低功耗数字多功能表的设计论文.doc

低功耗数字多功能表的设计低功耗数字多功能表的设计 编号 005A004 摘要摘要 本系统以 TI 公司的 16 位低功耗单片机 MSP430F2616 为主控制器 由功能 转换及变换电路模块 电源变换模块 键盘输入模块 结果显示模块与信号产 生模块组成 系统能够精确测量 20V 以下的交直流电压 0 20k 的电阻 100nF 以下的电容以及常规的晶体三极管的 参数 测量精度最高可达 1 并 能输出频率 10Hz 100kHz 幅值 100mV 5V 范围可调的正弦信号 非线性失真 较小 系统功耗较低 可用一块 9V 电池供电 稳定工作 关键词 关键词 数字多功能表 低功耗 MSP430 A D 转换器 目录目录 一 系统方案一 系统方案 1 1 1 系统总体方案及结构框图系统总体方案及结构框图 1 1 2 方案论证与比较方案论证与比较 1 二 理论分析与计算二 理论分析与计算 2 2 1 交直流电压衰减交直流电压衰减 2 2 2 电阻量程选择电阻量程选择 3 2 3 晶体三极管晶体三极管 测量测量 3 三 电路与程序设计三 电路与程序设计 3 3 1 总体设计思路总体设计思路 3 3 3 程序设计程序设计 程序流程图 程序流程图 3 四 测试方法与测试结果四 测试方法与测试结果 4 4 1 测试方法和仪器测试方法和仪器 4 4 2 测试数据与结果分析测试数据与结果分析 4 五 总结五 总结 6 附录附录 7 一 系统方案一 系统方案 1 1 系统总体方案系统总体方案 根据题目要求 本系统主要由单片机控制模块 功能转换及变换电路模块 电源变换模块 键盘输入模块 结果显示模块与信号产生模块组成 1 2 方案论证与比较方案论证与比较 1 2 1 单片机控制模块 方案一方案一 采用 8 位 STC89C51 单片机 该控制器稳定性高 价格低廉 但 是运行速率慢 功耗比较大 与本设计的低功耗相违背 方案二方案二 采用 LM3S8962 单片机作控制核心 该单片机速度快 功能强大 但功耗比较大 与本设计的低功耗相违背 方案三方案三 采用 MSP30 单片机 该控制器稳定性高 功能齐全 含有我们需 要的所有的功能 且其具有超低功耗的优点 综合考虑高效节能 我们选择方案三 采用 MSP430 系列的 MSP430F2616 单片机作控制核心 1 2 2 电源变换模块 方案一方案一 9V 方电池转换电路 经过 1117ADJ 降压处理 可以提供不同电 压值给各个模块供电 完全能够满足对各个模块供电的需要和题目要求 方案二方案二 9V 方电池转换电路 经过 LM2575IN 降压处理 可以得到 5V 电 压 再经过反压芯片 TPS60400DBVT 得到 5V 另外经过降压得到 3 3V 给单片 机供电 能满足设计要求 由于 1117ADJ 的功耗比较高 且 LM2575 的转换效率较高 综合考虑 我 们选择方案二 采用 LM2575 降压芯片实现电源变换 1 2 3 交流电压测量模块 方案一方案一 搭建峰值检波回路 利用二极管的单向导电性和电容存储电能的 性质进行峰值采集 进而得到电压的有效值 方案二方案二 利用真有效值转换芯片 性能参数方面也都能满足设计要求 且 能测量非正弦波 采用单芯片均方根直流转换器 AD637 片内缓冲放大器既 可以用作输入缓冲 也可以用于有源滤波器配置 该滤波器可以用来降低交 流纹波量 从而提高精度 经过实际的测量 峰值检波电路不好实现 效果不理想 采用 AD637 效果 理想 实现较为方便 故采用方案二 1 2 4 电阻测量模块 方案一方案一 利用测频法测量电阻值 在一个震荡电路里 C R T 之间的关 系确定 利用标准电容 测量周期 进而计算出电阻 R 方案二方案二 比例法测电阻 采用分压原理 用 TL431 产生一个基准电压 利 用标准电阻和被测电阻 Rx 进行分压 经过 AD 采集 单片机的数据处理 得到 电阻值 由于方案一要计算周期比较复杂 且误差较大 不易实现 方案二简单易 行 且比较准确 故采用方案二 1 2 5 电容测量模块 方案一方案一 测量电容量的传统数字式方法 先将电容值转换为电信号 如电压 再用 A D 转换器将其转换为数字信号 因此电路复杂 费用较高 方案二方案二 用测频法测量电容 将电容置入振荡电路 电容量可以被转换为 频率 然后用单片机的定时 计数器实施高精度测频 电路简单 成本低 准确 度较高 方案三方案三 用充电法测电容 用固定的电压给电容充电 根据电容在电路的 充放电时间 计算电容的大小 充放电时间需要准确测量 进行计算得到电容 大小 结合本设计和小组内的软硬件水平 采用测频法测电容 1 2 6 晶体三极管 参数测试模块 将变化的 值转化为与之成正比变化的电压或电流量 再取样进行比较 分档 可由以三极管电流 Ic Ib的关系 当 Ib为固定值时 Ic反映了 的变化 通过采集 Ic流经的一个电阻的电压进行转换 得到晶体三极管 值 1 2 7 正弦波信号产生电路 采用单片集成芯片 ICL8038 产生正弦波 进行外部电路和单片机控制 进行 频率达到 10Hz 100kHz 可调 1 2 8 结果显示模块 方案一方案一 采用 1602 但是显示信息有限 功能切换不够详细具体 方案二方案二 采用 12864 液晶显示 易操作 显示方便 因此 选择方案二 二 理论分析与计算二 理论分析与计算 2 1 交直流电压衰减交直流电压衰减 利用 MSP430F2616 自带的 12 位 A D 采集电压 使用内部基准时 ADC 的 量程是 0V 到 2 5V 需要将电压信号衰减到此范围内 所以 20V 的档位要进行 一次衰减 本设计采用 1 10 的衰减 2 2 电阻量程选择电阻量程选择 根据不同的电阻量程 选择不同的标准电阻与其分压 TLC431 产生的基 准电压输出 2 5V 适当的分压后电阻上的电压单片机的 AD 可以直接采集 应 从可以选择标准电阻为 200 2k 20k 2 3 晶体三极管晶体三极管 测量测量 要求基极电流约 10 A UCE约 3V 电流源的输出电流可以设置为 10 A 作为被测晶体三极管的 Ib 这样让三极管处于放大状态 测出 Ic 再将该电 流转换为电压信号用 AD 进行采集 三 电路与程序设计三 电路与程序设计 3 1 总体设计总体设计 系统的总体设计思路是首先通过按键选择待测物理量的种类 分别对应的 测试电路 AD 采集测试电路的输出 单片机根据具体的物理量进行相应的运 算处理并在 LCD12864 上显示待测数据 系统总体设计框图见图 1 所示 交流 直流 衰减电路 真有效值 转换 MCU 控制单元 ADC 数据采样 数据处理 三极管 值测量电路 电阻阻值 测量电路 电容值 测量电路 12864 显示模块 按键控制 9V 电源转 5V 3 3V 电路 DC AC 图 1 系统总体框图 3 2 部分模块电路的设计部分模块电路的设计 3 2 1 交直流电压测量 1 考虑不同量程及 A D 采集范围的要求 对交直流信号进行衰减 2 直流信号经衰减后可直接进行 A D 采集 但是交流信号需要经过 AD637 之后再进行采集 具体电路见附录 3 2 2 电阻测量电路 见附图 用 TL431 产生一个基准电压 给标准电阻和被测电阻 Rx 供电 测量待测 电阻上的分压 经过 AD 采集 单片机的运算处理 输出电阻值 3 2 3 值测量电路 见附图 用已知三极管组成恒流源电路 将恒流源的电流输出作为待测三极管的基 极电流 待测三极管构成共集电极电路 集电极电阻上的电压与 值成正比关 系 只要用 AD 采该电压即可 3 2 4 电容测量电路 见附图 3 3 程序设计程序设计 程序流程图 程序流程图 图 2 系统主流程图 开始 系统初始化 功能选择 档位选择 数据处理 数据显示 返回 是否按键 Y N 是否超过 60s N Y 关闭电源 四 测试方法与测试结果四 测试方法与测试结果 4 1 测试方法和仪器测试方法和仪器 测试方案 硬件测试 软件仿真测试 硬件软件联调 测试条件 检查多次 仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同 并 且仔细检查无误 确保硬件电路无虚焊 测试仪器 胜利 VC9808 F10 型数字合成函数信号发生器 计数器 SK1730SBP 直流稳压电源 4 2 测试数据与结果分析测试数据与结果分析 4 2 1 测试数据 1 直流电压测量 直流电压测量 测试方案 通过开关选择直流电压档 由直流稳压源提供电压进行测量 然后由单片机显示输出 表 1 直流电压测量表 档 位输入电压实际电压误差 50 mV50 4mV0 84 0 2V 100 mV100 6mV0 60 2 V0 5 V0 502V0 40 1 V1 004V0 40 5 V5 02V0 31 20 V 10 V10 020 20 结果分析 测量误差大部分在精度 1 2 个字 范围内 在 0 2V 档测量时 由于没有精密电阻 实践所用 1M 电阻误差较大 所以误差较大 测量结果基 本满足设计要求 2 交流电压测量 交流电压测量 测试方案 通过开关选择交流电压档 由函数信号发生器提供一个 40Hz 400Hz 左右的正弦交流电压 输入到交流端进行测量 表 2 交流电压测量表 档 位输入电压实际电压误 差 50mV50 6 mV1 2 0 2V 100mV101 3 mV1 32 0 5V0 504 V0 89 2 V 1 0V1 007 V0 70 5 0V5 05 V1 00 20 V 10 V10 09 V0 86 结果分析 交流电压 0 2 20V 精度 1 5 5 个字 满足精度要求 3 电阻测量 电阻测量 表 3 电阻测量表 档 位待测电阻实测阻值误 差 47 47 2 0 43 200 148 147 9 0 07 0 5k 0 512 k 2 31 2k 1k 1 022 k 2 2 5k 5 07 k 1 31 20k 10k 10 15 k 1 45 精度要求为 1 5 个字 2k 测量时由于被测电阻和标准的分压电阻相差 有些大 因此较大的误差 4 电容测量 电容测量 表 4 电容测量表 档 位待测电容实测电容误 差 33nF32 1nF2 7100nF 66nF68 74 0 10 uF10 33 0100uF 47 uF 48 32 8 结果分析 电容误差在精度 5 10 个字 符合设计要求 5 晶体三极管测试 晶体三极管测试 表 5 参数测试结果 待测 NPN 值实际测量结果误差 90882 22 1661670 61 2702731 1 5835911 37 结果分析 参数精度 2 2 个字 符合设计要求 五 总五 总结结 在紧张而又忙碌的竞赛期间内 我们小组成员团结协作 分工明确 经过 了 4 天 3 夜的努力 最终完成题目要求的全部基本功能和大部分的发挥功能 经过此次电子设计竞赛的磨砺 我们增强了协作精神和实践能力 在竞赛中一 起思考讨论问题 得到问题的解决方案 体会到了理论联系实际的重要性 由 于知识水平有限 时间仓促 我们的作品还有待于继续完善 希望老师多多指 点 参考文献参考文献 1 童诗白 华成英主编 拟电子技术基础 第四版 北京 高等教育出版社 2006 2 江思敏 陈明编著 Protel 电路设计教程 第 2 版 北京 清华大学出版社 2006 附录 各部分电路 附图 1 交直流测量电路 附图 2 电阻测量电路 附图三 电源转换电路 附图四 三极管测量电路 附图五 电容测量电路袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆 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