍；价格低，使用范围广等优点。它的使用电压为3.3V，使整个系统功耗更小。
2.2 直流供电电源模块
此模块设计为整个仪表的正常工作提供电源，其电压输出稳定性将影响A/D转换精度，为满足设计要求，利用性能稳定可靠、外围元件少的集成三端式稳压器提供电源。
方案一：采用W7805或W7905集成稳压源三端固定输出稳压器W7805。它具有过流、过热和安全区保护功能，输入电压范围为： 9 ～20V；输出电压为5V，电流为1.5A，电压调整率.为0.01%V。
方案二：采用TPS5430集成电压基准源。是TI推出的一款性能优越的 DC /DC开关电源转换芯片。具有宽电压输入范围、高转换效率、有过流保护及热关断功能 、具有开关使能脚 ， 关状态仅有 17 u A 静止电流。是调整率高、稳定性好的TPS5430电压基准源，做成双5V供电系统。
通过两种方案的对比，考虑到低功耗、性能等多方面的因素，我们采用方案二。系统中还要用到3.3V电源，采用TI公司的X1117--3.3V芯片，它能直接把5V转化为3.3V。
2.3 A/D转换模块
方案一：ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。其转换速率比双积分式A/D转换器快的多，每秒钟采样高达几十万次，但是转换精度相对较低。
方案二：采用TLC2543，它是12位的逐次逼近A/D转换器，相比与ADC0809转换精度大大提高。
所需设计的万用表对精度要求比较高，速度要求也比较高，所以采用方案二中12位的TLC2543，既能实现精度要求也能实现采样速率的要求。
2.4 交流电压测量模块
方案一：半波整流电路。利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，但得到的电压波动大，不易控制，测量困难。
方案二：交流测量是用AD637真有效值转换芯片将交流信号转换成直流电压后测量，输出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。其他的都和直流电压类似，只是在显示时转化为交流电压的有效值。AD637的转化电路如右图。
综合考虑，我们采用方案二，可以满足设计要求。
2.5 电阻测量模块
方案一：选用常规的电阻分压法，对含待测元件的电阻网络加以稳定电流或电压信号，通过采样待测元件两端电压值计算阻值，方案优点为方法简单，易于实现，缺点为没有考虑信号与元件误差，精度较低，对小电阻的测量误差大。
方案二：采用可自校准的恒流源法与分压法相结合的方案，通过继电器改变电路状态并用同一采样电路采样不同点处的电位，以求解待测电阻阻值。方案优点为测量精度高，可消除电路与元件引入的误差。
综合上述两种法案的优缺点，方案二可有效提高测量精度。故选择方案二。
2.6 电容测量模块
方案一：采用555搭建振荡电路，通过测量电路振荡频率计算接入电路的待测电容的大小，优点为电路简单易搭建，对于较大电容测量精度理想。
方案二：采用类似于分压法测电阻的测量方式，将标准正弦信号加于含待测元件的RC网络，通过采样多点电位求解电路状态，消除误差。优点为理论精度较高，可测量范围较宽；缺点为电路、求解过程复杂。
3、程序设计
首先以A/D转换器（TLC2543）为核心，设计一个多档的直流电压测量电路，再在此基础上对电路进行扩展，使其能多量程的测量交流电压、电阻、电容和温度的测量电路。然后通过单片机（AT89S52）编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理，实现对直流电压、交流电压、电阻、电容和温度测量对象切换；手动和自动量程转换等功能，并将测量数据转换为人们日常习惯的十进制数字形式显示在LED显示器上。
开关选用继电器，以实现量程的自动转换；当检测到量程较大（较小）时，单片机给继电器发出信号以切换较小（较大）量程。
结语：
在本次论文设计中，我们真正体会到制作一件成功的作品并不像想象的那样简单，它需要扎实的专业基础，能熟练驾驭知识的能力，团队的团结合作精神，吃苦耐劳的品质以及遇见问题沉着冷静的态度。我们真正体会到了身为大学生的意义，解决问题的能力得到了很大的提高，为我们以后的学习工作积累了宝贵的经验。
参考文献：
[1]谢维成，杨加国.主编.《单片机原理与应用及C51程序设计》北京：清华大学出版社，2006年.
[2]郭天祥.主编.《新概念51单片机C语言教程.入门.提高.开发》北京：电子工业出版社，2009年.
[3]先锋工作室.编著《单片机程序设计实例》北京：清华大学出版社，2003年.
[4]童长飞.编著《Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision 2应用实践》北京：电子工业出版社，2005年.