低功耗數(shù)字多功能表的設(shè)計(jì)論文

1、1 / 12低功耗數(shù)字多功能表的設(shè)計(jì)低功耗數(shù)字多功能表的設(shè)計(jì)編號(hào)：005A0042 / 12摘要摘要本系統(tǒng)以 TI 公司的 16 位低功耗單片機(jī) MSP430F2616 為主控制器，由功能轉(zhuǎn)換與變換電路模塊，電源變換模塊，鍵盤(pán)輸入模塊，結(jié)果顯示模塊與信號(hào)產(chǎn)生模塊組成。系統(tǒng)能夠精確測(cè)量 20V 以下的交直流電壓、0-20k 的電阻，100nF 以下的電容以與常規(guī)的晶體三極管的參數(shù)。測(cè)量精度最高可達(dá) 1%，并能輸出頻率 10Hz100kHz、幅值 100mV5V 圍可調(diào)的正弦信號(hào)，非線(xiàn)性失真較小。系統(tǒng)功耗較低，可用一塊 9V 電池供電，穩(wěn)定工作。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：數(shù)字多功能表 低功耗 MSP430

2、A/D 轉(zhuǎn)換器3 / 12目錄目錄一、系統(tǒng)方案一、系統(tǒng)方案 1 11.11.1 系統(tǒng)總體方案與結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)總體方案與結(jié)構(gòu)框圖 11.21.2 方案論證與比較方案論證與比較 1二、理論分析與計(jì)算二、理論分析與計(jì)算 2 22.12.1 交直流電壓衰減交直流電壓衰減 22.22.2 電阻量程選擇電阻量程選擇 32.32.3 晶體三極管晶體三極管測(cè)量測(cè)量 3三、電路與程序設(shè)計(jì)三、電路與程序設(shè)計(jì) 3 33.13.1 總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)思路 33.33.3 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì) （程序流程圖）（程序流程圖）3四、測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果四、測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果 4 44.14.1 測(cè)試方法和儀器測(cè)試方法和儀器 44

3、.24.2 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析 4五、總結(jié)五、總結(jié) 6 6附錄附錄：7 71 / 12一、系統(tǒng)方案一、系統(tǒng)方案1.11.1 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊，功能轉(zhuǎn)換與變換電路模塊，電源變換模塊，鍵盤(pán)輸入模塊，結(jié)果顯示模塊與信號(hào)產(chǎn)生模塊組成。1.21.2 方案論證與比較方案論證與比較1.2.1 單片機(jī)控制模塊方案一方案一：采用 8 位 STC89C51 單片機(jī)，該控制器穩(wěn)定性高，價(jià)格低廉，但是運(yùn)行速率慢，功耗比較大，與本設(shè)計(jì)的低功耗相違背。方案二方案二：采用 LM3S8962 單片機(jī)作控制核心，該單片機(jī)速度快，功能強(qiáng)大，但功耗比較大，與本設(shè)計(jì)的

4、低功耗相違背。方案三方案三：采用 MSP30 單片機(jī)，該控制器穩(wěn)定性高，功能齊全，含有我們需要的所有的功能，且其具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮高效節(jié)能，我們選擇方案三，采用 MSP430 系列的 MSP430F2616 單片機(jī)作控制核心。1.2.2 電源變換模塊方案一方案一：9V 方電池轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過(guò) 1117ADJ 降壓處理，可以提供不同電壓值給各個(gè)模塊供電，完全能夠滿(mǎn)足對(duì)各個(gè)模塊供電的需要和題目要求。方案二方案二：9V 方電池轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過(guò) LM2575IN 降壓處理，可以得到+5V 電壓，再經(jīng)過(guò)反壓芯片 TPS60400DBVT 得到-5V。另外經(jīng)過(guò)降壓得到 3.3V 給單片機(jī)供電，能滿(mǎn)足

5、設(shè)計(jì)要求。由于 1117ADJ 的功耗比較高，且 LM2575 的轉(zhuǎn)換效率較高，綜合考慮，我們選擇方案二，采用 LM2575 降壓芯片實(shí)現(xiàn)電源變換。1.2.3 交流電壓測(cè)量模塊方案一方案一：搭建峰值檢波回路，利用二極管的單向?qū)щ娦院碗娙荽鎯?chǔ)電能的性質(zhì)進(jìn)行峰值采集，進(jìn)而得到電壓的有效值。方案二方案二：利用真有效值轉(zhuǎn)換芯片，性能參數(shù)方面也都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且能測(cè)量非正弦波。采用單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器 AD637，片緩沖放大器既可以用作輸入緩沖，也可以用于有源濾波器配置。該濾波器可以用來(lái)降低交流紋波量，從而提高精度。經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)量，峰值檢波電路不好實(shí)現(xiàn)，效果不理想，采用 AD637 效果理想，實(shí)現(xiàn)較

6、為方便。故采用方案二。1.2.4 電阻測(cè)量模塊方案一方案一：利用測(cè)頻法測(cè)量電阻值，在一個(gè)震蕩電路里，C、R、T之間的關(guān)系確定，利用標(biāo)準(zhǔn)電容，測(cè)量周期，進(jìn)而計(jì)算出電阻R。方案二方案二：比例法測(cè)電阻，采用分壓原理。用 TL431 產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓，利用標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測(cè)電阻Rx 進(jìn)行分壓，經(jīng)過(guò) AD 采集，單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，得到電阻值。由于方案一要計(jì)算周期比較復(fù)雜，且誤差較大，不易實(shí)現(xiàn)，方案二簡(jiǎn)單易行，且比較準(zhǔn)確，故采用方案二。1.2.5 電容測(cè)量模塊方案一方案一：測(cè)量電容量的傳統(tǒng)數(shù)字式方法,先將電容值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（如電壓）,再用 A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此電路復(fù)雜，費(fèi)用較高。2 / 12

7、方案二方案二：用測(cè)頻法測(cè)量電容，將電容置入振蕩電路，電容量可以被轉(zhuǎn)換為頻率，然后用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)施高精度測(cè)頻。電路簡(jiǎn)單，成本低，準(zhǔn)確度較高。方案三方案三：用充電法測(cè)電容。用固定的電壓給電容充電，根據(jù)電容在電路的充放電時(shí)間，計(jì)算電容的大小。充放電時(shí)間需要準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)行計(jì)算得到電容大小。結(jié)合本設(shè)計(jì)和小組的軟硬件水平，采用測(cè)頻法測(cè)電容。1.2.6 晶體三極管參數(shù)測(cè)試模塊將變化的值轉(zhuǎn)化為與之成正比變化的電壓或電流量，再取樣進(jìn)行比較、分檔。可由以三極管電流Ic=Ib的關(guān)系，當(dāng)Ib為固定值時(shí)，Ic反映了的變化。 通過(guò)采集Ic流經(jīng)的一個(gè)電阻的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。得到晶體三極管值。1.2.7 正弦波信號(hào)產(chǎn)生

8、電路采用單片集成芯片 ICL8038 產(chǎn)生正弦波，進(jìn)行外部電路和單片機(jī)控制，進(jìn)行頻率達(dá)到 10Hz100kHz 可調(diào)。1.2.8 結(jié)果顯示模塊方案一方案一：采用 1602，但是顯示信息有限，功能切換不夠詳細(xì)具體。方案二方案二：采用 12864 液晶顯示，易操作，顯示方便。因此，選擇方案二。二、理論分析與計(jì)算二、理論分析與計(jì)算2.12.1 交直流電壓衰減交直流電壓衰減利用 MSP430F2616 自帶的 12 位 A/D 采集電壓，使用部基準(zhǔn)時(shí)，ADC 的量程是 0V 到 2.5V，需要將電壓信號(hào)衰減到此圍。所以 20V 的檔位要進(jìn)行一次衰減，本設(shè)計(jì)采用 1：10 的衰減。2.22.2 電阻量程

9、選擇電阻量程選擇根據(jù)不同的電阻量程，選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻與其分壓，TLC431 產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓輸出 2.5V。適當(dāng)?shù)姆謮汉箅娮枭系碾妷簡(jiǎn)纹瑱C(jī)的 AD 可以直接采集，應(yīng)從可以選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻為 200，2k，20k。2.32.3 晶體三極管晶體三極管 測(cè)量測(cè)量要求基極電流約 10A，UCE約 3V。電流源的輸出電流可以設(shè)置為 10A ，作為被測(cè)晶體三極管的Ib，這樣讓三極管處于放大狀態(tài)，測(cè)出Ic。再將該電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)用 AD 進(jìn)行采集。三、電路與程序設(shè)計(jì)三、電路與程序設(shè)計(jì)3.13.1 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是首先通過(guò)按鍵選擇待測(cè)物理量的種類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)的測(cè)試電路，AD 采集測(cè)試電路的輸

10、出，單片機(jī)根據(jù)具體的物理量進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理并在 LCD12864 上顯示待測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖 1 所示。3 / 12交流/直流衰減電路真有效值轉(zhuǎn)換MCU 控制單元ADC 數(shù)據(jù)采樣數(shù)據(jù)處理三極管 值測(cè)量電路電阻阻值測(cè)量電路電容值測(cè)量電路12864顯示模塊按鍵控制9V 電源轉(zhuǎn) 5V/3.3V 電路DCAC圖 1 系統(tǒng)總體框圖3.23.2 部分模塊電路的設(shè)計(jì)部分模塊電路的設(shè)計(jì)3.2.1 交直流電壓測(cè)量（1）考慮不同量程與 A/D 采集圍的要求，對(duì)交直流信號(hào)進(jìn)行衰減。（2）直流信號(hào)經(jīng)衰減后可直接進(jìn)行 A/D 采集，但是交流信號(hào)需要經(jīng)過(guò)AD637 之后再進(jìn)行采集。具體電路見(jiàn)附錄。3.2.2

11、電阻測(cè)量電路（見(jiàn)附圖）用 TL431 產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓，給標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測(cè)電阻Rx 供電，測(cè)量待測(cè)電阻上的分壓，經(jīng)過(guò) AD 采集，單片機(jī)的運(yùn)算處理，輸出電阻值。3.2.3值測(cè)量電路（見(jiàn)附圖）用已知三極管組成恒流源電路，將恒流源的電流輸出作為待測(cè)三極管的基極電流，待測(cè)三極管構(gòu)成共集電極電路，集電極電阻上的電壓與值成正比關(guān)系。只要用 AD 采該電壓即可。3.2.4 電容測(cè)量電路（見(jiàn)附圖）3.33.3 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì) （程序流程圖）（程序流程圖）4 / 12圖 2 系統(tǒng)主流程圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化功能選擇檔位選擇數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示返回是否按鍵？YN是否超過(guò)60s？NY關(guān)閉電源四、測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果四、測(cè)試方

12、法與測(cè)試結(jié)果4.14.1 測(cè)試方法和儀器測(cè)試方法和儀器測(cè)試方案：硬件測(cè)試、軟件仿真測(cè)試、硬件軟件聯(lián)調(diào)測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全一樣，并 且仔細(xì)檢查無(wú)誤，確保硬件電路無(wú)虛焊。測(cè)試儀器： 勝利 VC9808 、F10 型數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器、SK1730SBP 直流穩(wěn)壓電源。4.24.2 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析4.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù) （1 1）直流電壓測(cè)量）直流電壓測(cè)量測(cè)試方案：通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇直流電壓檔，由直流穩(wěn)壓源提供電壓進(jìn)行測(cè)量，然后由單片機(jī)顯示輸出。表 1 直流電壓測(cè)量表檔 位輸入電壓實(shí)際電壓誤差(%)50 mV50.4mV0.840.2V

13、100 mV100.6mV0.602 V0.5 V0.502V0.405 / 121 V1.004V0.405 V5.02V0.3120 V10 V10.020.20結(jié)果分析：測(cè)量誤差大部分在精度(1%+2 個(gè)字)圍，在 0.2V 檔測(cè)量時(shí)，由于沒(méi)有精密電阻，實(shí)踐所用 1M 電阻誤差較大，所以誤差較大。測(cè)量結(jié)果基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（2 2）交流電壓測(cè)量）交流電壓測(cè)量測(cè)試方案：通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇交流電壓檔，由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供一個(gè)40Hz400Hz 左右的正弦交流電壓，輸入到交流端進(jìn)行測(cè)量。表 2 交流電壓測(cè)量表檔 位輸入電壓實(shí)際電壓誤差(%)50mV50.6 mV1.20.2V100mV101.3 m

14、V1.320.5V0.504 V0.892 V1.0V1.007 V0.705.0V5.05 V1.0020 V10.V10.09 V0.86結(jié)果分析：交流電壓：0.220V ，精度(1.5%+5 個(gè)字)，滿(mǎn)足精度要求。（3 3）電阻測(cè)量）電阻測(cè)量表 3 電阻測(cè)量表檔 位待測(cè)電阻實(shí)測(cè)阻值誤差(%)4747.20.43200148147.90.070.5k0.512 k2.312k1k1.022 k2.25k5.07 k1.3120k10k10.15 k1.45精度要求為(1%+5 個(gè)字)，2k 測(cè)量時(shí)由于被測(cè)電阻和標(biāo)準(zhǔn)的分壓電阻相差有些大，因此較大的誤差。（4 4）電容測(cè)量）電容測(cè)量表 4 電

15、容測(cè)量表檔 位待測(cè)電容實(shí)測(cè)電容誤差(%)33nF32.1nF2.7100nF 66nF68.74.010 uF10.33.0100uF 47 uF48.32.8結(jié)果分析：電容誤差在精度5%+10 個(gè)字)，符合設(shè)計(jì)要求。6 / 12（5 5）晶體三極管測(cè)試）晶體三極管測(cè)試 表 5 參數(shù)測(cè)試結(jié)果待測(cè) NPN 值實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤差(%)90882.221661670.612702731.15835911.37結(jié)果分析：參數(shù)精度(2%+2 個(gè)字)，符合設(shè)計(jì)要求。五、總五、總結(jié)結(jié)在緊而又忙碌的競(jìng)賽期間，我們小組成員團(tuán)結(jié)協(xié)作、分工明確，經(jīng)過(guò)了 4天 3 夜的努力，最終完成題目要求的全部基本功能和大部分的發(fā)揮功能。經(jīng)過(guò)此次電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的磨礪，我們?cè)鰪?qiáng)了協(xié)作精神和實(shí)踐能力，在競(jìng)賽中一