多功能电路参数测试仪作者：学院：仪器科学与电气工程引言本次设计制作的多功能电路参数测试仪，可以同时测量电压，电流，电阻，频率，功率，温度等电子电路的六项技术参数，并具有超过测量量程自动断电保护和语音报警功能。本作品集多种参数测试功能于一体，利用单片机进行核心功能控制，测试结果由数码管动态显示，避免了传统指针式仪表读值时产生的误差，其各项参数的测量误差百分比不高于0.5%，完全能满足一般电参量测量所需。现在我们比较常用的是模拟万用表，尤其是指针式的，测量时本来就有误差，再加上读数再次带来误差就会使测量值偏离实际值较多，给我们研究和分析实际问题带来诸多不便甚至错误结论。与此同时，目前市场上的数字万用表价格都比较昂贵，功能相对单一，而且它的有些功能我们并不常用，而常用的一些功能它又没有。相比之下，本多功能电路参数测试仪具有用途多，量程广，精度高，使用方便等优点，尤其是加入了交流小功率测量和实时室温检测功能，进一步提高了它的实用性，同时为了避免人为误操作，使仪器超过测量量程，烧坏ADC0809,我们又特别设计和添加了保护单元电路和语音报警装置，进一步提升了其安全性能，故可作电子测量中的常用工具。本参数测试仪的技术指标：1.电压测量范围：0-5.00V2.电流测量范围：0-500mA3.电阻测量范围：0-40.0M4.频率测量范围：0-10.0kHz5.功率测量范围：0-200W 6.温度测量范围：0-50.0 (单元电路-30-150) 7.超过测量量程自动断电保护并语音报警第一章 方案设计第一节 方案选择方案一： 图1-1 简单指针式万用表方案一电路图如图1-1所示，利用简单指针式万用表通常只能测量电压、电流、电阻等参数，无法实现频率、功率和温度的测量，而且其不具有超过测量量程自动保护和语音报警提示功能。该方案的主要特点是：电路结构相对简单，但是其可测量参数较少，且测量结果由指针式仪表读取，测量误差相对较大。AC-DC转换器功能选择输入R-U转换器量程选择电源A/D转换器逻辑电路LCD（LED）显示器I-U转换器方案二：图1-2数字式万用表工作原理框图方案二电路原理框图如图1-2所示，简单数字式万用表虽然可以实现测量结果的直接数码显示，但常见数字式万用表通常也只能测量电压、电流、电阻等参数，同样无法实现频率、功率和温度的测量，而且其虽然具有超过测量量程自动保护，但不具备语音报警功能。该方案的特点是：电路结构相对简单，但是其可测量参数较少，它的有些功能我们并不常用，而常用的一些功能它又没有。而且高级数字表通常价格比较昂贵。方案三：电压测量单元电路电流测量单元电路电阻测量单元电路单片机控制显示单元电路频率测量单元电路温度测量单元电路功率测量单元电路过量程断路保护和语音报警单元电路 图1-3 多功能电路参数测试仪方案三电路原理框图如图1-3所示，多功能电路参数测试仪由单片机核心控制电路，电压、电流、电阻、频率、功率、温度六个子测量单元电路、过量程断路保护和语音报警单元电路组成。各单元电路功能明确，测量准确度高，与单片机核心控制电路的接口方便简单，测试结果送单片机进行数据处理后送LED数码管动态显示，读数直观准确。该方案主要特点是：电路结构相对简单，功能强大，可以同时测量电压、电流、电阻、频率、功率、温度等电子电路的六项技术参数，并可以数码动态轮流显示六个参数的数值，同时具有超过测量量程自动断电保护和语音报警功能。第二节 方案确定尽管方案一和方案二的电路比较简单，而且市场上成型产品很常见，但是它们只能测量电压、电流、电阻等参数，无法实现频率、功率和温度的测量，而且往往精度不太高。而所选取的方案三具有很多优越的性能：电路结构简单，功能强大，易于实现，而且调试方便，性价比高，尤其是加入了交流小功率测量和实时室温检测功能，进一步提高了它的实用性，而且它还具有超量程自动断电保护和语音报警功能。各单元电路功能明确，测量准确度高，安全性能好，与单片机核心控制电路的接口方便简单，可以测量电压，电流，电阻，频率，功率，温度等电子电路的六项技术参数，测试结果送单片机进行数据处理后送LED数码管动态显示，读数直观准确。因此选取方案三更为理想。第三节 方案论证电路原理图见附录图5-1本多功能电路参数测试仪由电压、电流、电阻、频率、功率、温度六个子测量单元电路、过量程断路保护和语音报警单元电路和单片机核心控制电路组成。各单元电路功能明确，测量准确度高，与单片机核心控制电路的接口方便简单，测试结果送单片机进行数据处理后送LED数码管动态显示，读数直观准确，而且能够将六个通道的测量结果循环显示，尤其是加入了交流小功率测量和实时室温检测功能，进一步提高了它的实用性，同时为了避免人为误操作，使仪器超过测量量程，烧坏AD0809,我们又特别设计和添加了保护单元电路和语音报警装置，进一步提升了其安全性能。由于AD0809为8位模数转换器，当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（FFH），因此单片机最大的数值分辨率为0.019V（5/255）。这就决定了该测试仪的最大分辨率（精度）只能达到0.019V。预计达到的技术指标：1.电压测量范围：0-5.00V2.电流测量范围：0-500mA3.电阻测量范围：0-40.0M4.频率测量范围：0-10.0kHz5.功率测量范围：0-200W 6.温度测量范围：0-50.0 (单元电路-30-150) 7.超过测量量程自动断电保护并语音报警第二章 电路设计第一节 总体电路设计电压测量单元电路电流测量单元电路电阻测量单元电路单片机控制显示单元电路频率测量单元电路温度测量单元电路功率测量单元电路过量程断路保护和语音报警单元电路图2-1 整体电路的流程图第二节 单元电路设计单片机控制显示单元电路和电压检测单元图2-2 单片机控制显示单元电路和电压检测单元的原理图图2-2为单片机控制显示单元电路和电压检测单元的原理图。此单元电路的功能可以测量05.00V三位显示电压值。电路原理图如附录1所示：A/D转换由集成电路0809完成。0809具有8路模拟输入端口，地址线（2325脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该口输出。10脚为0809的时钟输入端，利用单片机30脚得到时钟。单片机的P1,P3.0P3.3端口作为四位LED数码管显示控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0809的A/D转换控制。系统软件流程图及程序见附录。二.电流检测单元为了进行电流检测，我们设计了一个具有转换功能的电流电压转换电路，它可将0500mA电流转换成05.00V的电压并作为单片机核心控制显示单元电路的输入，从而实现了电流检测的功能。图2-3 电流模块的电路原理图图2-3是由OP07等构成的电流检测单元电路的原理图。检测时，让被测电流流过标准电阻，再将标准电阻上的压降经放大器放大以后送入A/D0809进行模数转换后送入单片机进行数据处理，最后送给数码管动态显示。为了防止因输入电流过大而烧坏电路元件，特别在电路中加入了二极管，它们起到了过流保护的功能。各标准（取样）电阻阻值的确定：以测量50mA档位为例，我们设计放大器A的放大倍数为10倍，由于放大器的输入电阻很高，可以认为被测电流全部流经标准电阻，放大器的输入电压，输出电压，可见与成正比。我们设计当输入电流为满量程即50mA时，输出电压为5.00V，则标准电阻的阻值为。其他各标准电阻的阻值计算原理与此完全相同。需要注意的是：为了保证测量结果的准确性，各标准电阻均应使用精密电阻。电路中为了实现对不同档位电流的测量，特在电路中设置了电流测量档位选择开关。用开关切换不同的采样电阻，即可得到不同的电流量程，而是一规范的值。每个档位开关所对应的开关、取样电阻值、电流测量范围、数值倍率、最小分辨力的关系如表 2-1所示表2-1开关取样电阻值电流测量范围数值倍率最小分辨力S1105001002S210005mA1 mA0.02 mAS310050mA10 mA0.2 mAS410500mA100 mA2 mA三.电阻检测单元为了进行电阻检测，我们设计了一个具有转换功能的电路，它可将040.0M范围的电阻转换成05.00V的电压并作为单片机核心控制显示单元电路的输入，从而实现了电阻检测的功能。图2-4 电阻模块的电路原理图图2-4是由OP07等构成的电阻检测单元电路的原理图。图中是反向放大器，待测电阻接在反馈环路中。若是失调电压和输入电流等误差源可以忽略，则输出电压，可求出。选择基准电阻，得到一个固定的基准电压。这时输出电压与被测电阻的阻值成线性关系，将输出电压送到AD0809模数转换后送入单片机里进行数据处理，最后送数码管动态显示，即可直接读出待测电阻的阻值。各标准（取样）电阻阻值的确定：以测量量程为0200档位为例，首先我们调整基准电压，使，则由公式可得，我们设计待测电阻=400时，输出电压为5.00V，则可计算出=200。其他各标准电阻的阻值计算原理与此完全相同。需要注意的是：为了保证测量结果的准确性，各标准电阻均应使用精密电阻。电路中为了实现对不同档位电阻的测量，特在电路中设置了电阻测量量程档位选择开关。用开关S1S6切换不同的采样电阻，即可得到不同的电阻量程，而是一规范的值。每个档位开关所对应的开关、取样电阻值、电阻测量范围、数值倍率、最小分辨力的关系如表2-2所示表2-2开关取样电阻值电阻测量范围数值倍率最小分辨力S12000400801.6S220480016S3200408160S42000400801.6S520004 M80016S62M040 M8 M160四.频率检测单元为了进行频率检测，我们设计了一个具有转换功能的电路，它可将010.0KHZ范围的频率转换成05.00V的电压，从而实现了频率检测的功能。图2-5频率模块的电路原理图图2-5是由LM2907等构成的频率检测单元电路的原理图。在具体设计时我们采用的是由专用频压转换集成芯片LM2907及其附属电路构成的频率-电压转换电路。由于运用了集成器件所以转换值较为准确，从而保证了频率的精确测量。在实际测量时，我们将从数码管上读取的数值乘以2KHz,即为实际输入信号的频率，此时其理论最小分辨力为：40Hz以上电路参数是在设定频率范围0-10KHz选定的，实际测频范围可以更广，只要重新选择电路参数就可达到，并且单就单元模块来讲精度较高，实际这里的最小分辨力是由A/D限制的。五.温度检