全国大学生电子设计大赛获一等奖论文.doc

低功耗数字多功能表的设计制作(A题)摘要 系统采用TI公司的msp430作为处理器芯片，经电压测量模块、电阻测量模块、电容测量模块、三极管测量模块，实现电压、电阻、电容、三极管各个参数的测量，并及时由段式液晶模块进行显示，并实现作为信号发生器的功能。系统经过多次改进，运行稳定，测量精度较高，信号输出稳定。关键字 msp430 电阻 电容 电压 三极管 正弦波信号 选用的TI的芯片：msp430 TLV2372 TPS60400 LM324 SN10501Abstract: System USES TI company as the msp430 processor chip, the voltage measurement module, resistance measurement module, capacitance measurement module, triode measurement module, realize voltage, resistance, capacitance, triode each parameter measurement, and by stages in time to display LCD module, and realize the function of as a signal generator. System after many improvement, the operation is stable, and the measurement accuracy is higher and the signal output stability.Keyword：msp430 resistance capacitance voltage triode signal occurredApplication of TI chips.：msp430 TPS60400 TLV2372 SN10501 CSD17505Q5A1 方案论证31.1 直流电压方案论证31.2交流电压方案论证31.3电阻测量方案论证31.4电容测量方案论证31.5晶体三极管参数测试方案论证31.6正弦波产生方案论证42 理论分析与计算42.1 直流供电系统42.2 直流电压测量电路42.3 交流电压测量电路42.4电阻测量电路设计42.5电容测量电路设计52.6晶体三极管测量电路设计52.7正弦波信号产生电路设计52.8 显示电路设计63 总体电路设计和程序设计63.1 电路设计63.1.1电源电路63.1.2 -5v电压产生电路63.1.3直流电压测量电路73.2 系统构成与程序设计73.2.1系统组成73.2.2程序流程74 测试84.1 直流电压测试84.2 交流电压测试84.3电阻测量94.4电容测试94.5 三极管值测试95 总结9参考文献：10附录：101 方案论证本系统由直流电压、交流电压、电阻、电容、三极管测量电路和正弦波信号发生器电路组成。1.1 直流电压方案论证（1）直接测量法系统采用map430，其内部自带12位AD，可以直接对电压进行采样，读出AD值，但是考虑到测试电压的量程的问题，无法采集较高的电压值。（2）比例分压法采用电阻分压的方法，把输入电压进行按比例进行缩小，使电压适合msp430的取样范围。综合考虑，选择方案二。1.2交流电压方案论证(1) RC整流测试法用RC电路把交流信号转变成直流信号，再把信号输入到直流电压测量的电路中，就可以实现测量。(2) AD637整流测试法用AD637进行整流，把交流信号转变为直流信号，再输入到直流电压的测试电路中，就可以测量。综合考虑，方案一中，电压会有相应的缩小，并且是没有规律，方案二中，经过AD637的整流，直流电压与交流电压是成比例的，可以推算出原来的交流电压。最终选择方案二。1.3电阻测量方案论证(1) 电阻桥测量法通过搭建电阻网络，固定两个电阻，调节第三个电阻的阻值，使测量电压为零，利用电桥平衡的公式以及一些已知的电路参数就可以求出电阻值。(2) 伏安法测量法通过把被测电阻和一个已知的电阻进行串联，采样被测电阻的电压值，利用已知的电路参数就可以求出电阻值。综合考虑，方案一电路麻烦，计算复杂，增加了cpu的负担，对于方案二，电路简单，计算也简单，综上选择方案二。1.4电容测量方案论证(1) RC震荡测量法通过NE555搭建脉冲电路，通过单片机记录电路的震荡的频率，再利用电路的已知量，列关系式就可以求出电容值。(2) 阻抗法测量法通过DDS信号发生器产生固定频率的正弦波，把被测电容与电阻进行串联，测量两者的电压值，利用已知的电路参数和关系式，就可以求出电容值。综上考虑，方案一电路简单，单片机捕获脉冲的频率，方案简单，方案二中，正弦波的频率固定，只需采样两个电压，但很流交流源电路复杂，并不稳定，计算复杂。综上选择方案一。1.5晶体三极管参数测试方案论证通过直流恒流源加在三极管的基极b，在发射极e串一个标准电阻，测量在电阻上的电压，利用已知的参数和之间关系进行求解。1.6正弦波产生方案论证采用DDS芯片AD9850产生正弦波信号，信号的频率由外部按键调节，信号的幅值由外部的放大电路进行调节。2 理论分析与计算2.1 直流供电系统本电源系统采用LM2596作为5v稳压芯片，LM1117作为3.3v稳压芯片。LM2596的待机电流最小可达60uA，实现待机断电状态，满足低功耗的要求。2.2 直流电压测量电路采用电阻分压的方法,把电压的范围缩减到适合单片机采样的范围，通过读取AD采样值，通过计算电压与电阻的关系，按照缩减的比例，可以求出输入电压。如图2.1所示。图2.1直流电压测量原理输入电压加在不同的电阻上，就选择不同的档位，R1、R2、R3与R4的比例是已知的，输入电压U0=R*U/R4。2.3 交流电压测量电路交流电压的测量电路，在直流电压测量电路的基础上，加上一个交直流转换电路，在电压转换为直流信号后在进行AD采样，最后利用其固有关系，求出交流电压值。交流电压U=1.414*U0。U0为经过AD637测得的直流电压。2.4电阻测量电路设计把被测电阻与一个已知的电阻串联，加上恒定的3.3v电压，对于不同的档位，R1的阻值是不同的，以便于AD进行电压采集。电路加上3.3v的稳定电压，可以满足msp430的采集。如图2.2 所示：图2.2 电阻测量采集Rx两端的电压U，并时刻采集供电的3.3v电压为U0，通过关系式（U0-U）/R1=U/Rx，得Rx= U* R1/（U0-U）。2.5电容测量电路设计搭建CD555震荡电路，可以输出方波。把被测的电容接到被测电路中，电路就可以输出稳定的方波，通过msp430采集方波的频率。如图2.3。图2.3 电阻测量电路电路震荡周期：T=(R1+2R2)*C*Ln2故电路震荡频率：f=1/T;电阻R1和R2为已知电阻，所以电容:C=1/(R1+2R2)f Ln2。2.6晶体三极管测量电路设计在晶体管的极加上恒流源，利用其本身的特性，采集发射极e的电压。由LM334搭建直流恒流源，稳定输出为10uA。电路如图2.5.图2.5 恒流源电路图用AD采样发射极串联R的电压Ve，=Ve/10100R。2.7正弦波信号产生电路设计利用AD9850产生频率可调的正弦波，通过外部的按键进行控制频率的输出。把输出信号输入到运放电路中，进行幅值放大，通过外部的滑动变阻器进行调节放大倍数，如图2.6。图2.6 信号发生电路2.8 显示电路设计在系统要求低功耗的前提下，采用段式液晶进行显示。在发挥部分中，要求在一段时间后，自动切断电源和进入低功耗状态。为此，我们应用CSD17505Q5A，在不工作状态进行给液晶断电。如图2.7。图2.7 液晶电源控制电路3 总体电路设计和程序设计3.1 电路设计3.1.1电源电路把输入的放电池电压，记过LM2596和LM1117稳压为5v和3.3v电压。LM2596的功耗较低，在休眠状态下的电流为80uA，符合本系统对低功耗的要求。图 3.1 电源电压 3.1.2 -5v电压产生电路利用TI的TPS60400把5v的电压，直接转换为-5v的电压。在交直流转换电路中，需要给AD637供正负电源。图 3.2 -5v电压产生电路3.1.3直流电压测量电路把输入的直流电压分压后，通过CD4051选择档位，输出电压经过由TLV2372搭建的电压跟随器，保证输出电压的稳定，在输出电压口，由msp430的IO口采集电压。图 3.3 直流电压测量电路3.2 系统构成与程序设计3.2.1系统组成本系统由MSP430作为控制器，主要包括：电源、独立按键、电阻测量模块、电容测量模块、三极管测量模块、正弦波发生模块、显示模块等组成，如图3.4所示：控制器msp430电源独立按键交流电压测试模块直流电压测试模块显示模块电阻测量模块电容测量模块三极管测量模块正弦波发生模块图3.4 系统组成3.2.2程序流程本程序首先进行系统初始化，采用定时器来计时，判断有无按键，当无按键按下定时时间到60S时进入低功耗状态。采用中断判断按键的按下与否，控制模拟开关选择档位，进而控制各个模块的测量，实现电压、电阻、三极管等的测量，及其输出正弦波，并且可调。系统初始化到达自动关机功能是进入休眠状态否有无独立按键按下选择档位结束无有直流电压交流电压电阻三极管参数信号发生段式液晶显示图3.5 程序流程4 测试4.1 直流电压测试0.2V2V 20V电压值测量值误差度电压值测量值误差度电压值测量值误差度0.05V0.051 V0.2%0.5 V0.52V0.4%5 V5.07V0.1%0.1 V0.109 V0.1%1 V1.05V0.5%10 V10.8V0.2%0.15 V0.148V0.2%1.5 V1.46V0.3%15 V14.5V0.3%0.2 V0.208 V0.4%2 V1.95V0.3%20 V19.4V0.2%4.2 交流电压测试0.2V2V 20V电压值测量值误差度电压值测量值误差度电压值测量值误差度0.05V0.049V0.2%0.5 V0.53V06%5 V5.07V0.1%0.1 V0.105 V0.5%1 V1.05V0.5%10 V10.8V0.2%0.15 V0.140V1.0%1.5 V1.44V0.4%15 V14.5V0.3%0.2 V0.21V0.5%2 V1.94V0.3%20 V19.4V0.2%4.3电阻测量200欧2K20K电阻值测量值误差度电阻值测量值误差度电阻值测量值误差度4.74.70%2202210.1%2.7K2.8K0.4%1212.20.1%3103140.1%3.9 K4.0K0.3%2222.30.2%3603540.2%4.7 K4.6K0.5%5857.70.5%4304360.1%6.2 K6.10.3%10099.50.5%6806710.2%6.8 K6.70.3%180180.80.4%1K1060欧0.6%8.2 K8.10.2%200199.50.2%2K2.1K0.5%10 K10.80.8%4.4电容测试100nF100uF1 nF1.03 nF3%1 uF1.0234.7 nF4.72nF4%3.3 uF3.31310 nF10.033%10 uF10.04422 nF22.031.5%22 uF22.02147 nF47.051%47 uF47.51100 nF99.044%100 uF994.5 三极管值测试给定三极管值实际测量值误差2352371.5%2502541%3183161%321.33231%综上所述，本设计达到基本要求的（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）和发挥部分的（1）、（2）、（3）要求。此外，增加了HOLD按键，扩展了系统功能，属发挥部分（4）的要求。5 总结首先，感谢全国电子设计大赛组委会和协办单位给我们这样一次珍贵的锻炼机会，在这次大赛中，我们完成了大赛题目要求的所有内容，同时也启迪了我们的创新意识和团队合作意识，培养了我们分析问题、解决问题的能力，加深了对所学理论的实际应用，我们热爱电子设计，希望在电子设计的海洋里继续遨游，追求他给我们的无限激情。在这次比赛中，我们在做电容测量的时候，档位的量程上存在一定的误差，因为选择的CD555本身就无法产生较高的频率，就