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自动量程万用表设计方案
自动量程万用表设计方案
一、设计目标： 万用表(19999)，最小分辨率 6 μ V，自动选择量程。
二、功能设计要求(量程范围)：
直流电压(DCV)—— 200mV、2V、20V、200V、1000V ；
交流电压(ACV)—— 200mV、2V、20V、200V、700V ；
直流电流(DCA)—— 2mA、20mA、200mA、20A 1 ；
交流电流(ACA)—— 2mA、20mA、200mA ；
电阻(0HM)—— 200 Ω、2k Ω、20k Ω、200k Ω、2M Ω、20M Ω：
三、主要芯片： MSP430FE42X
四、操作方式：按键—— DCV 按键，ACV 按键，DCA 按键，ACA 按键． OHM 按键。
五、原理
当进行 AD 测量时，MSP430FE42X 可以选择外部参考源，也可以选择内部参考源。
这里在测量电压和电流时．选择内部参考源 ． 25V，这样，当外部待测电压为 0 ． 625V 时。AD 采样值为 65535，当待测电压为一 0 ． 625V 时． AD 采样值为 0。由于设计的最小量程为 0 ． 2V，故需要将其放大到 0 ． 625V，使其满量程，然后根据显示的位数进行转换即 0-20000 对应 0-32767。实际的最小分辨率是 0 ． 2 ／ 32767V=6 μ V。
当待测电压大于 O ． 2V 时，必须进行分压处理，一般采用 10 倍的分压器，例如 2V 时降至 0.2v 等。电压分压器如图 1 所示。同样，在测量电流时，也要进行处理．使电流变为电压，然后才能测量。电流的测量原理图如图 2 所不。
请注意，图 2 中右边的 20A 输入是直接接入的．当然也可以加上一个 20A 的保险丝。以上是测量直流电压或直流电流的情况，当要测量交流电压或交流电流时，必须进行整流，整流电路如图 3 所示．
AC ／ DC 转换电路由同相放大器 A1、整流管 D2 和 D3、隔直电容 C18 和 C19、平滑虑波器 R22 和 C22 等组成，R24 是校准电阻器。该电路可以得到输入正弦波的有效值。D1 用于减少非线性失真。
电阻的测量与电压和电流的测量不同．原理图如图 4 所示。
电阻测量采用的是比例法，即当流过侍测电阻和参考电阻的电流相同时，Uin ／ Uref=RxJRref，根据 FE42X 的 AD 转换特性，当输入电压为参考电压的一半时满量程，亦即当待测电阻是参考电阻的一半时满量程。故 200 Ω档的参考电阻是 400 Ω，假设待测电阻是 lO0 Ω，由于此时通过参考电阻和待测电阻的电压是 1 ． 23V，昕以参考电压是 1 ． 23*(400 ／ 500)V，而输入电压是 1 ． 23*(100 ／ 500)，又当输入电压是 1 ． 23*2 ／ 5 时满量程，故现在的 AD 值是满量程的一半—— 100 Ω。当然，此时的 AD 是要经过量程的转换即 0 ～ 20000 对应 0 — 32767。
六、实际实现电路的简要分析 ．直流电压测量：
待测电压通过分压器，在各个分压电阻上产生不同的电雎值，此时要根据待测电压大小来确定输入单片机的电压，这里通过 HC4051 来对待测电压进行分压选择。由于待测电压可能高达 1000V，因此选择松下的 PHOTORELAY(其输入高达 1000V)作为分压的输入端。当选择了合适的分压电压后。该电压由 TLV2211 组成的放大电路进行放大约 3 倍左右(使 AD 采样满量程)，然后进行量程转换(0 － 20000 对应 0 － 32767)，便可以得到待测电压值。，交流电压删量：
交流电压测量跟直流电压删量共用一个分压器，经过分压后，待测电压由 TLV2211 组成的交流整流电路整流后再进入放大电路进行测量。．直流电流测量：
由于待测电流高达 200mA，一般的模拟开关可以通过的电流较小，故选用 AQV201(40V 时负载电流 500mA)做电流选择，待测电流经分压后进入放大电路，然后再送入 AD。4 ．交流电流测量：
交流电流测量跟直流电流测量共用一个分压器，不同的是，分压后还要进入交流整流电路，然后再进入放大电路，最后送入 AD。．电阻测量：
电阻测量电路用内阻很小的 MAX4638 模拟开关来接入不同量程的参考电阻，从而测得待测电阻的阻值。AD 采用的是外部的参考电压，该参考电压通过减法运算电路得到参考电阻上的电压后送入参考端，而待测电阻上的电压则直接送入测量端。
由于 MSP430FE42X 的输入阻抗为 500k Ω，故在 AD 输入端外加一个跟随器，以提高它的输入阻抗。
自动量程万用表设计方案
一、设计目标：4 1/2万用表(19999), 最小分辨率6微伏，自动选择量程。
二、功能设计要求（量程范围）：
直流电压（DCV）―― 200 mV 2V 20V 200V 1000V
交流电压（ACV）―― 200mV 2V 20V 200V 700V
直流电流（DCA）―― 2mA 20mA 200mA 20A
交流电流（ACA）――2mA 20mA 200mA
电阻（OHM）――― 200 2K 20K 200K 2M20M
三、主要芯片：MSP430FE42X
四、操作方式：按键――DCV按键，ACV按键，DCA按键，ACA按键，OHM按键
五、原理框图：
当进行AD测量时，MSP430FE42X可以选择外部参考源，也可以选择内部参考源。
这里在测量电压和电流时，选择内部参考源1.25V，这样，当外部待测电压为0.625V时，AD采样值为65535，当待测电压为－0.625时，AD采样值为0。由于设计的最小量程为0.2V，故需要将其放大到0.625V，使其满量程，然后根据显示的位数进行转换即0－20000对应0-32767。实际的最小分辨率是0.2/32767V＝6微伏。
当待测电压大于0.2V时，必须进行分压处理，一般采用10倍的分压器，例如2V时降至0.2V等。电压分压器如图1所示。
图1 电压分压器
同样，在测量电流时，也要进行处理，使电流变为电压，然后才能测量。电流的测量原理图如图2所示。
图2 电流分压器
请注意，图2中右边的20A输入是直接接入的，当然也可以加上一个20A的保险丝。
以上是测量直流电压或直流电流的情况，当要测量交流电压或交流电流时，必须进行整流，整流电路如图3所示。
图3 交流整流电路
AC/DC转换电路由同相放大器A1、整流管D2和D3、隔直电容C18和C19、平滑虑波器R22和C22等组成，R24是校准电阻器。该电路可以得到输入正弦波的有效值。D1用于减少非线性失真。
电阻的测量与电压和电流的测量不同，原理图如图4所示。
电阻测量采用的是比例法，即当流过待测电阻和参考电阻的电流相同时，Uin/Uref=Rx/Rref，根据FE42X的AD转换特性，当输入电压时参考电压的一半时满量程，亦即当待测电阻是参考电阻的一半时满量程。故200欧姆档的参考电阻是400欧姆，假设待测电阻是100欧姆，由于此时通过参考电阻和待测电阻的电压是1.23V，所以参考电压是1.23*（400/500）V，而输入电压是1.23*（100/500）, 又当输入电压是1.23*2/5时满量程，故现在的AD值是满量程的一半－100欧姆。当然，此时的AD是要经过量程的转换即0－20000对应0－32767。
六、实际实现电路的简要分析：
1、直流电压测量：
待测电压通过分压器，在各个分压电阻上产生不同的电压值，此时要根据待测电压大小来确定输入单片机的电压，这里通过HC4051来对待测电压进行分压选择。由于待测电压可能高达1000V，因此选择松下的PHOTORELAY（其输入高达1000V）作为分压的输入端。当选择了合适的分压电压后，该电压由TLV2211组成的放大电路进行放大约3倍左右（使AD采样满量程），然后进行量程转换（0－20000对应0－32767），便可以得到待测电压值。
2、交流电压测量：
交流电压测量跟直流电压测量共用一个分压器，经过分压后，待测电压由TLV2211组成的交流整流电路整流后再进入放大电路进行测量。
3、直流电流测量：
由于待测电流高达200mA，一般的模拟开关可以通过的电流较小，故选用AQV201（40V时负载电流500mA）做电流选择，待测电流经分压后进入放大电路，然后再送入AD。
4、交流电流测量：
交流电流测量跟直流电流测量共用一个分压器，不同的是，分压后还要进入交流整流电路，然后再进入放大电路，最后送入AD。
5、电阻测量：
电阻测量电路选用内阻很小的MAX4638模拟开关来接入不同量程的参考电阻，从而测得待测电阻的阻值。AD采用的是外部的参考电压，该参考电压通过减法运算电路得到参考电阻上的电压后送入参考端，而待测电阻上的电压则直接送入测量端。
6、最后：
由于MSP430FE42X的输入阻抗为500k，故在AD输入端外加一个跟随器，以提高它的输入阻抗。
单片机课程设计心得体会
07级交流生：续衍森 江蓝晶
这次这个单片机的课程设计我们完成的不太理想，我们小组两个人都是交流生，并且不是在物理学院学习，同时选课时没有认真全面的了解这门课程的安排，导致没有选上和课程配套的实验课，一个学期也就没有做过一次实验，在后来的制作过程中遇到了很多困难，所以这次这个课程设计的作品完全是在没有任何单片机制作经验甚至是没有做过任何相关电路的基础上开始的。选题的时候其实只上了几个星期的课，对单片机能做什么或者说以我们的水平能让单片机做什么根本没有一个清晰的认识，很担心自己的选题最后做不出来，所以当时选题时的原则是尽量的简单可行，因为毕竟我们没有实验课，一学期下来必定会比物理系的同学在具体的实验方面落后不少，同时平时我们都在南新校区，与老师和同学的交流都很困难，在后来的具体制作过程中遇到什么困难几乎不可能跑到实验室去向老师请教，同时现在社会上都在大力提倡节能，于是我们打算从这点出发在我们的身边发现问题，当时我们听周围的同学说起济南的夏天白天相当的炎热，可是晚上退凉很快特别是深夜的时候温度其实已经不高了，但是同学们一般晚上睡觉都比较早，都会叫风扇一直开着最大档，可是到了深夜后已经没有必要这么强的风速了，这样一夜下来将会浪费很多电能，同时还容易把同学们吹感冒。于是我们想能不能做一个单片机系统来解决这个问题，基于以上原因我们确定了这个方案，在最初的计划中我们还准备加入对风扇转向的控制，使之能实现人体追踪功能，不过在后来的具体设计中发现现在风扇的风扇转向控制基本都是纯机械装置，要用单片机控制比较的困难，而电子控制装置一般都出现在高端的风扇之中且价格比较昂贵，而且机械部分方面我们也无法解决。所以最后决定放弃对转向的控制，等以后对机械方面的只是有所学习之后再做。
通过这次的课程设计作品的制作让我对单片机的理论有了更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都是理想化后的结论，忽略了很多实际的因素，或者涉及的不全面，可在实际的应用时这些是不能被忽略的，我们不得不考虑这方的问题，这让我们无法根据书上的理论就轻易得到预想中的结果，有时结果甚至很差别很大。通过这次实践使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，我们在今后的学习工作中会更加的注重实际，避免称为只会纸上谈兵的赵括。
课程设计贡献排序：这次课程设计从最初的规划到后来的理论设计到最后的具体制作都是我们两共同完成的，实在无法区分贡献排序。各取50%吧。
课程改革建议：我们强烈建议将这门课程的理论学习和实验部分合并成一门，以避免想我们这种情况的再次发生。
