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最新万用表测量电阻电容电感

 

万用表,测量电阻电容电感

简易数字万用表

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

 

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

,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。

II、-5V电压

我们采用7660来提供-5V电压

III、12V电压

由于我们可用的电压只有

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

,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(

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

为ADC值,ADC的满量程值

,基准电阻

的函数

……………………………………………………………

(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164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

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

输给单片机。

假设单片机满量程的整数值为

,基准电压为

……………………………………………………………

(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

大小,则可得电感值

的大小

=

……………………………………………………………………(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

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

的振荡频率

,再测出待测电容的振荡频率

,则

…………………………………………………………………………(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

,则采用合适的基准电阻进行测量;如果电阻小于20

,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

并且认为

是常数。

然而实际上随着频率的改变电容值会改变,

也就会改变,所以

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

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

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

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

,测出振荡频率

然后单片机选中待测电容,测出

,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

-1M

,误差在0.5%以内;

可以测量1-20

的小电阻,误差在5%以内;

可以测量100

 

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。

 

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