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封装纸智能数字万用表 论文摘要 本设计以89C51单片机系统为核心，采用12位A/D转换器AD574对数据进行采样，主要完成对交流、直流电压及电阻的测量。基本满足题目对直流电压、交流电压及电阻测量的精度要且在电压测量时满足输入阻抗大于等于。在该系统由数据信号采集模块、单片机系统数据处理模块、显示模块三个部分组成。数据信号采集模块主要完成对交、直流电压及电阻值的采集和转换，通过单片机的控制实现量程的自动转换以及交、直流电压和电阻测量的自动识别。系统数据处理模块基于傅立叶变换对测得的工频交流信号进行谐波分析，计算出各个谐波分量的百分比。增加了超量程LED显示报警以及交流测试频率显示功能。 一、方案选择与论证 1、系统构成 本系统采用单片机为核心，将设计任务分解为电阻值转换、自动量程转换、交流电压有效值转换、结果显示等功能模块，完成对交、直流电压及电阻的归一化测量，系统框图如图1所示。 电阻的测量利用恒流源将电阻转换成电压测量；自动识别测量通过两级选通开关，前级实现电阻与电压的切换，后级实现交直流信号的切换；通过将输入电压统一降压100倍，再利用程控放大器对不同的电压值进行放大选通实现自动量程转换；交流信号通过交/直流转换成后，直接对其有效值进行测量；单片机控制A/D转换器采样输入电平，将转换结果送入4位数码管显示，满足最大量程3999的要求。 2、系统方案论证 方案一：采用双积分A/D转换器ICL7149大规模集成电路，组成DVM数字电压测量模块,而电阻、交流电压都可以通过相应的变换器，把它们变换成直流电压，然后用DVM数字电压测量模块进行测量，直接驱动数码管显示。此方法使电路和软件的设计大大简化，并具有较高精度，但是ICL7149集成电路价格较贵，性能价格比较低，且不能实现谐波分量的分析处理。 方案二：采用以单片机数据处理为核心, 结合多路模拟开关、分压电路、恒流源电路、AC/DC转换电路等硬件电路的实现方法。单片机软件编程灵活，自由度大，可以用软件编程实现交、直流电压和电阻测量的全自动识别及量程自动转换功能。由A/D转换器进行幅度采集，经过单片机进行数据处理后显示。整个系统结构简单，能提高系统的智能化程度，并且测量结果的精度可以很高。 比较以上两种方案，方案一和方案二都可以实现本题目的基本要求，但方案一较难实现本题中发挥部分的功能扩展，而方案二可以通过单片机对谐波分量进行计算和分析，从而测量工频交流电的谐波分量的百分比。并且可以较易实现其他功能的拓展。因此采用方案二实现。 二、硬件电路设计与比较 硬件电路主要包括电阻/电压转换电路、自动转换电路、AC/DC转换电路、A/D转换电路及键盘显示电路。其中电阻/电压转换电路主要实现电阻值到电压值的转换；AC/DC转换电路可以将交流电压转换成直流电压，实现交流信号的有效值转换，方便于单片机控制A/D转换器采样；自动转换电路实现全自动量程转换功能；显示电路用于显示测量结果和超量程警告信息。 1）电阻/电压转换电路 a、由于电阻不易直接测量，故需将其转换成其他参量进行测量。 方案一：采用恒压源电路，将被测电阻值转换为电流值进行测量，但电流值的测量不易实现，且精度难以提高。 方案二：采用恒流源电路，将被测电阻值转换为电压值进行测量，即用恒流源产生一个恒定的电流通过被测电阻，通过测量电阻两端的电压，再根据欧姆定律求出被测电阻值。这种方法简单易行，精度较高。本设计选择方案二。 b、恒流源的选择： 方案一：采用运算放大器和稳压管等分立元件组成恒流源电路。但这种电路结构复杂，调试比较困难，且精度难以满足要求。 方案二：采用三端串联型集成稳压器构成的开关恒流源。集成串联型稳压电路，它是以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定。该集成稳压器中除包含有调整管、基准电压电路、取样电路和比较放大电路，还具有过流、过热和调整管安全工作区保护电路。使用集成稳压器可以简化恒流源电路，精度高。本设计采用方案二。 2) 自动转换电路 方案一：直接利用电阻分压,通过单片机对多路模拟开关进行选择实现多量程自动切换。该电路结构简单，容易实现，但是电压分压不稳定。 方案二：通过多路模拟开关与运放的组合，设置了多个量程开关，利用单片机对模拟开关的控制实现多个量程之间的自动切换。利用两级模拟开开关，前级实现了对功能的自动识别，后级实现了全量程的自动切换。由于题目要求对高电压进行测量，需对电压值进行缩放，因此选择方案二。 3）AC/DC转换电路 对于交流电