基于多功能測試儀表分析

姚強

【摘要】本作品采用TI公司的MSP430F149低功耗單片機為控制核心;實現(xiàn)的功能有：測量交、直流電壓電流，電阻;通過繼電器和模擬開關實現(xiàn)自動量程切換的功能;通過AD736測量交流有效值;通過單片機內(nèi)部集成AD采樣并記錄，128×64 LCD在ZLJ-GUI驅動下實現(xiàn)顯示;電源模塊可給系統(tǒng)提供+5V和3.3V的穩(wěn)定電壓。

【關鍵詞】MSP430149單片機;AD736;128×64液晶顯示

1. 設計意義

隨著我國科學技術的全面發(fā)展，創(chuàng)新的高科技產(chǎn)品在各行各業(yè)都展現(xiàn)出了自己較高的市場競爭力和獨特的魅力，尤其是近幾年來，國家對創(chuàng)新方面的不斷鼓勵和各項優(yōu)惠政策使得許多創(chuàng)造性的設計和產(chǎn)品得以實現(xiàn)和應用。我們知道在電器測量工具中，最常用最熟悉的莫過于萬用表了，可以測量常用的電壓、電流、電阻等，但萬用表也有許多缺點，例如個頭偏大，在許多測量場景無法應用，同時也不便攜帶等。經(jīng)過對單片機的精心挑選，基于此我們設計了一款基于TI公司的低功耗單片機MSP430F149的多功能測試儀表，這款單片機儀表有低功耗，個頭小，測量精度高，通訊方便，I/O口豐富等優(yōu)點，本設計就是充分利用了這款單片機的現(xiàn)有資源，配合外圍模塊實現(xiàn)自動量程選擇以及測量電壓、電流、電阻并顯示的功能。

2. 主系統(tǒng)設計

本作品采用TI公司的MSP430F149超低功耗單片機作為微控器，外圍電路采用幾種較為成熟的集成元件搭建功能模塊來實現(xiàn)相應的要求。外圍芯片有CD4051、AD736、OPA300等。通過多功能測量網(wǎng)實現(xiàn)測量電壓、電流、電阻等功能，通過單片機內(nèi)部AD采樣并在128X64液晶顯示。

3. 各分系統(tǒng)設計

3.1 單片機系統(tǒng)方案

在單片機主系統(tǒng)選擇上有很多種方案，TI公司的單片機都具備功耗低和資源豐富的優(yōu)點，單片機采用MSP430F149超低功耗單片機。2個16位定時器、8路快速12位A/D轉換器、2個通用串行同步/異步通信信號接口和48個I/O口，片上集成60KB的FLASH等，有豐富的資源。搭接外圍電路做擴展和通信都很方便，完全滿足設計需要，編程語言多樣且簡單易上手，所以最終選擇了這款MSP430F149超低功耗單片機作為微控制器。

3.2 自動量程方案

在自動量程設計上有很多種方案，但是要考慮高效和快速反應的要求。繼電器和模擬開關聯(lián)合使用，在分壓網(wǎng)絡模塊用繼電器，經(jīng)過運放后再使用模擬開關。這樣同時利用其優(yōu)點，揚長避短，降低了系統(tǒng)的總功耗，縮小了作品的體積。達到了作品功能的要求。因此在自動量程上選用此方案。圖1是模擬開關原理圖。

3.3 電壓測量方案

因為整個系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)最終都被轉換成電壓數(shù)值然后再去測量，因此電壓測量方案的設計的高效和準確性至關重要。我選用的是電阻分壓法，通過精密電阻的分壓實現(xiàn)制造出不同的檔位特點。采用精密電阻分壓方案，分別用四個精密電阻制造出四條不同分壓級別的通路，軟件配合繼電器和模擬開關逐級給單片機的A/D采集端提供分壓后的電壓值，并實現(xiàn)采集和顯示。其中快速繼電器用電源模塊提供的+5V電壓供電，用三極管驅動，其原理圖如圖2。

3.4 電阻測量方案

電阻測量經(jīng)典的測量方案用比例法測電阻，電路原理圖如圖3。由圖可知，Rref為參考電阻，Rx為待測電阻，因為流過參考電阻和待測電阻的電流相同，所以有公式：

（VCC-Uref）/Uref=Rx/Rref

當輸入電壓是參考電壓的1.65倍時滿量程，亦即當待測電阻是參考電阻的0.65倍時滿量程，由此關系便可求出待測電阻Rx。此方案簡單可靠，雖然對參考電阻要求較高，但選用精密電阻作為參考電阻，誤差很小，因此選用此方案。

3.5 交流有效值測量方案

選用專用交流真有效值檢測的專用芯片AD736來檢測交流有效值，該芯片具有準確度高、靈敏度高、頻率特性好、電源范圍寬及功耗低等優(yōu)點，并且外圍電路簡單，其原理圖如圖4。它內(nèi)部由輸入放大器、全波整流器、有效值單元、偏值電路和輸出放大器等組成。工作時，被測信號電壓加到輸入放大器的同相輸入端，而輸出電壓經(jīng)全波整流后送到有效值單元并將其轉換成代表真有效值的直流電壓，然后再通過輸出放大器輸出給A/D，然后A/D采樣并顯示。

3.6 電源模塊方案設計

電源模塊是給系統(tǒng)的一些其它模塊供電的部分，因此它的穩(wěn)定性好壞直接決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性好壞。在此模塊中選用了LM2576S-5、MC7660DR2和REG1117-3.3主要芯片來分別產(chǎn)生+5V和3.3V的穩(wěn)定電壓。其中3.3V負責單片機供電。5V穩(wěn)壓電源要求既能驅動繼電器又不能功耗過大，而LM2576-5為單片開關型穩(wěn)壓集成芯片，驅動能力強，性能穩(wěn)定。其原理圖如5。

4. 總結

經(jīng)過本次電路系統(tǒng)設計，使我對解決問題的方法、思路上有了很多啟發(fā)，例如在設計時查閱一些經(jīng)典電路，配合仿真軟件進行模擬仿真實驗甚至網(wǎng)上發(fā)帖虛心求教等等，多角度發(fā)現(xiàn)和處理問題。雖然設計也有種種缺陷和不完美的地方，但最終還是發(fā)揮了它應有的特點，例如MSP430F149的低功耗特點以及許多外圍電路模塊都很成熟穩(wěn)定等，整個系統(tǒng)測量精確度高并成本不高。

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