2014电子设计大赛低功耗数字多功能表的设计制作

2014年山西省电子设计大赛题目：低功耗数字多功能万用表技术报告 参赛学校：中北大学参加人员：指导老师：时间：2014.10.21 30低功耗数字多功能表的设计制作摘要： 本系统采用飞思卡尔公司提供的KL26超低功微控制器为控制核心，以电源模块、直流电压测量模块、交流电压测量模块、电阻测量模块、电容测量模块、晶体三极管参数测量模块、12864液晶显示模块，正弦信号产生模块等为主要模块，实现了对直流电压、交流电压、电阻、电容、三极管的精确测量，并成功地完成了发挥部分自动关机、正弦信号的产生等内容。最终经过测试，系统各项测试指标都超出题目精度要求。在整体设计中，充分考虑到了系统对功耗的要求。关键字：低功耗 KL26 精确测量 DDS Abstract: This system take the KL26 very low power microcontroller as the control core ,at the same time ,it take the power module ,AC voltage measurement module, resistance measurement module, capacitance measurement module, transistors parameter measurement module, AD transition module, LCD module ， , sinusoidal signal module as the main module . It can achieve function of the accurate measurement of AC，DC，resistance, capacitance, transistor , as while as the extend part . In power supply changeover module, the lose power is produced by 7PS60400DBVT provided by TI .Finally, all indicators of the system reached the accuracy requirement through test.In the process of designing, to the requirements of the system power consumption,we have full consideration. Low power consumption is also the one big characteristic of this systemKey Words: low-powerconsumption KL26 accurate-measurement DDS 目录1.总体思路与研究方案31.1系统总体方案31.2方案设计与论证31.2.1电源模块31.2.2 单片机控制模块41.2.3 直流电压测量模块41.2.4 交流电压测量模块41.2.5 电阻测量模块41.2.6 电容测量模块41.2.7晶体三极管参数测量模块51.2.8 显示模块51.2.9 正弦信号产生模块61.3 系统设计62. 系统电路设计72.1系统总电路图72.2 电源模块电路72.3 直流电压测量电路82.4交流电压测量电路92.5 电阻测量电路92.6 电容测量电路92.7 晶体三极管参数测量电路102.8 正弦波信号产生电路103.系统软件设计4、 系统测试与结果分析125、 设计总结14参考文献14附录：141.总体思路与研究方案1.1系统总体方案设计与原理框图根据题目要求，系统总体由电源转换模块，单片机控制模块，直流电压测量，交流电压测量，电阻测量模块，电容测量模块，三极管参数测量模块，波形产生模块和液晶显示模块等基本模块组成。系统原理结构框图如图1所示： 图1 系统原理框图1.2方案设计与论证1.2.1电源模块 系统所有需要供电的模块均采用5V供电，同时运放TL062需+5V、-5V双电源供电。而题目中要求输入电压来自于9V方电池，所以要进行电压转换。 方案一：利用7805芯片产生+5V电压源，用7905芯片产生-5V电压源，是最常用也是最简单的一种产生5V电源的方案。但是考虑到其功耗较大，应用其他方案代替。 方案二：利用78L05芯片产生+5V电压源，再利用TI公司提供的TPS60400DBVT芯片将+5V电压转化为-5V电源。无论是78L05还是TPS60400DBVT功耗都相对较低。 从功耗和精度等方面综合考虑，本系统的电源模块采用方案二。 1.2.2 单片机控制模块 KL26是增强版Cortex-M0+ (CM0+)内核的高集成、超低功耗32位微控制器。子系列特性如下：内核时钟高达48MHz，总线时钟高达24MHz 内存空间具有高达128KB的闪存和16KB的RAM 宽泛的工作电压：1.71V 3.6V，可对Flash进行编程/擦除/读取操作32到80引脚的多种封装模式运行温度范围：40 105 该系列控制器更低功耗、更经济有效的特性为开发者提供了一个入门级32位芯片解决方案。该系列对于低成本、低功耗、高性能芯片应用提出了下一代MCU解决方案，该方案对那些成本敏感、待机时间长的便携式芯片是十分有价值的。考虑到芯片的功能和功耗，我们选择KL26芯片作为主控芯片。1.2.3 直流电压测量模块 方案一：采用双积分式直流电压测量电路。此方案的优点是精度相当高，但是电路复杂，需用许多运算放大器，不仅不易焊接调试，而且成本较高。 方案二：采用简单的电阻和电容串并联网络来实现直流电压的测量。通过串入测压网络的电阻的变化来改变量程。经过精密的计算和软件修正，完全可以达到题目的精度要求。故采用此方案.。 1.2.4 交流电压测量模块方案一：采用峰值滤波，此方案电路简单，功耗较低。但精度不高，芯片失调电压和二极管压降对测量值有很大影响。方案二：采用降压电阻、量程选择开关、运算放大器输人保护电路、AD637转换电路、大电容滤波电路等组成。其中运用了TL062超低功耗运算放大器，因为它不仅功耗低，而且具有高输入阻抗，低输入偏离率，高转换速率，输出短路保护等优点。经选择我们采用AD637芯片。 1.2.5 电阻测量模块方案一：电桥法。电桥法具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。 方案二：伏安法。伏安法测量电阻的原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。综上所述，伏安法实现较为容易，我们采用伏安法进行对R、L、C的测量。 1.2.6 电容测量模块方案一：利用串联分压原理的方案。通过电容换算的容抗跟已知电阻分压，通过测量电压值，再经过公式换算得到电容的值。由于此方案的测量精度极差，故不予采用。方案二：利用交流电桥平衡原理的方案， 通过调节Z1、Z2使电桥平衡。这时电表的读数为零。通过读取Z1、Z2、Zn的值，即可得到被测电容的值。但需要测量的电容值多，而且测量调节麻烦、电容不易测得准确值，不易操作与数字化，故也不采用。方案三：利用555构成单稳态原理的方案根据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容值。方案三是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。故本设计选择了方案三。 1.2.7晶体三极管参数测量模块方案一：基本共射级放大电路。其优点是电路简单；缺点是由于I很小，精度难以保证。而且由于被测三极管发射极电压各有差异，无法保持基极电流的恒定。方案二：晶体三极管的测量是利用微电流源产生电路产生约10A的微电流源输入到待测三极管的基极，此方案产生的基极电流精度高，且不随被测三级管参数的改变而改变。故采用方案二。其中测量PNP型三极管时，由于集电极输出的电压信号为负值，因此要加一级由TL062构成的反相器电路。 1.2.8 AD采样转换模块采用KL26内部自带的16位AD进行数据的采集转换，完全可以达到测量精度要求。这样不仅充分利用了单片机的内部资源，而且降低了功耗，避免了不必要的花费。 1.2.9 显示模块方案一:采用LED数码管显示。数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点，但显示信息量小，无法显示必要的文字跟符号，且自身功耗较大。方案二：12864CB点阵LCD液晶显示。QC12864CB液晶可轻松实现字母、汉字、图像等的显示，控制简单。而且其通信方式为并行通信，只需占用两个I/O口，节省单片机资源。另外，与数码管相比其功耗很低。所以采用12864液晶显示的方案。1.2.10 低功耗模块利用单片机内的看门狗定时器，一旦有按键按下，看门狗开始计时，假如一分钟时间到，如果无按键按下，进入低功耗模式。如果在此期间，系统检测到按键按下，则推出低功耗模式，完成唤醒。 1.2.11 正弦信号产生模块采用产生正弦信号的专用芯片AD9850为核心，通过单片机软件进行控制，可产生符合要求的正弦波信号，频率在01M任意可调，并且幅度可调，有效值在06V可。 1.3 硬件系统设计1.3.1通过对系统的整体考虑，选择各模块方案如下：（1）电源模块：+5V电源由78L05转换得到，-5V电源由TPS60400DBVT转换得到。（2）控制模块：飞思卡尔KL26超低功耗单片机。（3）直流电压测量模块：采用简单的电阻串入电路分压来改变量程。（4）交流电压测量模块: 电阻分压，TL062进行放大，AD637进行转换。（5）电阻测量模块：伏安法测阻抗。（6）电容测量模块：利用分段电阻，555构成单稳态原理的方案。（7）三极管测量：利用精确微电流源经过三极管的放大，测试输出量。（8）AD转换模块：采用KL26内部自带的16位AD进行数据的采集转换。（9）显示模块：12864点阵LCD液晶显示。（10）低功耗模块：利用单片机内的看门狗定时器实现。（11）正弦信号产生模块：利用AD9850芯片。1.3.2理论分析与计算 (1)电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法。其主要原理：是在待测电阻与标准电阻的串联电路中加一直流电压V。AD采样Rx上电压，则测量电阻为：(2)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容值。由 若R1=R2,得 2.系统电路设计 2.1系统总电路图 2.2 电源模块电路 +5V电源产生电路如图3所示 ，9V方电池输出的电压经过78L05芯片的转换，再加上滤波电路滤除干扰，输出稳定的+5V电压。-5V产生电路如图4所示，图3输出的+5V电压作为图4电路的输入经过TPS60400DBVT芯片的转换，变为-5V输出。 图3 +5V电压产生电路 图4 -5V电压产生电路 2.3 直流电压测量电路该电路是由电阻分压器所组成的外围电路构成。把基本量程为0.2V的量程扩展为三量程的直流电压挡。 图5 直流电压测量电路 2.4交流电压测量电路 图6 交流电压测量电路 2.5 电阻测量电路 图7 电阻测量电路 2.6 电容测量电路 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容值。后接施密特触发器起到稳定波形的目的。 图8 电容测量电路 2.7 晶体三极管参数测量电路 图9 NPN三极管的参数测量电路 图10 NPN三极管的参数测量电路 2.8 正弦波信号产生电路 图11 正弦波信号产生电路 3. 系统软件设计本系统的软件设计采用C语言对KL26单片机进行编程，从而实现各模块的功能，主程序主要是控制电路的选择、各参数的检测与控制。程序流程图如图12所示。 图12 程序设计流程图4. 系统测试与结果分析 表1 电阻测试结果数字电桥电阻值测试值测试相对误差1010.10.014747.30.006310099.8-0.0025105120.00391K997-0.0033.3K3.29K-0.00310K10.42K0.004251K50.65K-0.0069100K100.5K0.005表2 电容测试结果数字电桥电容值测试值测试相对误差10nF10.3nF0.03100nF99.5nF-0.005220nF216nF-0.0181uF0.997nF-0.00310uF10.25uF0.02522uF22.3uF0.01447uF46.2uF-0.017100uF103.3uF0.033表3 PNP三极管测试结果万用表标称值测试值测试相对误差16016002102110.00482802840.014350346-0.011410408-0.0049460456-0.00875505530.0055表4 直流电压测试结果直流源标称值测试值测试相对误差20mv19.68mv-0.0016100mv100.3mv0.003200mv199.5mv-0.0025500mv503mv0.0061v0.998v-0.0025v4.98v-0.00410v9.96v-0.00415v15.06v0.00420v20.15v0.0075表6 交流电压测试结果交流源标称值测试值测试相对误差20mv19.68mv-0.016200mv201mv0.005400mv398mv-0.005800mv806mv0.00751v1.005v0.0054v4.01v0.00258v7.96v-0.00516v15.89v-0.006920v19.86v-0.007 经计算，平均测量误差为0.67%，满足题目1.5%的误差要求。 正弦波测试结果：5. 设计总结经过一个月的努力，我们三个人终于如期圆满的完成了本次比赛的设计任务。回顾比赛的全过程，我们不仅仅是完成了一件作品，而且提高了我们的创新精神，动手能力和团队协作能力，这将是我们人生当中的一笔宝贵的财富。经过此次电子设计大赛让我们对电路的设计、调试有了深刻的印象，对电子电路和微处理器的知识加深了理解。同时也深刻地体会到了共同协作和团队精神的重要性，提高了我们解决问题的能力。本系统经过测试，顺利满足了题目基本要求部分的各项指标的要求，并完成了发挥部分的要求，充分利用了KL26片上的资源。从系统的低功耗出发，采用了很多低功耗的方案。设计中还有欠缺的方面，今后的学习工作中会加以注意。最后感谢大赛组委会给我们这次展现自我机会！参考文献1韩焱,.数字电子技术基础,电子工业出版社，2009.62韩焱,.模拟电子技术基础,电子工业出版社，2009.6附录：1.正弦波测试结果： 低功耗数字多功能表/*文件:app.c*/ #include common.h#include include.h#include dgnb.h#include dh12864.hextern vuint8 key;extern vuint8 flag1;void main() dgnb_init(); EnableInterrupts; enable_irq (PIT_IRQn); /使能PIT0中断 pit_init_ms(PIT0,60000); /初始化PIT0，定时时间为： 10ms led_init(LED0); /初始化LED0，PIT0中断用到LED0*/ flag1=1; while(1) key=get_status1(); if(flag1=1) switch(key) case 0x80: get_cap(); break; case 0x40: get_res(); break; case 0x20: get_DC(); break; case 0x10: get_AC(); break; case 0x04: get_npn(); break; case 0x02: get_pnp(); break; case 0x01: dds(); break; default: break; /*文件：dgnb.c*/#include include.h#include 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