结题报告

一、摘要

该系统是基于单片机的简易数字式万用表，可以用来测量电阻，电容，电感的大小。该万用表具有价格低，测量范围大，精度高的特点，量程可以自动切换，可以自动校零，使用方便。

二、总述

制作一台功能齐全，精度较高，测量范围较广的数字式万用表，电路可能会比较复杂，为了更好的完成设计，我们采用模块化的思想，将整个系统分成控制器、电阻测量电路、电感测量电路、电容测量电路、显示电路五个部分。其模块图如图表1所示

图表1

三、硬件

1制板

在制作电路上，基于中山大学现有的条件，通常有以下几种方法：

1)、用万用板直接焊电路  

万用板是很常见的电路板制作材料，用其制作电路工艺简单易学，电路更改方便，价格相对较低。但是，用万用板制作的电路，保存时间一般较短，容易损坏，电路故障排查较为困难，对制作者焊电路的工艺要求很高，且不适于制作复杂电路。

2)、用感光板制作电路

用感光板制作电路是制作PCB板最易于学习的方法，但是感光板价格相对较高，制作步骤较多，曝光、显影等过程要求较高，很需要经验，并且制作双面板难度相当大。

3)、用刻板机刻板

所需过程较少，价格低，但是需要非常多的经验，容易将板刻坏，制作板所耗的时间长，不适于大批量制板。

4)、用热塑机制板

电路漂亮美观，整齐，易于操作，价格较低，制作过程中出错易于修改，制作双层板方便。

5)、将电路送交厂家制作电路板

电路美观，保存时间最长，最不易出现短路，开路等故障，但是价格非常高。

综上，我们采用热塑机制板。

2控制器

要测电阻、电容、电感的值的大小，并且要能够自动切换量程，不用一个微处理器，电路可能会非常之复杂，制作成本也会很高，为了简化电路，降低成本，并且使该表具有更大的灵活性，我们决定采用单片机来作为总控制器，协调各个模块的工作，使系统有条不紊地进行各项测量工作，并将结果准确无误的显示出来。

市场的的单片机种类繁多，功能各不相同。8051系列的单片机以其价格低、功耗低的优势，深受青睐。宏晶又推出新一代STC系列单片机，运算速度是普通8051单片机的12倍，其中就有STC5410，这款单片机已经可以完全满足需求。

该单片机的最小系统如图表2所示:

图表 2

图表 3

3切换电路

用户选择不同档位时，单片机的AD口会接收到不同的电压，单片机根据电压的不同从而确定用户是选择了哪一个档。电路图如图表3所示：

4供电电路

在我们的万用表中，各种各样的器件都需要稳定的不同的电源供给，而我们可用的电压只有错误！未找到引用源。，为了得到这些不同的电压，我们自己搭建了几个稳压电路。

I、5V电压

在实际中应用很广泛的是7805芯片，在此我们选用该芯片提供5V电压。

I I、-5V电压

我们采用7660来提供-5V电压

I I I、12V电压

由于我们可用的电压只有错误！未找到引用源。一种，如果直接从15V稳压到5V，不仅稳压效果不好，而且7805会严重发热，甚至芯片被烧坏。为此，我们采用多级稳压，先将15用7812稳压到12V在将12V电压稳到5V。稳压模块的电路图如图表4 

图表 4

5电阻测量电路

对于电阻的测量，人类过去的几百年的历史中，总结出了许多种方法。对于不同阻值的电阻，为了达到较高的测量精度，也有不同的测量方法，比如：分压法、伏安法，恒流源测小电阻法，小电流测大电阻法。对于常见阻值的电阻（100错误！未找到引用源。，我们采用最常见的分压法；除此，我们的万用表还增加了可以测量小电阻的（错误！未找到引用源。以下）的功能。

1）一般电阻测量

对于一般电阻，我们采用分压法，将待测电阻与基准电阻串联起来，再将基准电压加在两者之上，用ADC测量待测电阻分得电压值，则待测电阻错误！未找到引用源。为ADC值，ADC的满量程值错误！未找到引用源。，基准电阻错误！未找到引用源。的函数

 错误！未找到引用源。……………………………………………………………(1)

a)基准电压的获取

MC1403可以产生2.5V的基准电压，只需在产生的基准电压的基础上用变阻器进行分压，即可得到2V的基准电压。

b)自动切换量程

在电阻的测量过程中，待测电阻阻值越接近基准电阻阻值，所测得的结果就越准确。所以为了使各个量级上的电阻都测得比较准确，在测量过程中需要切换量程，也就是采用不同的基准电阻。电阻切换电路需要在导通时电阻很小，断开时电阻很大，以避免对基准电阻产生影响。综合各方面的因素，切换电路采用电磁继电器。其在导通时电阻只有几十毫欧，断开时电阻无穷大，很符合要求。电磁继电器需要用达林顿管来驱动。其切换控制电路如图表5

图表 5

由于控制器的IO口不充足，所以用1串入并出移位寄存器来控制达林顿管以节省IO口的开销。如图表6所示

图表 6

c)ADC

ADC的选取直接关系到电阻测量值的准确性。ADC通常有8位，10位，11位，16位等等精度。8位精度误差4%左右，10位在0.1%左右，11位在0.05%左右，16位在0.0015%左右。精度越高，价格越高。本设计的目的是使精度在1%以内，则8位AD达不到要求，16位AD则没有必要。14433是一种常用ADC，经常用于制作仪器仪表制作中，精度高，并且可以直接驱动数码管显示，输出接口方便。本设计就选择14433作为ADC。其电路图如图表7所示

图表 7

2）小电阻测量

对于小电阻，如果采用上述相同的测量方法，由于系统的输入电阻的影响，会有较大的误差。所以对于小电阻，采用通电流的方法。即把一已知大小的电流I加在待测电阻错误！未找到引用源。上，将电阻电压采用差动输入的方式进行放大n倍，再把放大后的电压值用ADC转化为一个整数值错误！未找到引用源。输给单片机。假设单片机满量程的整数值为错误！未找到引用源。，基准电压为错误！未找到引用源。

则

错误！未找到引用源。……………………………………………………………(2)

电路图如图表8

图表 8

对于恒流源，我们采用的是将基准电压加在一变阻器上，用两只精密放大器ＯＰ２７组成电流源。如图表9

图表 9

6电感测量电路

电感的测量也有比较多的方法，常见的有阻抗法、振荡测频率法。阻抗法的操作较为复杂，对电路要求高，测量精度较低。振荡测频率法是采用三点式ＬＣ谐振电路来使电路发生谐振，对产生的正弦波进行整形，形成方波，再通过单片机对整形之后的信号进行频率测量，根据频率ｆ的大小，基准电容的错误！未找到引用源。大小，则可得电感值错误！未找到引用源。的大小

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。……………………………………………………………………（3）

待测电感与基准电感的差距越小，测量就越准确，因此对于不同电感值电感，应当采用不同的基准电感。电路的切换仍然用继电器来控制，在此为避免重复，继电器部分不再重述，与切换电阻的方法是完全一样的。为了简化电路，我们采用两个量级的基准电感10mH和10错误！未找到引用源。。电路如图表10

图表 10

理论上，以上测量是比较准确的，但是，也存在非线性的误差，即用公式三计算出来的结果不是完全准确的，并且，随着待测电感与基准电感差距的增大，误差累积增大。如图表10

图表11

实验证明确实如此。误差可以达到50%左右。对此，我们可以用软件进行修正。这一点将在软件部分里面有详细的说明。如图表11

7电容测量电路

对于一般的电容电容的测量方法也很多。常见的有脉宽法、充电测电压法、充电测时间（频率）法、容抗法、振荡测频率法等等。利用待测电容与74LS14组成多谐振荡器，使施密特触发器不断翻转，输出端就可以得到一个一定频率的方波信号。不同的电容得到的方波频率不同，且电容的大小同频率成正比。所以，我们可以测基准电容错误！未找到引用源。的振荡频率错误！未找到引用源。，再测出待测电容的振荡频率错误！未找到引用源。，则

错误！未找到引用源。…………………………………………………………………………(4)

电路如图表12所示

图表 12

8、显示电路

为了将测得的值准确地显示出来，我们加入显示模块。

1）、普通表头

普通表头根据通过电流大小形成一定的偏角，来显示被测值的大小，使用简便。但是，我们的测量系统几乎都是数字量的，故普通表头不合适。并且普通表头读数不可能非常精确。

2）、LED数码管显示

数码管结构简单，原理易懂，价格低廉，广泛地应用于许多家用电器。但是，数码管显示内容单一，占用处理器资源较多，功耗较大。

3）、LCD液晶显示器

LCD液晶显示，可以显示数字或字符，采用串行方式，不会占用太多单片机引脚，功耗较低。但是价格较高。

综上，我们的显示模块采用价格较低的液晶显示1602。

四、软件

1）自动进入待机状态

长时间检测到输入无明显变化时，说明用户长时间没有进行操作，单片机进入低功耗模式，以节省电源。

2）电阻测量

测量：

    用户首先选择电阻档，将电阻插入电阻测试插槽。单片机被唤醒，并选用10K电阻进行估测。因为10K电阻是中量级电阻，测得所有误差都比较准确，故用与估测。再根据测得的数值选用合适的测量电路。如果电阻大于20错误！未找到引用源。，则采用合适的基准电阻进行测量；如果电阻小于20错误！未找到引用源。，就采用小电阻测量电路进行测量。然后将测量的结果用液晶显示出来。

程序框图：

图表13

2）电感的测量

软件校正：

理论上，我们是假设错误！未找到引用源。并且认为错误！未找到引用源。是常数。然而实际上随着频率的改变电容值会改变，错误！未找到引用源。也就会改变，所以错误！未找到引用源。与f的关系如图  ………………

为了消除这种系统误差，我们采用分段线性的方法，在不同的段落采用不同的错误！未找到引用源。值就可以大大提高测量精度。为此，我们将电感测量电路调试好以后，找来不同的量级的基准电感进行测量，从而确定不同段落的错误！未找到引用源。。这样，精度就大大提高了。

测量：

利用单片机的计数功能测出单位时间内单片机接收到的脉冲数，再根据脉冲数确定错误！未找到引用源。值，从而计算出电感值。

程序框图：

图表14

3）、电容的测量：

测量：

用户首先选择电容档，将电容插入电容测试槽。电路开始工作，单片机先通过控制继电器，选通基准电容错误！未找到引用源。，测出振荡频率错误！未找到引用源。然后单片机选中待测电容，测出错误！未找到引用源。，单片机根据式（4）可以计算出待测电容容值，并用液晶将其显示出来。

程序框图：

图表15

五、设计效果

经过测试，我们可以测量100错误！未找到引用源。-1M错误！未找到引用源。，误差在0.5%以内；

可以测量1-20错误！未找到引用源。的小电阻，误差在5%以内；

可以测量100错误！未找到引用源。

3.4 误差分析

本系统误差主要由恒流源、AD真有效值转换、双积分ADC 器件等几个方面所带来的误差。AD 真有效值转换，在误差允许的范围内可以将所测交流电压转换成对应的真有效值，但不可避免地受到环境温度的影响，造成转换时可能引起误差；由于环境温度的改变，在用恒流法测电阻时，会引起恒流源不为一个定值，导致所测电阻流过恒流源所产生的电压有所偏差，特别是在测小电阻时，插槽与被测小电阻之间的接触电阻会引起测量的较大误差；双积分ADC 器件与前端处理电路同样受到温度、电磁场、工频干扰的影响，会引起数据的不稳定。

3.5 系统完善

1）进一步减小进入低功耗后电流。低功耗时所消耗的电流是单片机最小系统所消耗的电流。改进的措施是利用LDO器件代替原来所使用的普通稳压芯片。

2）量程自动切换时将原来的微型继电器用耐高压型的模拟开关替换掉。可以进一步降低系统正常工作时的功耗，还可以提高系统的稳定性和可靠性及响应速度。

六、总结

我们的设计持续了大约有3周，查阅了大量的图书以及网络资料，从林林总总的资料中找出了真正适合我们、测量精度高、简单易行、价格低廉的设计方案。

在做的过程中，发现有些现象与理论是不一样的，我们积极动脑，认真分析，找出原因，有些是我们的电路有问题，有些则是非理想之后的现象，我们每次都认真把问题解决，最终做成了我们的作品，收获很多。下载本文