萬用表測(cè)量電阻電容電感

簡(jiǎn)易數(shù)字萬用表結(jié)題報(bào)告目錄二三、四、摘要 ?????????????????????????????碩件 1制板 2控制器 3切換電路 4供電電路 5電阻測(cè)量電路 1） 一般電阻測(cè)量2） 小電阻測(cè)量…6電感測(cè)量電路 7電容測(cè)量電路 8、顯不電路 *4人彳I*?????????????????????????????1）自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)...2...2...3...3…4…4??????…6...8...9.11.12.12.12TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"2）電阻測(cè)量 13\o"CurrentDocument"2） 電感的測(cè)量 133） 、電容的測(cè)量： 14五、 設(shè)計(jì)效果 15六、 總結(jié) 16摘要摘要該系統(tǒng)是基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字式萬用表，可以用來測(cè)量電阻，電容，電感的大小。該萬用表具有價(jià)格低，測(cè)量范圍大，精度高的特點(diǎn)，量程可以自動(dòng)切換,可以自動(dòng)校零，使用方便。制作一臺(tái)功能齊全，精度較高，測(cè)量范圍較廣的數(shù)字式萬用表，電路可能會(huì)比較復(fù)雜，為了更好的完成設(shè)計(jì)，我們采用模塊化的思想，將整個(gè)系統(tǒng)分成控制器、電阻測(cè)量電路、電感測(cè)量電路、電容測(cè)量電路、顯示電路五個(gè)部分。其模塊圖如圖表1所示電阻測(cè)量電路電感測(cè)量電路＞控制器＜電容測(cè)量電路電感測(cè)量電路＞控制器＜電容測(cè)量電路顯示電路圖表1三、硬件在制作電路上，基于中山大學(xué)現(xiàn)有的條件，通常有以下兒種方法：1） 、用萬用板直接焊電路萬用板是很常見的電路板制作材料，用其制作電路工藝簡(jiǎn)單易學(xué)，電路更改方便，價(jià)格相對(duì)較低。但是，用萬用板制作的電路，保存時(shí)間一般較短，容易損壞，電路故障排查較為困難，對(duì)制作者焊電路的工藝要求很高，且不適于制作復(fù)雜電路。2） 、用感光板制作電路用感光板制作電路是制作PCB板最易于學(xué)習(xí)的方法，但是感光板價(jià)格相對(duì)較高，制作步驟較多，曝光、顯影等過程要求較高，很需要經(jīng)驗(yàn)，并且制作雙面板難度相當(dāng)大。3） 、用刻板機(jī)刻板所需過程較少，價(jià)格低，但是需要非常多的經(jīng)驗(yàn)，容易將板刻壞，制作板所耗的時(shí)間長(zhǎng)，不適于大批量制板。4） 、用熱塑機(jī)制板電路漂亮美觀，整齊，易于操作，價(jià)格較低，制作過程中出錯(cuò)易于修改，制

作雙層板方便。5）、將電路送交廠家制作電路板電路美觀，保存時(shí)間最長(zhǎng)，最不易出現(xiàn)短路，開路等故障，但是價(jià)格非常高。綜上，我們采用熱塑機(jī)制板。2控制器要測(cè)電阻、電容、電感的值的大小，并且要能夠自動(dòng)切換量程，不用一個(gè)微處理器，電路可能會(huì)非常之復(fù)雜，制作成本也會(huì)很高，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本,并且使該表具有更大的靈活性，我們決定釆用單片機(jī)來作為總控制器，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，使系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)量工作，并將結(jié)果準(zhǔn)確無誤的顯示出來。市場(chǎng)的的單片機(jī)種類繁多，功能各不相同。8051系列的單片機(jī)以其價(jià)格低、功耗低的優(yōu)勢(shì)，深受青睞。宏晶乂推出新一代STC系列單片機(jī)，運(yùn)算速度是普通8051單片機(jī)的12倍，其中就有STC5410,這款單片機(jī)已經(jīng)可以完全滿足需求。該單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖表2所示：圖表23切換電路圖表3用戶選擇不同檔位時(shí)，單片機(jī)的AD口會(huì)接收到不同的電壓，單片機(jī)根據(jù)電壓的不同從而確定用戶是選擇了哪一個(gè)檔。電路圖如圖表3所示：圖表34供電電路在我們的萬用表中，各種各樣的器件都需要穩(wěn)定的不同的電源供給，而我們可用的電壓只有±15V,為了得到這些不同的電壓，我們自己搭建了幾個(gè)穩(wěn)壓電路。I、5V電壓在實(shí)際中應(yīng)用很廣泛的是7805芯片，在此我們選用該芯片提供5V電壓。II、-5V電壓我們釆用7660來提供-5V電壓III、12V電壓由于我們可用的電壓只有±15V—種，如果直接從15V穩(wěn)壓到5V,不僅穩(wěn)壓效果不好，而且7805會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，共至芯片被燒壞。為此，我們釆用多級(jí)穩(wěn)壓,先將15用7812穩(wěn)壓到12V在將12V電壓穩(wěn)到5V。穩(wěn)壓模塊的電路圖如圖表45電阻測(cè)量電路對(duì)于電阻的測(cè)量，人類過去的兒百年的歷史中，總結(jié)出了許多種方法。對(duì)于不同阻值的電阻，為了達(dá)到較高的測(cè)量精度，也有不同的測(cè)量方法，比如：分壓法、伏安法，恒流源測(cè)小電阻法，小電流測(cè)大電阻法。對(duì)于常見阻值的電阻(100-1MG),我們采用最常見的分壓法；除此，我們的萬用表還增加了可以

測(cè)量小電阻的（1000以下）的功能。1）一般電阻測(cè)量對(duì)于一般電阻，我們采用分壓法，將待測(cè)電阻與基準(zhǔn)電阻串聯(lián)起來，再將基準(zhǔn)電壓加在兩者之上，用ADC測(cè)量待測(cè)電阻分得電壓值，則待測(cè)電阻耳為ADC值，ADC的滿量程值A(chǔ)DCref，基準(zhǔn)電阻R。的函數(shù)ADCref-adck⑴ADCref-adck⑴a） 基準(zhǔn)電壓的獲取MC1403可以產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，只需在產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓的基礎(chǔ)上用變阻器進(jìn)行分壓，即可得到2V的基準(zhǔn)電壓。'b） 自動(dòng)切換量程在電阻的測(cè)量過程中，待測(cè)電阻阻值越接近基準(zhǔn)電阻阻值，所測(cè)得的結(jié)果就越準(zhǔn)確。所以為了使各個(gè)量級(jí)上的電阻都測(cè)得比較準(zhǔn)確，在測(cè)量過程中需要切換量程，也就是采用不同的基準(zhǔn)電阻。電阻切換電路需要在導(dǎo)通時(shí)電阻很小，斷開時(shí)電阻很大，以避免對(duì)基準(zhǔn)電阻產(chǎn)生影響。綜合各方面的因素，切換電路采用電磁繼電器。其在導(dǎo)通時(shí)電阻只有兒十毫歐，斷開時(shí)電阻無窮大，很符合要求。電磁繼電器需要用達(dá)林頓管來驅(qū)動(dòng)。其切換控制電路如圖表5】在測(cè)蟄的電阻過程中，山于電阻的分壓作用，會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓下降。但是，IIIADC的原理可知，只要保持ADC的基準(zhǔn)電壓和電阻（待測(cè)電阻和基準(zhǔn)電阻）兩端電壓不變，測(cè)雖結(jié)果就不會(huì)受到太大影響。圖表5P-U2LELAY5V圖表5P-U2LELAY5V由于控制器的10口不充足，所以用164串入并出移位寄存器來控制達(dá)林頓管以節(jié)省10口的開銷。如圖表6所示U164VDD+5V7占GbID畫GNDOA6B6CQDOE6FOGQHSN74HC164N^4 【6LilU164VDD+5V7占GbID畫GNDOA6B6CQDOE6FOGQHSN74HC164N^4 【6LilL12―VDD+5V-MT8FAGbDA1Y1A2Y2A3Y3A4Y4A5Y5A6Y6A7Y7GNDKU1413MC1413BP16n14n12ITToY1Y2Y3Y4Y5Y6Y79F7LVCC5V圖表6ADCADC的選取直接關(guān)系到電阻測(cè)量值的準(zhǔn)確性。ADC通常有8位，10位，11位，16位等等精度。8位精度誤差4%左右，10位在%左右，11位在%左右，16位在%左右。精度越高，價(jià)格越高。本設(shè)計(jì)的目的是使精度在1%以內(nèi)，則8位AD達(dá)不到要求，16位AD則沒有必要。14433是一種常用ADC,經(jīng)常用于制作儀器儀表制作中，精度高，并且可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，輸出接口方便。本設(shè)計(jì)就選擇14433作為ADC。其電路圖如圖表7所示VCC5VVCC5V圖表72）小電阻測(cè)量對(duì)于小電阻，如果采用上述相同的測(cè)量方法，由于系統(tǒng)的輸入電阻的影響，會(huì)有較大的誤差。所以對(duì)于小電阻，釆用通電流的方法。即把一己知大小的電流I加在待測(cè)電阻Rjt,將電阻電壓釆用差動(dòng)輸入的方式進(jìn)行放大n倍，再把放大后的電壓值用ADC轉(zhuǎn)化為一個(gè)整數(shù)值A(chǔ)DC^輸給單片機(jī)。假設(shè)單片機(jī)滿量程的整數(shù)值為ADCref,基準(zhǔn)電壓為Vref則ADCREFADCREF-n-IREF電路圖如圖表8圖表8對(duì)于恒流源，我們采用的是將基準(zhǔn)電壓加在一變阻器上，用兩只精密放大器0P27組成電流源。如圖表9圖表96電感測(cè)量電路電感的測(cè)量也有比較多的方法，常見的有阻抗法、振蕩測(cè)頻率法。阻抗法的操作較為復(fù)雜，對(duì)電路要求高，測(cè)量精度較低。振蕩測(cè)頻率法是采用三點(diǎn)式LC諧振電路來使電路發(fā)生諧振，對(duì)產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行整形，形成方波，再通過單片機(jī)對(duì)整形之后的信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，根據(jù)頻率『的大小，基準(zhǔn)電容的C。大小，則可得電感值S的大小

(2?！?gt;“(2兀￡>“ C待測(cè)電感與基準(zhǔn)電感的差距越小，測(cè)量就越準(zhǔn)確，因此對(duì)于不同電感值電感，應(yīng)當(dāng)采用不同的基準(zhǔn)電感。電路的切換仍然用繼電器來控制，在此為避免重復(fù)，繼電器部分不再重述，與切換電阻的方法是完全一樣的。為了簡(jiǎn)化電路，我們釆用兩個(gè)量級(jí)的基準(zhǔn)電感10mH和10卩比電路如圖表10C5?-WC5V—T0如3河QUWK.C52Cj01-uFXjVPVHPH10KQ3CjOXFC5?-WC5V—T0如3河QUWK.C52Cj01-uFXjVPVHPH10KQ3CjOXF10K圖表10理論上，以上測(cè)量是比較準(zhǔn)確的，但是，也存在非線性的誤差，即用公式三計(jì)算出來的結(jié)果不是完全準(zhǔn)確的，并且，隨著待測(cè)電感與基準(zhǔn)電感差距的增大，誤差累積增大。如圖表10

圖表11f_L曲線實(shí)驗(yàn)證明確實(shí)如此。誤差可以達(dá)到50%左右。對(duì)此，我們可以用軟件進(jìn)行修正。這一點(diǎn)將在軟件部分里面有詳細(xì)的說明。如圖表117電容測(cè)量電路對(duì)于一般的電容電容的測(cè)量方法也很多。常見的有脈寬法、充電測(cè)電壓法、充電測(cè)時(shí)間（頻率）法、容抗法、振蕩測(cè)頻率法等等。利用待測(cè)電容與74LS14組成多諧振蕩器，使施密特觸發(fā)器不斷翻轉(zhuǎn)，輸出端就可以得到一個(gè)一定頻率的方波信號(hào)。不同的電容得到的方波頻率不同，且電容的大小同頻率成正比。所以，我們可以測(cè)基準(zhǔn)電容C。的振蕩頻率f°,再測(cè)出待測(cè)電容的振蕩頻率則電路如圖表12所示圖表128、顯示電路為了將測(cè)得的值準(zhǔn)確地顯示出來，我們加入顯示模塊。1） 、普通表頭普通表頭根據(jù)通過電流大小形成一定的偏角，來顯示被測(cè)值的大小，使用簡(jiǎn)便。但是，我們的測(cè)量系統(tǒng)兒乎都是數(shù)字量的，故普通表頭不合適。并且普通表頭讀數(shù)不可能非常精確。2） 、LED數(shù)碼管顯示數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理易懂，價(jià)格低廉，廣泛地應(yīng)用于許多家用電器。但是,數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，占用處理器資源較多，功耗較大。3） 、LCD液晶顯不器LCD液晶顯示，可以顯示數(shù)字或字符，采用串行方式，不會(huì)占用太多單片機(jī)引腳，功耗較低。但是價(jià)格較高。綜上，我們的顯示模塊釆用價(jià)格較低的液晶顯示1602o軟件1）自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)到輸入無明顯變化時(shí)，說明用戶長(zhǎng)時(shí)間沒有進(jìn)行操作，單片機(jī)進(jìn)

入低功耗模式，以節(jié)省電源。2）電阻測(cè)量測(cè)量：用戶首先選擇電阻檔，將電阻插入電阻測(cè)試插槽。單片機(jī)被喚醒，并選用10K電阻進(jìn)行估測(cè)。因?yàn)?0K電阻是中量級(jí)電阻，測(cè)得所有誤差都比較準(zhǔn)確，故用與估測(cè)。再根據(jù)測(cè)得的數(shù)值選用合適的測(cè)量電路。如果電阻大于20°,則釆用合適的基準(zhǔn)電阻進(jìn)行測(cè)量；如果電阻小于20C,就釆用小電阻測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量。然后將測(cè)量的結(jié)果用液晶顯示出來。程序框圖：用戶操作：選擇電阻量程 9/插入待測(cè)電阻檢測(cè)14433輸出的整數(shù)值= 程序框圖：用戶操作：選擇電阻量程 9/插入待測(cè)電阻檢測(cè)14433輸出的整數(shù)值= 估算電阻值大于將測(cè)量結(jié)果顯示出來小于20（1圖表132）電感的測(cè)量軟件校正:

理論上，我們是假設(shè)L^Tf,并且認(rèn)為丫是常數(shù)。然而實(shí)際上隨著頻率的改變電容值會(huì)改變，丫也就會(huì)改變，所以S與f的關(guān)系如圖 為了消除這種系統(tǒng)誤差，我們釆用分段線性的方法，在不同的段落釆用不同的年值就可以大大提高測(cè)量精度。為此，我們將電感測(cè)量電路調(diào)試好以后，找來不同的量級(jí)的基準(zhǔn)電感進(jìn)行測(cè)量，從而確定不同段落的丫值的大小。這樣，精度就大大提高了。測(cè)量：利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)單片機(jī)接收到的脈沖數(shù)，再根據(jù)脈沖數(shù)確定丫值，從而計(jì)算出電感值。程序框圖:圖表143）、計(jì)算電感值圖表143）、計(jì)算電感值測(cè)量：用戶首先選擇電容檔，將電容插入電容測(cè)試槽。電路開始工作，單片機(jī)先通過控制繼電器，選通基準(zhǔn)電容C。，測(cè)出振蕩頻率f。；然后單片機(jī)選中待測(cè)電容，測(cè)出0,單片機(jī)根據(jù)式(4)可以計(jì)算出待測(cè)電容容值，并用液晶將其顯示出來。程序框圖:選通基準(zhǔn)電容,測(cè)對(duì)應(yīng)頻率用戶操作：選擇電容檔，插入電容選通基準(zhǔn)電容,測(cè)對(duì)應(yīng)頻率*選擇待測(cè)電容，測(cè)對(duì)應(yīng)的頻率顯示—計(jì)算電容值圖表15五.設(shè)計(jì)效果經(jīng)過測(cè)試，我們可以測(cè)量1OO^-1MG的電阻，誤差在％以內(nèi);可以測(cè)量1-20G的小電阻，誤差在5%以內(nèi)；可以測(cè)量100卩H— 的電感，誤差在3%以內(nèi)；誤差分析本系統(tǒng)誤差主要由恒流源、AD真有效值轉(zhuǎn)換、雙積分ADC器件等兒個(gè)方面所帶來的誤差。AD真有效值轉(zhuǎn)換，在誤差允許的范圍內(nèi)可以將所測(cè)交流電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的真有效值，但不可避免地受到環(huán)境溫度的影響，造成轉(zhuǎn)換時(shí)可能引起誤差；由于環(huán)境溫度的改變，在用恒流法測(cè)電阻時(shí)，會(huì)引起恒流源不為一個(gè)定值,導(dǎo)致所測(cè)電阻流過恒流源所產(chǎn)生的電壓有所偏差，特別是在測(cè)小電阻時(shí)，插槽與被測(cè)小電阻之間的接觸電阻會(huì)引起測(cè)量的較大誤差；雙積分ADC器件與前端處理電路同樣受到溫度、電磁場(chǎng)、工頻干擾的影響，會(huì)引起數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。系統(tǒng)完善1） 進(jìn)一體減小進(jìn)入低功耗后電流。低功耗時(shí)所消耗的電流是單片機(jī)最小系