自动量程数字万用表

自动量程数字万用表（B题）

摘要

全文主要介绍了基于STM32F103RBT6的自动量程数字万用表的设计。本设计以STM32F103RBT6作为核心MCU，配合外围的各个模块，实现了交流电压、直流电压、频率、电阻以及电流的高精度测量，同时具有自动更换量程功能。所测得值在LCD5110液晶显示屏上显示，整个仪器完全由一节1.5V一号电池供电，达到了低功耗的目的。

关键词：STM32单片机，AD736，自动量程转换，升压模块

一． 方案设计与论证

1.1 MCU的选择

方案一：MSP430系列单片机

MSP430系列单片机是美国德州公司（TI）1996年开始推向市场一种16位超低功耗、具有精简指令集SC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富的优点。

方案二：51系列单片机

51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

方案三：STM32系列单片机

由于STM32F103RBT6的时钟频率达到72 MHz，能实现高端运算。内嵌128KB FLASH程序存储器。丰富的外设，UART、SPI等串行接口以及最大翻转率18 MHz的GPIO。最重要的是它拥有最快1 txs转换速度的双12位精度ADC，此快速采集，高性能的ADC非常适用于数据的快速采集和快速处理上，这也是本系统选择它作为核心控制器的一个重要原因。

综合考虑，本系统选择STM32系列的STM32f103RBT6作为核心主控芯片

1.2 交流电压测量方案的选择

方案一：利用AD736将交流电压转换为其有效值

AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。 其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、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±3%.

方案二：纯计算法求出交流电压有效值

首先，利用运放整流电路将交流电压转化为直流周期电压信号。用纯计算法来测量交流电的有效值，必须满足奈奎斯特采样频率条件，即交流信号的周期必须等于采样周期的整数倍和有理分数倍。从而利用STM32单片机来测量交流信号的有效值。

综合考虑，由于方案二对于系统的程序设计很复杂，并且无法精确的控制交流信号的周期是采样周期的整数倍和有理分数倍，因此导致测量精度比较低。而方案二的程序设计简单，硬件设计清晰。因此，本系统选择方案二作为系统测交流电压的原理。其电路原理图见附录图1-1。

1.3 电阻测量方案的选择

方案一：串联分压原理 V Rx R0 图1串联电路原理图 根据串联电路的分压原理可知，串联电路上电压与电阻成正比关系。通过测量Rx和R0上的电压。由公式 Rx?V*R0/Ux?R0 计算出R0阻值

方案二：利用直流电桥平衡原理的方案

图2 电桥（其中R1，R2，为可变电位器，R3为已知电阻，R4为被测电阻） 根据电路平衡原理，不断调节电位器，使得电表指针指向正中间。由R1*R4=R3*R4.在通过测量电位器电阻值，可得到R4的值。

方案三：利用555构成单稳态的方案

根据555定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电阻阻值。由f=1/ [(R1+2R2)*C*In2] 得到公式： R2=1/2*[1/ (f*c*Ln2)-R1]

上述三种方案从对测量精度要求而言，方案二需要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比较而言，方案三还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。而方案一的原理简单，操作简单，成本低廉，而且由于12位的ADC可以在很大程度上弥补方案一精度低的缺陷。故本设计选择了方案一，

并且通过模拟开关的转换来改变已知电阻值的大小，以满足整个范围内测电阻的精度要求。

二．理论分析与设计

2.1 直流电压的理论分析

本题目要求对于直流电压的测量范围为0~20V。首先，由于STM32单片机的AD内部基准源为3.3V，因此无法直接检测3.3V以上的高电压，因此需要将3V~20V的电压按0.1倍缩小之后再经12位ADC采集。而对于0~3V的电压可以直接采集。其功能实现具体电路图见附录图1-1.

2.2 交流电压的测量的理论分析与电路设计

本题目要求对于交流电压的测量范围为0~20V。为了实现题目要求，本文选用AD736芯片将交流信号转换为其交流信号的有效值之后进行采集，但是由于AD736满量程只能达到200mv，因此我们需要对交流信号进行处理。本文以200mv，2v为临界点，当输入交流电压有效值小于200mv时，直接进行采集；当电压有效值在200mv到2v之间时，将输入信号缩小20倍之后输入AD736之后再对AD736输出电压进行采集；当电压有效值大于2V时，将输入信号缩小200倍之后输入AD736之后再对AD736的输出电压进行采集。最后再对采集到的数据经软件处理后显示真实电压有效值。经过理论分析与计算，这个换挡设计以及电压采集均可以实现题目要求。AD736转换电路图见附录图1-2。

2.3 电阻与频率的理论分析

本文选择串联分压原理，将电阻的测量转换为电压进行采集测量，电路原理图见附录图1-3。根据串联分压原理和欧姆定律原理，可以得到电阻计算公式：Rx=V*R0/Ux - R0。为了提高AD对电压信号的采集精度，对于不同的电压范围采用不同的已知电阻值，用继电器进行不同已知电阻的转换。通过计算分析，用100Ω作为小于1K的电阻测量，用1KΩ作为1K到10K的电阻测量。对于测频的测量，本文采用STM32内部的输入捕捉功能在一定的时间内捕捉交流信号脉冲并计数，从而求出频率。由于题目中为说明输入信号的峰值为多少，因此为了扩大仪器对输入信号的频率测量能力，利用三极管二级放大处理以及整波处理，可以得到对电压的正弦交流信号和方波信号的频率检测。但是由于对于三极管的信号放大对于高电压会存在失真现象，因此本系统只能测量小电压信号的频率。经过理论计算分析，输入电压范围小于1V。测频电路见附录图1-4.

2.4 电流测量的理论分析

由于单片机只能对电压信号进行处理，无法直接对电流信号进行采集，因此，本文通过将电流信号转换为电压信号的原理进行处理采集。采样电阻选值为86Ω，待测电流范围为100μA～10mA，即所采得电压理想值范围为8.6mv~860mv，实际电压值略有偏差。由于所用内置A/D为12位A/D，基本可以满足8.6mv~860mvd的电压范围，所以把所采得的电压直接交由单片机测量处理。

三．电路与程序设计

3.1单元电路设计

3.1.1 直流电压测量电路

直流电压检测电路见附录图1-1，其中PA2，PA0为AD采集电压口PC2为高低电平将决定NPN8050三极管是否导通，单片机通过检测PC2的电平从而在软件上控制哪路AD采集口的电压为真实电压值。

3.1.2 交流电压测量电路

交流电压的检测电路的AD736外围模块图1-2，通过此模块可以将交流电压信号精确的转换为其交流电压有效值，从而输出给单片机检测。交流电压检测的自动量程换挡电路原理图如附录图1-2，图中io1和io2即为自动量程转换控制口。当io1和io2均为低电平时，检测电路对输入电压缩小200倍，用于检测2V到20V的电压；当io1为高电平，io2为低电平时，检测电路对输入电压缩小20倍，用于检测200mV到2V的电压；当io1为低电平，io2为高电平时，检测直接输入的电压，用于检测0到200mV的电压。

3.1.3 电阻与频率测量电路

电阻的测量电路见附录图1-3，其中P0、P1、P2为测电阻自动量程转换控制IO口，根据其电阻值范围可以实现自动换挡。频率的测量电路见附录图1-4，图中5为信号输入端口。J为频率测量口。

3.1.4 电流测量电路

电流的测量电路见附录图1-5，其中Vin为电路供电电压输入口，iin为AD采集电压信号点，从而测得电压并将其转换为电流值。

3.1.5 电源升压模块

由于题目要求整个系统有一节1.5V的1号干电池供电，若不对电源电压进行升压处理，将无法满足仪器的工作电压要求，因此本仪器设计了一个电源升压模块对电源电压进行升压，并且其升压的电源输出功率可以满足系统要求。电源升压模块电路见附录图1-6.

3.2 软件设计

该系统基于Keil uVision4进行程序编写，仿真环境为proteus7.7.部分程序设计见附录

四．测试方案与测试结果

4.1 测试仪器： 数字万用表Agilent 34405A、函数信号发生器EE1411、数字示波器DS10521、学生电源QJ-3003S，电桥TH2822A

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