最新万用表测量电阻电容电感.docx

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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

则

……………………………………………………………

（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。