多功能数字万用表(2015.06.24)

1、目录1、 摘要.32、 方案论证.43、硬件系统设计.10 3.1、主控模块.11 3.2、电源模块.11 3.3、液晶显示模块.12 3.4、交直流测量模块.14 3.5、电压测量模块.15 3.6、电阻、电容、电感测量模块.16 3.7、信号放大模块.17 3.8、功率输出模块.18 3.9、时间模块.19 3.10、蜂鸣器模块.21 3.11、存储模块.224、软件系统设计.21 4.1、主程序设计流程图.23 4.2、液晶显示流程图.24 4.3、总流程图.25 4.4、直流电压测量流程图.26 4.5、直流电流测量流程图.275、系统调试.28 5.1、调试.28 5.2、测试数据.

2、29 5.3、测试结果分析.316、机箱设计.317、项目小结.338、参考文献.339、附录.34 9.1、元器件清单.34 9.2、面板及PCB图.35 9.3、小组会议记录及工作进度.37 9.4、工作场景照片.47 9.5、心得体会 .51 1、 摘要 本仪器为基于stm32f103vct6的多功能数字万用表，具备测量直流电压、交流电压、直流电流、电阻、电容、电感、二极管等多项功能。采用3.5寸高清液晶显示屏，具有极好的视觉效果；并配备电阻触摸屏，可以直接触摸操作，便于操作者使用。具备自动休眠功能，检测当前无操作时，自动进入休眠模式，以节约能耗。具备开机系统自检，以及自动校准功能。为提

3、高测量精度，采用16位ADC（ADS1118），最高分辨率达到60uV。提供一个永不丢失标签二维码，便于对仪器查询及统计。并附一个网络说明书二维码，支持通过手机扫二维码来获取产品说明说。 2、 方案论证 2.1、主控方案一：AT89C51主要特性：·与MCS-51 兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环，数据保留时间：10年，全静态工作：0Hz-24MHz ，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM， 32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。优点：熟悉的8位单片机，软件调试

4、简单，代码资源丰富 缺点：速度慢，功耗一般，内部没有集成ADC外设，需要外扩ADC芯片。方案二：msp430g2553MSP430g2553是16位RISC结构、超低耗的混合信号处理器，是冯诺依曼结构，所有的数据程序和内部模块公用相同的存储空间，具有多时钟系统。低电压供电：1.8V-3.6V。16MHZ主频，5种低功耗模式，8输入10bit 200Ksps ADC，两个16Bit Timer A,USCI接口，支持Uart,IrDA,SPI和IIC功能。可独立编程，可提供输入输出与中断（边沿可选）的任意组合，所有寻址指令可对端口控制寄存器进行读、写访问，每个I/O具有一个独立可编程的上拉、下拉

5、电阻，某些器件、引脚具有触摸按键模块。方案三：stm32f103stm32f103vct6为32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3.内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设。采用stm32f103vct6为主控结合3.5寸液晶显示屏来作为本系统的主控MCU与LCD液晶显示部分，其优点是stm32f103vct6内部外设丰富，集成了12位的ADC，3.5寸液晶显示屏液晶体积刚好。综合考虑选择方案三。2.2、直流电流测量方案一：检测电阻+运放通过测量检测电阻两端的电压值来计算出电流。优势：成本低、精度较高、体积小劣势：温漂较

6、大，精密电阻的选择较难，无隔离效果。这两种拓扑结构，都存在一定的风险性，低端检测电路易对地线造成干扰；高端检测，电阻与运放的选择要求高。方案二：霍尔电流传感器  霍尔电流传感器分开环模式与闭环模式。开环模式又称为直接测量式霍尔电流传感器，输入为电流，输出为电压。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。闭环模式又称为零磁通模式或磁平衡模式，其输入与输出端均为电流信号。将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，最终

7、达到磁平衡。霍尔电流传感器待测电流与测量系统是隔离的，能够有效的防止待测电流与测量系统相互干扰。综合比较选择方案二。2.3、交流电压测量方案一：检波器 通过一个二极管加一个电容将交流信号转换成直流信号，再通过AD采集滞留信号。检波二极管的非线性，与不同频率对应的电容值不同。因此虽然其频率范围较窄，测量精度不高。 方案二：直接使用ad测量峰峰值直接使用AD测量交流信号的峰峰值。使用AD测量连续对被测交流信号采集若干次，找出其最大值，与最小值，最大值与最小值只差就是该信号的峰峰值。当输入信号频率较高时，或者被测信号有高频噪音时，将严重影响测量精度。方案三：使用真有效值检查芯片ad637AD637是

8、一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz的输入信号。综合考虑选择方案三。2.4、电阻测量方案一：使用直流分压法测量电阻优点：用分压法测量电阻，测量较大的电阻比较好，简单且易于实现。 方案二：惠斯通电桥法惠斯通电桥适宜于测量中值电阻(1106)。当B、D两点的电势相等，电桥的这种状

9、态称为平衡状态。设ABC支路和ADC支路中的电流分别为I1和I2。如图可以得到：综合考虑选择方案三。优点：避开了电源随时间变化造成的误差。测量精准，更便于精确计算。缺点：对电桥电阻的精度要求高,再设计的过程比较麻烦，不易于与实现。综合考虑选择方案一。2.5、电容测量方案一：充/放电电容测量充/放电电容测量电路基本原理如图1所示。由CMOS开关S1，将未知电容Cx充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve·Cx，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进行，因而平均电流Im=Ve·Cx·

10、;f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压 Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf为检波器的反馈电阻) 。 方案二：AC电桥电容测量电路 AC电桥电容测量电路如图3所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同/幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这种电路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比。 方案三：交流RC分压测电容电容测量模块原理分析：采用阻抗分压法，通过被测电容与标称电容串联进行阻抗分压，根据单片机采集到的电压值

11、来反推出被测电容值。综合考虑选择方案三。2.6、电感测量方案一：使用mc1648mc1648需要一个外部品行的由电感和电容组成的tank回路。在操作频率以内最大的品质因素。一个变容二极管可以包含在回路用来提供一个可变的电压输入。这个芯片可用于需要匹配或频谱纯度高的频率时钟源。正常工作电压在+5V到-5V。图1 简单电感测量装置电路图方案二：谐振法测电感如图所示为并联谐振法测电感的电路，其中C为标准电容，L为被测电感，Co为被测电感的分布电容。测量时，调节信号源频率，使电路谐振，即电压表指示最大，记下此时的信号源频率f,则由此可见，还需要测出分布电容Co，不接标准电容C，调节信号源的频率，使电路

12、自然谐振，设此频率为f1，则有上述两式可得把Co代入L的表达式，就可以得到被测电感的感量。电感的型号多种多样，电感值测量范围需要较大。在测量过程中可能会出现找不到谐振点的情况。故放弃此方案。方案三：电桥法测电感交流电桥测量原理：马氏电桥：适用于测量Q<10的电感，图中Lx为被测电感，Rx为被测电感的损耗电阻。海氏电桥：适用于测量Q>10的电感,图中Lx为被测电感,Rx为被测电感的损耗电阻。电感比较电桥：若利用标准电感来测量电感，则可将电桥连接成麦克斯韦电感比较电桥如图（a）和（b）所示。当时，应选用图（a），反之，则选用图（b）。方案四：交流分压法测量原理：首先测出输入电压，使其固

13、定不变，通过电感测量网络能得出被测电感的输出电压。然后根据不同大小的电感对应不同的频率和输出电压，可直接根据公式（A=Vo/Vi,W=2f) 得出电感的大小。优点：用分压法测量电感，简单且易于实现。缺点：理论上结果不是很准确，是比较粗糙的测量方法，忽略了电感的交流电阻Rr。3、 硬件系统设计 本系统主要由单片机处理模块、彩屏液晶显示模块和7个子功能测试模块组成，通过七个子功能模块将被测的电阻、电容、电流等转换成能够供单片机处理的电压或者方波脉冲信号，送往单片机处理后由单片机进行判断处理，最后将采集到的电压值转换成对应的被测值通过彩屏液晶进行显示。整个系统操作简单，数字化程度极高。系统结构框图如

14、下图： 3.5寸彩屏液晶STM32F103AD637+ADS1118信号幅度测量AD9851DDS信号源交直流电压测试网络电容，电感，电阻测试网络交直流电压霍尔电流传感器3.1、主控模块我们采用的主控为STM32F103VCT6单片机，该单片机的供电电压为2-3.6V，在这里我们采用的是3.3V供电，晶振电路我们采用的是8MHz晶振，芯片的模拟电源输入端与数字电源输入端采用一个10uH电感进行隔离，模拟地与数字地采用零欧姆电阻相连，芯片所有的VCC与GND之间均采用一个1uF和一个104并联，既可以对电源进行滤波，又能为芯片正常工作储存足够的电荷，具体原理图设计如图所示： 3.2、电源模块采用

15、AD-DC开关电源模块；高效率，高可靠、低成本开关选择输入电压范围；保护特性：短路/过载；具有开机显示（发光二极管）；空气冷却；工作频率为23KHz；尺寸: 129*98*38mm(L*W*H)；直流输出电压为±12V和+5V；额定输出电流为1A，0.5A以及3A;输出功率为33W; 纹波及噪音：100mVP-P以及50mVP-P。单片机供电采用AMS1117-3.3，将来自开关电源模块的+5V转成+3.3AV和+3.3DV。+3.3AV给单片机的模拟部分供电，+3.3DV给单片机的数字部分供电。L1，L2为共模电感，滤去电源纹波。C81、C82、C83为470uf大电容滤去低频电源

16、纹波，C84、C85、C86为0.1uf电容滤去高频电源纹波。3.3、液晶显示模块3.3.1、3.5寸液晶液晶触控屏又称为触控面板，是个可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的效果。3.3.2、ADS1118 ADS1118是一个超小体积16bit精密的AD转换器。此款芯片对精度和供电进行了特别的设计。它以自带的电压参考和时钟转换器为特色。通过SPI接口传输数据。操作电压可以从2.0V到5.5V.3.3.3、Ad637差动变压器将位移量转换成电压信号

17、，测量信号幅值或有效值再进行数据处理，便可以得到相应的位移值。对于有效值的检测，选用真有效值测量芯片AD637实现。平均电容C1设定平均时间常数，并决定低频准确度，输出纹波大小和稳定时间。信号经过放大后输入到AD637进行有效值检波，两电位器分别进行调零和调幅，以使AD637的输出更准确。如图所示： 3.4.1、电流测量 ACS712器件的带宽通过设置新的筛选器引脚，5us的输出响应上升时间步输入电流，50khz带宽，总输出1.5%错误T，电流测量范围+5A到-5A，以及极度稳定的输出偏移电压，几乎为零的磁滞，电源电压成比例输出。硬件电路实现如下： 3.4.2、 AD9851AD9851是一种

18、高度集成的设备，采用先进的DDS技术，再加上内部高速度，高性能D/A转换器和比较器。180MHZ时钟速率参考时钟具有6倍频乘法器，芯片具有高效能10位DAC和高速滞后比较器无杂散动态范围SFDR为43分贝的模拟输出。具有32位频率控制字，5位相位调制和补偿能力，+2.7V至+5.25V单电源工作。椭圆滤波器是一种零极点型滤波器，它在有限频率范围内存在传输零点和极点。它的通带和阻带都具有等波纹特性，因此通带、阻带逼近特性良好。对于同样的性能要求，它所需用的阶数都低，而且它的过渡带比较窄。3.5、电压测量模块  测量电压电路，利用串联分压，刚开始默认为第一档，量程为3-30V，当幅度较小

19、时为第二档，量程为0-3V。R26为运放输入电阻，防止输入悬空，造成输出电压不稳定。原理图如下： 3.6、电阻，电容，电感测量网络 电阻测量：高频模型： 该电路两端间的阻抗为： 低频时电阻的阻抗是R，然而当频率升高并超过一定值时，寄生电容的影响成为主要的。 当频率继续升高时，总的阻抗上升，引线电感在很高的频率下代表一个开路线或无 限大阻抗。 下面一部分的结构图就相当于一个电阻设为Rx。通过电阻的测量网络能测得被测电阻的电压通过下面公式可以算出被测电阻。 电容测量：电容测量模块原理分析：采用阻抗分压法，通过被测电容与标称电容串联进行阻抗分压，根据单片机采集到的电压值来反推出被测电容值。

20、 高频模型忽略电阻R2和电容L可得：电感测量：高频模型： 图1该电路两端间的阻抗为：在实际应用中，通常都满足wL>>R的条件下，因此阻抗为：由图1得出电容的大小为：（w=2f），因为频率f比较大，所以电容C比较小，可以忽略。又因为阻抗中含有虚数，计算比较复杂，而电阻Rr是内阻，比较小，故也忽略Rr。图2忽略电容和内阻Rr后可得到：测量原理：首先测出输入电压，使其固定不变，通过电感测量网络能得出被测电感的输出电压。然后根据不同大小的电感对应不同的频率和输出电压，可直接根据公式（A=Vo/Vi,W=2f) 得出电感的大小。 3.8、功率输出模块Buf634是是一种高速开环单位增益缓冲器

21、，适用范围广的应用中建议。它可用于运算放大器的反馈环路内，以增加输出电流，消除热反馈，并提高容性负载驱动。对于低功耗应用，Buf634静态电流1.5mA具有250mA输出，2000V/us摆率和30MHZ带宽。V-和BW引脚之间连接一个电阻，可以调整带宽从30MHZ到180MHZ.3.9、时间模块DS1302ZN是一种高性能，低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM,采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。存储容量64B，电源电压最大5.5V，最小1.8V。为3-wire串行接口，通用SRAM存储器类型。3.10、蜂鸣器模块蜂鸣器发声

22、原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。单片机实验板通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器3.11、存储模块AT24C02是低工作电压的2k位串行电可擦除只读存储器，内部组织为256个字节，每个字节8位，该芯片被广泛应用于低电压以及低功耗的工商业领域。工作电压1.8V-5.5V，输入、输出引脚兼容5V，二线串行接口，输入引脚经施密特触发器滤波抑制噪声。具有双向数据传输协议，以及高可靠性。4、 系统软件系统分析与设计4.1、主程序设计流程图3.5寸

23、彩屏液晶STM32F103AD637+ADS1118信号幅度测量AD9851DDS信号源交直流电压测试网络电容，电感，电阻测试网络交直流电压霍尔电流传感器4.2、液晶显示液晶显示数据电源按键主控交流电压直流电流电阻电容电感直流电压二级管断的4.2、总流程图 开始系统初始化显示菜单界面4测交流电压模式3测电流模式2测电容模式1测电压模式5测电阻模式0测二极管6测通断模式7测电感模式结束LCD液晶显示时间模块温度模块4.3、直流电压测量流程图采样的平均电压Avr<3.0v电压校准Y结束N开始进入测通断测试界面按键或者触摸进入电压测量模式AD采样mode_DC=1进入第一档测试mode_DC=

24、2进入第二档测试显示单位为mv校准值Avr<0.2mv显示单位为vLCD液晶显示初始化YN直流电压测量流程图4.3、直流电流测量流程图结束开始进入测通断测试界面按键或者触摸进入电流测量模式AD采样显示单位为mA测量值Avr<0.2mA显示单位为ALCD液晶显示初始化YN直流电流测量流程图五、系统调试与测试 5.1、调试调试的目的是为了查找多功能数字万用表各个功能模块存在的问题并解决问题。本次测试分为软件调试和硬件调试。软件调试目的，首先，调试并不仅仅是为了要找出错误。通过分析错误产生的原因和错误的分布特征，可以帮助项目管理者发现当前所采用的软件过程的缺陷，以便改进。同时，这种分析也

25、能帮助我们设计出有针对性地检测方法，改善调试的有效性。第二，没有发现错误的测试也是有价值的，完整的测试是评定测试质量的一种方法。详细而严谨的可靠性增长模型可以证明这一点。例如 Bev Littlewood发现一个经过测试而正常运行了n小时的系统有继续正常运行n小时的概率。第三 一方面是确认软件做了你所期望做的事情。另一方面是确认软件以正确的方式来做了这个事情。第四是提供信息，比如提供给开发人员或程序经理的回馈信息，为风险评估所准备的信息。第五软件测试不仅是在测试软件软件产品本身，而且还包括软件开发的过程。如果一个软件产品开发完成之后发现了很多问题，这说明此软件开发过程很可能是有缺陷的。因此，软

26、件调试试的第五个目的是保证整个软件开发过程是高质量的。硬件调试目的，硬件调试又分为各个功能模块的单独调试和整合产品运行功能调试。各个功能模块的单独调试是为了验证原理的可行性以及相关的精度和误差。成品验证的目的是为了验证各个功能是否可以实现，或是发现存在的问题并解决问题。另外就是为了测试出误差以及精度。硬件测试为了尽可能多地找出设计的错误，在保证产品功能性能的同时提高自身的设计开发能力；也为了最终给用户提供具有一定可信度的产品，保证产品质量的同时提高企业的知名度。 5.2、测试数据 1.数据分析工具对数据的分析我们采用了MATLAB数据拟合，用MATLAB曲线拟合来选择适当的曲线类型，用来拟合观

27、测数据和计算误差，并用拟合的曲线方程分析两变量间的关系，以此减小我们的测量误差。MATLAB曲线拟合代码如下：clc; clear; close all;format compactx=load('D:matlabx1.txt')y=load('D:matlaby1.txt')hold onp=polyfit(x,y,3) %得到系数和误差y1=polyval(p,x) %返回多项式的值g1=(x-y1)./y*100plot(x,y,'ro-');plot(x,y1,'gs-');xlabel('x')ylabe

28、l('y')legend('原始数据','多项式拟合');拟合过程及结果（以直流电压为例）：2.数据测试（1）电流测试数据实际值（mA）测量值（mA）误差110.8911.211.13%2281.15282.710.55%31060.321035.650.33%41152.51114.010.33%54253.64212.620.27% 电流MATLAB数据拟合图（2） 直流电压测试数据理论值（mv）测量值(mv)误差787.69778.621.15%1932.421923.50.46%2556.92548.370.33%7070.47051.9

29、0.26%2916129414.6-0.86% 直流电压MATLAB数据拟合图（3） 交流电压测试数据理论值（mv）测量值(mv)误差100100.550.55%300302.320.06%24002383.860.67%50005034.120.01%2000020172.1-0.11% 交流电压MATLAB数据拟合图（4） 电容测试数据标称值（pf）（20%）电桥测量测量值（pf）误差112.7810.9412.155.16%244.4341.8242.443.69%3189.54157.74188.420.59%42706.832683.422704.80.07%539995112397

30、14631392550001.18% 电容MATLAB数据拟合图（5） 电阻测试数据真实电阻(欧)测量电阻(欧)误差10.972.71%50.449.900.99%994990.450.36%9900098911.820.08%360000367220.170.217% 电阻MATLAB数据拟合图（6） 电感测量标准值（单位：uH）电桥测量值（单位：uH）测量值（单位：uH）误差（相对于电桥）0.951.181.19-0.84%6.027.527.565-0.59%80481006010108-0.47%152401905019200-0.78%80000100000101100-1.1% 电感MATLAB数据拟合图（7） 二极管通断测试 正常 5.3、测试结果分析通过分析以上表格中的数据，我们可以知道，题目基本部分达到要求：测量交直流电压、交直流电流、电阻、二极管、电路通断、电容等功能。综合指标误差控制在1%以内。另外需要更进一步的提高精度。六、机箱部分 根据电路板还有电源的大小，我们购买大小为210*190*80(长、宽、高，单位：毫米)的机箱。机箱外形如下图前面板设计说明：根据购买的接口、螺母、还有显示屏的大小，来设计前面板的排版。前面板设计图如下：（大小为：190mm*80mm）后面