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低功耗数字多功能表的设计编号：005A004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、0-20kΩ的电阻，100nF以下的电容以及常规的晶体三极管的β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：数字多功能表低功耗MSP430A/D转换器目录一、系统方案..........................................................................................................................................11.1系统总体方案及结构框图............................................................................................................11.2方案论证与比较...........................................................................................................................1二、理论分析与计算..............................................................................................................................22.1交直流电压衰减............................................................................................................................22.2电阻量程选择...............................................................................................................................22.3晶体三极管Β测量........................................................................................................................2三、电路与程序设计..............................................................................................................................23.1总体设计思路................................................................................................................................23.3程序设计（程序流程图）..........................................................................................................3四、测试方法与测试结果......................................................................................................................44.1测试方法和仪器............................................................................................................................44.2测试数据与结果分析....................................................................................................................4五、总结..................................................................................................................................................6附录：......................................................................................................................................................71一、系统方案1.1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1.2.1单片机控制模块方案一：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：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：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电源变换模块方案一：9V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。方案二：9V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：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：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：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：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：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。2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：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β参数测试模块将变化的β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=βIb的关系，当Ib为固定值时，Ic反映了β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β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：采用1602，但是显示信息有限，功能切换不够详细具体。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2.1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β测量要求基极电流约10μA，UCE约3V。电流源的输出电流可以设置为10μA，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3.1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。33.2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。3.2.3β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β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（程序流程图）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β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DCAC图1系统总体框图4四、测试方法与测试结果4.1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4.2.1测试数据（1）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(%)0.2V50mV50.4mV0.84100mV100.6mV0.602V0.5V0.502V0.40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？YN是否超过60s？NY关闭电源51V1.004V0.4020V5V5.02V0.3110V10.020.20结