自动量程数字万用表.doc

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，，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
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
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、?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。
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 计算出R0阻值 R,V*R/U,Rx0x0
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*，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