1、自動量程數字萬用表（B題）摘要全文主要介紹了基于STM32F103RBT6的自動量程數字萬用表的設計。本設計以STM32F103RBT6作為核心MCU，協作外圍的各個模塊，實現了溝通電壓、直流電壓、頻率、電阻以及電流的高精度測量，同時具有自動更換量程功能。所測得值在LCD5110液晶顯示屏上顯示，整個儀器完全由一節1.5V一號電池供電，達到了低功耗的目的。關鍵詞：STM32單片機，AD736，自動量程轉換，升壓模塊一 方案設計與論證1.1 MCU的選擇方案一：MSP430系列單片機MSP430系列單片機是美國德州公司（TI）1996年開頭推向市場一種16位超低功耗、具有精簡指令集SC）的混合信

2、號處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以供應“單片”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。具有處理力量強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富的優點。方案二：51系列單片機51單片機是對目前全部兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash rom技術的進展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛

3、應用于工業測控系統之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內將占有大量市場。51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。方案三：STM32系列單片機由于STM32F103RBT6的時鐘頻率達到72 MHz，能實現高端運算。內嵌128KB FLASH程序存儲器。豐富的外設，UART、SPI等串行接口以及最大翻轉率18 MHz的GPIO。最重要的是它擁有最快1 txs轉換速度的雙12位精度ADC，此快速采集，高性能的ADC格外適用于數據的快速采集和快速處理上，這也是本系統選擇它作為核心把握器的一個重要緣由。綜合考慮，本系統選擇STM32系列的STM32

4、f103RBT6作為核心主控芯片1.2 溝通電壓測量方案的選擇方案一：利用AD736將溝通電壓轉換為其有效值AD736是經過激光修正的單片精密真有效值AC/DC轉換器。 其主要特點是精確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達0460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200A.用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%. 方案二：純計算法求出溝通電壓有效值首先，利用運放整流電路將溝通電壓轉化為直流周期電壓信號。用純計算法來測量溝通電的有效值，必需滿足奈奎斯特采樣頻率條件，即溝通信號的周期必需等于采樣周期

5、的整數倍和有理分數倍。從而利用STM32單片機來測量溝通信號的有效值。綜合考慮，由于方案二對于系統的程序設計很簡單，并且無法精確的把握溝通信號的周期是采樣周期的整數倍和有理分數倍，因此導致測量精度比較低。而方案二的程序設計簡潔，硬件設計清楚。因此，本系統選擇方案二作為系統測溝通電壓的原理。其電路原理圖見附錄圖1-1。1.3 電阻測量方案的選擇方案一：串聯分壓原理 V Rx R0 圖1串聯電路原理圖依據串聯電路的分壓原理可知，串聯電路上電壓與電阻成正比關系。通過測量Rx和R0上的電壓。由公式 計算出R0阻值方案二：利用直流電橋平衡原理的方案 圖2 電橋（其中R1，R2，為可變電位器，R3為已知電

6、阻，R4為被測電阻）依據電路平衡原理，不斷調整電位器，使得電表指針指向正中間。由R1*R4=R3*R4.在通過測量電位器電阻值，可得到R4的值。方案三：利用555構成單穩態的方案 依據555定時器構成單穩態，產生脈沖波形，通過單片機讀取凹凸電平得出頻率，通過公式換算得到電阻阻值。由f=1/ (R1+2R2)*C*In2 得到公式： R2=1/2*1/ (f*c*Ln2)-R1上述三種方案從對測量精度要求而言，方案二需要測量的電阻值多，而且測量調整麻煩，不易操作與數字化，相比較而言，方案三還是比較符合要求的，由于是通過單片機讀取轉化，精確度會明顯的提高。而方案一的原理簡潔，操作簡潔，成本低廉，而

7、且由于12位的ADC可以在很大程度上彌補方案一精度低的缺陷。故本設計選擇了方案一，并且通過模擬開關的轉換來轉變已知電阻值的大小，以滿足整個范圍內測電阻的精度要求。二理論分析與設計2.1 直流電壓的理論分析本題目要求對于直流電壓的測量范圍為020V。首先，由于STM32單片機的AD內部基準源為3.3V，因此無法直接檢測3.3V以上的高電壓，因此需要將3V20V的電壓按0.1倍縮小之后再經12位ADC采集。而對于03V的電壓可以直接采集。其功能實現具體電路圖見附錄圖1-1.2.2 溝通電壓的測量的理論分析與電路設計本題目要求對于溝通電壓的測量范圍為020V。為了實現題目要求，本文選用AD736芯片

8、將溝通信號轉換為其溝通信號的有效值之后進行采集，但是由于AD736滿量程只能達到200mv，因此我們需要對溝通信號進行處理。本文以200mv，2v為臨界點，當輸入溝通電壓有效值小于200mv時，直接進行采集；當電壓有效值在200mv到2v之間時，將輸入信號縮小20倍之后輸入AD736之后再對AD736輸出電壓進行采集；當電壓有效值大于2V時，將輸入信號縮小200倍之后輸入AD736之后再對AD736的輸出電壓進行采集。最終再對采集到的數據經軟件處理后顯示真實電壓有效值。經過理論分析與計算，這個換擋設計以及電壓采集均可以實現題目要求。AD736轉換電路圖見附錄圖1-2。2.3 電阻與頻率的理論分

9、析本文選擇串聯分壓原理，將電阻的測量轉換為電壓進行采集測量，電路原理圖見附錄圖1-3。依據串聯分壓原理和歐姆定律原理，可以得到電阻計算公式：Rx=V*R0/Ux - R0。為了提高AD對電壓信號的采集精度，對于不同的電壓范圍接受不同的已知電阻值，用繼電器進行不同已知電阻的轉換。通過計算分析，用100作為小于1K的電阻測量，用1K作為1K到10K的電阻測量。對于測頻的測量，本文接受STM32內部的輸入捕獲功能在肯定的時間內捕獲溝通信號脈沖并計數，從而求出頻率。由于題目中為說明輸入信號的峰值為多少，因此為了擴大儀器對輸入信號的頻率測量力量，利用三極管二級放大處理以及整波處理，可以得到對電壓的正弦溝

10、通信號和方波信號的頻率檢測。但是由于對于三極管的信號放大對于高電壓會存在失真現象，因此本系統只能測量小電壓信號的頻率。經過理論計算分析，輸入電壓范圍小于1V。測頻電路見附錄圖1-4.2.4 電流測量的理論分析由于單片機只能對電壓信號進行處理，無法直接對電流信號進行采集，因此，本文通過將電流信號轉換為電壓信號的原理進行處理采集。采樣電阻選值為86，待測電流范圍為100µA10mA，即所采得電壓抱負值范圍為8.6mv860mv，實際電壓值略有偏差。由于所用內置A/D為12位A/D，基本可以滿足8.6mv860mvd的電壓范圍，所以把所采得的電壓直接交由單片機測量處理。三電路與程序設計3.

11、1單元電路設計3.1.1 直流電壓測量電路直流電壓檢測電路見附錄圖1-1，其中PA2，PA0為AD采集電壓口PC2為凹凸電平將打算NPN8050三極管是否導通，單片機通過檢測PC2的電平從而在軟件上把握哪路AD采集口的電壓為真實電壓值。3.1.2 溝通電壓測量電路溝通電壓的檢測電路的AD736外圍模塊圖1-2，通過此模塊可以將溝通電壓信號精確的轉換為其溝通電壓有效值，從而輸出給單片機檢測。溝通電壓檢測的自動量程換擋電路原理圖如附錄圖1-2，圖中io1和io2即為自動量程轉換把握口。當io1和io2均為低電平常，檢測電路對輸入電壓縮小200倍，用于檢測2V到20V的電壓；當io1為高電平，io2

12、為低電平常，檢測電路對輸入電壓縮小20倍，用于檢測200mV到2V的電壓；當io1為低電平，io2為高電平常，檢測直接輸入的電壓，用于檢測0到200mV的電壓。3.1.3 電阻與頻率測量電路電阻的測量電路見附錄圖1-3，其中P0、P1、P2為測電阻自動量程轉換把握IO口，依據其電阻值范圍可以實現自動換擋。頻率的測量電路見附錄圖1-4，圖中5為信號輸入端口。J為頻率測量口。3.1.4 電流測量電路電流的測量電路見附錄圖1-5，其中Vin為電路供電電壓輸入口，iin為AD采集電壓信號點，從而測得電壓并將其轉換為電流值。3.1.5 電源升壓模塊由于題目要求整個系統有一節1.5V的1號干電池供電，若不

13、對電源電壓進行升壓處理，將無法滿足儀器的工作電壓要求，因此本儀器設計了一個電源升壓模塊對電源電壓進行升壓，并且其升壓的電源輸出功率可以滿足系統要求。電源升壓模塊電路見附錄圖1-6.3.2 軟件設計該系統基于Keil uVision4進行程序編寫，仿真環境為proteus7.7.部分程序設計見附錄四測試方案與測試結果4.1 測試儀器：數字萬用表Agilent 34405A、函數信號發生器EE1411、數字示波器DS10521、同學電源QJ-3003S，電橋TH2822A4.2 測試方法對于直流電壓，直接由數字萬用表測出實際電壓值，與液晶顯示的值相比較，測其相對誤差。對于溝通電壓，直接由數字萬用表

14、測出溝通電壓的有效值與液晶顯示的值相比較，測其相對誤差；對于電阻的測量，用電橋測得實際的電阻值與液晶顯示的值相比較，求出相對誤差；用函數信號發生器產生肯定頻率的正弦波，用示波器測得其頻率，與液晶顯示的值相比較求出相對誤差；4.3 測試結果經過反復多組的數據測試，并求出其相對誤差，各參數測量數據及相對誤差結果見附錄。通過測試結果得出結論，可以滿足一下幾點。 項 目 項目完成狀況基本部分直流電壓量程200mV、2V、20V , 精度±5.0%+1； 完成溝通電壓量程200mV、2V、20V，精度±5.0%+1，頻率響應40400Hz； 基本完成任務電阻量程101000，精度&#

15、177;5.0%+1；完成（1020k內滿足精度）測量值LCD顯示； 5110LCD液晶顯示具有自動量程轉換功能 完成 發 揮 部 分能測量信號頻率 (范圍:100HZ-10KHZ)，精度±1%+1；完成（在100Hz100kHz內誤差1%）直流電壓、溝通電壓、電阻的測量精度提高至±1%+1; 完成萬用表用1只1.5V 一號電池供電; 完成萬用表工作電流不超過20mA(測量直流電壓時); 未能完成其它創新功能。擴展部分參數測量范圍，增加了對小電流的高精度測量五設計總結本文運用自動把握原理實現了對多種電參數直流電壓、溝通電壓、電阻、電流、頻率等的精確測量。各個模塊方案的原理成

16、熟，思路清楚，具有很好的可行性。同時接受各個電參數分模塊實現功能檢測的思想，可以很好的防止模塊之間的干擾；同時程序實現多路ADC采集，也在肯定程度上防止程序干擾。同時系統由一節1.5V干電池供電，完全符合題目的要求，達到了節能低功耗的要求。但是本系統也有肯定的缺陷，由于單片機AD采樣時會導致系統工作電流較大，從而會導致系統的工作電流較大。為了轉變這個缺點，可以對系統的工作模塊在程序上進行優化，在不工作時系統進入休眠模式，從而削減工作電流。六參考文獻1 趙明莉.基于MSP430F5438單片機的溝通電壓測量.傳感檢測及物聯網系統2 劉軍編著 例說STM32 北京航空航天高校出版社 2011年4月

17、3 康華光主編 電子技術基礎模擬部分（第五版）高等教育出版社 2006年1月七附錄圖1-1 直流電壓測量電路及自動量程切換圖1-2 溝通電壓AD736外圍模塊電路及自動量程切換圖1-3 電阻測量電路圖1-4 測頻電路圖1-5 電流測量電路圖1-6 電源升壓模塊電路圖1-7 系統主板電路原理圖圖1-8 STM32f103RBT6芯片原理圖數據測試結果直流電壓值測量結果相對誤差實際值測得值相對誤差實際值測得值0.99691919.80.0610.9934349.290.0610.99668718.410.0610.9930138.730.0610.99652617.560.0610.9921997.820.0610.99640516.970.0610.9916217.280.0610.99632516.60.0610.9910036.780.0610.99606715.510.06