多功能数字万用表设计与制作--本科毕业设计论文.doc

多功能数字万用表设计与制作 电信12-1BF第一组
1、摘要

随着科技的日新月异，电子产品发展也非常之快，在电子电路测试、家用电气设备的维修、电子仪器检修、电子元器件测量中，万用表是最普及、最常用的的测量仪表。由于它操作简单、功能齐全、便于携带、一表多用等特点，深受电工、电子专业工作者及广大无线电爱好者的喜爱。
事实证明，万用表不仅能检测电工、电子元器件的性能优劣，查找电子、电气线路的故障，估测某些电气参数，有时还能代替专业测试仪器，获得比较准确的结果，基本上可以满足电工、电子专业人员和业余无线电爱好者的需要。因此，推广万用表的应用技术，实现一表多用，既符合节约精神，又可以在一定程度上克服专用仪器的困难。
多功能数字万用表是在电子方面的学习、开发以及生产方面应用相当广发的一种仪器工具，整机电路设计以大规模的集成模拟和数字电路组合，采用STM32F103RBT6为核心，高精度的运算放大器，低功耗高效率的开端电源转换器，全电子调校技术赋予仪表高可靠性，高精度。仪表可用于测量交直流电压、交直流电流、电阻、电感、电容，RS232C接口技术的应用使其和计算机构成可靠多种的双向通讯。仪表采用独特的外观设计，采用OLED3.1液晶显示器，仪表采用220V交流供电使之成为性能更优越的高精度电工仪表。
目录
1摘要 2
2 项目概述与功能需求 5
3 项目论证 6
3.1 总体方案论证 6
3.1.1 设计目标 6
3.1.2 总体设计方案 4
3.2 小模块方案设计 9
3.3 项目设计 12
4 项目设计 12
4.1 系统硬件设计 12
4.1.1 测直流电流模块 12
4.1.2 测直流电压模块 14
4.3.3 侧交流电压模块 16
4.1.4测电阻模块 17
4.1.5 测电容模块 18
4.1.6 测电感模块 20
4.1.7 液晶显示模块 22
4.1.8 电源设计模块 25
4.2 接口设计 24
4.2.1 外部接口 24
4.2.2 内部接口 24
4.3 运行设计 26
4.4 系统软件设计 26
4.4.1 主程序设计流程图 26
4..4.2 详细设计与编码 28
4.4.3 引脚说明 29
4.4.4 软件系统与其他系统的关系 30
4.4..5 各函数模块分析 30
5产品调试与包装 47
5.1 调试 47
5.2 系统数据测试 49
5.3 测试结果分析 52
6 项目小结 52
7 致谢 53
8 参考文献 54

9 附录 55
附录1 原理图 55
附录2 PCB图 56
附录3 器件清单 57
附录4 整机实物图 60
附录5 小组成员信息 63
附录6 过程监控文档 64
附录6.1 会议记录 64
附录6.2 工作日志 81
附录6.3 队员总结心得 103
附录6.4 小组管理 110

多功能数字万用表的设计与制作
2 项目概述与功能需求
1、项目设计具体内容：
（1）测量分辨率高； 
（2）测量范围宽；
（3）输入阻抗高； 
（4）集成度高，微功耗； 
（5）保护功能完善，抗干扰能力强；
（6）具备全程保护功能；
2、性能指标
测量项目
量程
分辨率
准确度
输入电阻
过载保护
DCV

ACV

DCA

R

C

表1 性能指标表
3 项目论证
3.1 总体方案论证
3.1.1 设计目标
题目要求制作多功能数字万用表，我们团队计划在性能高、精度高、功耗低、设计简洁明了以及环保的基础上，实现测量交直流电压、交直流电流、电阻、电感、电容，RS232C接口技术的应用使其和计算机构成可靠多种的双向通讯等功能。

3.1.2 总体设计方案
方案一：采用AT89C51单片机结合12864液晶作为本系统的主控MCU与LCD液晶显示部分，其优点是AT89C51软件调试容易，代码资源丰富，12864液晶显示字符多，能够显示必要的数据与字符。缺点是AT89C51内部没有集成ADC外设，需要外扩ADC芯片，并且12864液晶功耗和体积都较大。
方案二：采用STM32F103RCT6为主控，结合1602液晶作为本系统的主控MCU与LCD液晶显示部分，其优点是STM32F103RCT6内部外设丰富，集成了12位的ADC，OLED液晶体积小。缺点是软件开发较AT89C51要难，1602液晶显示的字符数有限。
结合毕业设计的一些功能需求和学习的目的，我采用方案二作为毕业设计的系统总体方案，原因是 STM32F103RCT6资源丰富，能够很好的满足系统所需要的硬件资源，我希望通过努力学习掌握该MCU的使用方法以达到学习的目的，同时考虑到这次毕业设计的功耗、整机的体积不大和显示的字符不多，OLED3.1液晶正好能够满足系统需求，所以我认为采用方案二是比较合理的。

STM32F103RCT6参数介绍：
Controller Family/Series:
STM32F
存储器容量,RAM:
20KB
计时器数:
4
封装形式:
LQFP
工作温度范围:
-40°C to +105°C
针脚数:
64
SVHC(高度关注物质):
No SVHC (18-Jun-2010)
工作温度最低:
-40°C
工作温度最高:
105°C
串行通讯:
2xSPI, 2xI2C, 3xUSART, USB, CAN
位数:
32
器件标号:
(ARM Cortex) STM32
存储器类型:
FLASH
定时器位数:
16
封装类型:
剥式
接口类型:
CAN, I2C, SPI, UART, USB
时钟频率:
72MHz
模数转换器输入数:
16
电源电压 最大:
3.6V
电源电压 最小:
2V
芯片标号:
32F103RB
表面安装器件:
表面安装
输入/输出线数:
49
闪存容量:
128KB

总流程图如图：

待测信号
表
笔
选
择
选
择
档
位
选 择 功 能
STM32
液晶显示

图1 总原理图

3.2小模块方案设计：
1.测直流电压部分：
方案一，采用芯片NE5532，一种双运放高性能低噪声运算放大器，通过放大信号输出所需信号。
方案二，采用芯片TLV2472，也是一种运算放大器，通过放大信号输出所需信号。
方案比较：芯片NE5532需要双电源供电，总设计中受9V电池供电限制，9V变为正负5V，功耗会很大，芯片TLV2472是一种高性能低噪声运算放大器，所以采用方案二。
原理流程如图：
图2 测直流电压流程方框图

2.测直流电流部分：
测直流电流的原理跟测直流电压原理相似，都是通过运放，放大所需型号，再输出信号，所采用的芯片一样方案也是跟测直流电压的一样，所以也是采用芯片TLV2472为核心。原理流程如图：
图3 测直流电流流程方框图

3.测交流电压部分：
方案选择，所采用的芯片跟测直流电压和电流的一样，根据模块的统一所以也采用芯片TLV2472，输入信号经过分压整流再通过芯片，经单片机出去。原理流程如图：

图4 测交流电压流程方框图

4. 测电阻、电容部分：
方案选择，是通过RC震荡电路测量电容，通过频率计算出电阻，通过示波器观察频率计算出电阻，所以采用555定时器，方便性能高，原理流程如图：

图5 测电阻、电容流程方框图

5.电源部分：
电源要求采用9V电池供电，所以只能通过开关电路或是稳压电路将9V转为相应需要的工作电压5V和3.3V。
方案一，采用LM2736芯片将9V电压稳压到5V，再将5V电压稳压到3.3V。
方案二，采用LM2576芯片通过开关电路将将9V电压转到5V，再通过 LM2576芯片通过开关电路将将9V电压转到3.3V。
方案比较，方案一功耗大，转化效率比方案二低，噪声也较方案二的要大，由于方案二LM2576有几种型号，其电路已经集合在其内部，只要简单的外围滤噪声已经稳压的保护电路，并且不同型号的外围电路可以一样，LM2736T-5.0可以直接将9V转化为5V，LM2736T-3.3可以直接将9V转化为3.3V，所以采用方案二来设计制作电源部分。
3.3 系统组成
本系统以MSP430G2553作为核心，分电源，测电阻，测电容，测直流电压，测交流电压，测直流电流，测二极管等几个小模块，主要工作是通过单片机的控制将各模块的输入信号按照预定的算法进行运算后从而在我们采用的LCD12864液晶上显示，显示内容为正在进行的测量模块提示字符以及测量的实时结果。功能方框图如图所示：

图6 系统方框图

功能
量程
选择
待
测
输
入
电容测量
电阻测量
直流电压
交流电压
直流电流
电感测量
单
片
机
系
统
独立按键
电源管理
LED
现实
电路

4 项目设计
4.1 系统模块设计
4.1.1 测直流电流模块
1、 原理分析

2、原理图如图所示：

图7 测直流电流原理图
3、PCB如图所示：

图8 测直流电流PCB图

4.1.2 测直流电压模块
1、原理分析：

2、原理图如图所示：

图9 测直流电压原理图
3、PCB如图所示：

图10 测直流电压PCB图

4.1.3 测交流电压模块
1、原理分析：：

2、原理图如图所示：

图11 测交流电压原理图
3、PCB如图所示：

图12 测交流电压PCB图

4.1.4 测电阻模块
1、 原理分析：

2、原理图如图所示：

图13 测电阻原理图
3、PCB如图所示：

图14 测电阻PCB图
。
4.1.5 测电容模块

图15 测电容原理图
3、PCB如图所示：

图16 测电容PCB图

4.1.7 液晶显示模块
1、 原理分析：
2、原理图如图所示：

图19 液晶显示原理图
3、PCB如图所示：

图20 液晶显示PCB图
4.1.8 电源显示模块
1、原理分析
2、 原理图如图所示：

图21 电源原理图
3、PCB如图所示：

图22 电源PCB图
4. 2接口设计 
  4.2.1 外部接口
四个外部接口和两个外部开关功能分别如下：
外部接口1：测电容、交直流电压、直流电流；
外部接口2：测电阻；
外部接口3：测二极管（蜂鸣器）；
外部接口4：接地端。
多功能数字万用表的外部接口是将不同的被测量（如电容、电压、电阻等）不同的量程，切换到合适的接口。
两个外部开关，一个是电源开关，控制多功能数字万用表的通断电，另一个是转换开关，多功能数字万用表中各种测量种类及量程的选择是靠转换开关的切换来实现的。转换开关里面有固定接触点和活动触点，当固定触点和活动触点闭合时接通电路。我们所采用的拨动 SS16F01 六档开关，通过拨动开关可以使得某些活动触点与固定触点闭合，从而相应的接通所需要的测量电路。
4.2.2 内部接口：
P1.0控制测直流小电压模块；
P1.1控制测电阻模块；
P1.2控制测电容模块；
P1.3控制测高电压模块；
P1.4控制测小直流电流模块；
P1.5控制测大直流电流模块；
P1.6控制测交流电压模块；
RST控制复位电路；
P2.0 、P2.1控制继电器；
P2.2控制蜂鸣器模块；
P2.3、P2.4、P2.5三个接口液晶模块；
P2.6接晶振；
DVCC接电源；
2DVSS接地。
芯片引脚说明，关键硬件电路图如下

图23 关键硬件电路图图
74HC4060用256分频器，sn74hc573a为锁存器用作开关P1.2为被测信号进入端，P2.1连接MSP430G2553捕获测量端。P1.1通过IO控制。当原理图中的P1.1为高电平时，锁存器打开，相当于开关关闭，同时分频器处于复位状态，即信号不分频直接进入MSP430。当原理图中的P1.1为高电平时，锁存器关闭，相当于开关打开，同时分频器处于工作状态，即信号经256分频进入MSP430。
4.3 运行设计
运行控制采用半自动，通过表笔的选择，还有档位开关的选择来切换，另外通过软件来自动换挡。各模块组合设计以MSP430G2553作为核心，采用了其内部的16位定时/计数器以及分频控制和液晶显示器共同实现对被测信号的频率进行测量及显示。 在单片机应用系统中，经常要对一个连续的脉冲波频率进行测量，使用单片机测量频率通常是利用它的定时/计数器来完成的。模块间通过表笔的选择，还有档位开关的选择来切换。
4.4 系统软件设计
4.4.1 主程序设计流程图
首先把各个模块初始化，进入到液晶显示，选择所需功能，通过公式计算相应的值，将结果传到液晶显示。流程图如下：

开始
界面初始化
P1.0>0.2V
P1.0<2.0V
AD采集P1.0
AD采集P1.3
通过公式计算出电压值
送12864液晶显示
P1.4>0.2V
AD采集P1.4
AD采集P1.5
通过公式计算出电流值
送12864液晶显示
P1.4<2.0V
控制继电器1挡
控制继电器2挡
FFT计算出有效电压值
送12864液晶显示
P2.6<2.0V
No
Yes
Yes
Yes
Yes
No
No
No
No
Yes

图24 软件流程图

进入中断
测量确定频率F
F<100
R_C_flag=0
F<70
控制继电器1挡
通过公式计算R
控制继电器2挡
送12864液晶显示
通过公式计算C
送12864液晶显示
F<10000
R_C_flag=0
控制继电器2挡
R_C_flag=0
Yes
No
Yes
Yes
Yes
F<1000000
Yes
No
No
No
No
No
Yes

图25 中断流程图
4.4.2 详细设计与编码
在电子技术中，频率是最基本的参数之一，数字频率计具有精度高、使用方便、测量迅速、以及便于实现测量过程自动化等优点，是近代电子技术领域的重要工具之一，在许多领域得到广泛应用。本系统以超低功耗MSP430G2553单片机为核心处理芯片来测量信号的频率，通过定时器A采用计数法完成信号频率测量，并将被测频率值通过LCD12864液晶串行显示。频率可测量范围在1Hz到999MHz之间。如需要，范围可继续扩宽，频率计的误差在1%以内。
基于MSP430G2553的频率计设计原理图如图所示，通过串口方式液晶显示，只需配置单片机三个口线便可以实现对频率的测量。其中待测频率信号从P1.0口输入，然后可以直接在液晶屏上显示。

4.4.3 引脚说明
1、MSP430G2553引脚功能说明
由原理图可以看出，430单片机的最小系统用到1脚电源、16脚复位端、20脚接地端、配置P1.0口为待测信号输入端，P1.4为串行数据输出口，P1.5为串行时钟输出口，如表1所示。
表1 MSP430G2553引脚功能说明
引脚序号
引脚名称
功能说明
备注
1
VCC
电源正

2
P1.0
频率信号输入端

6
P1.4
串行数据输出端

7
P1.6
串行时钟输出端

16
RST
复位脚

20
GND
电源地

表3 MSP430G2553引脚功能说明
2、LCD12864引脚功能说明
LCD12864液晶显示屏用到1、2脚，电源接口线，19、20脚背光电源接口线，15脚并行/串行接口选择，5脚串行数据口，6脚串行的同步时钟。LCD12864引脚功能如表2所示。

表2 LCD12864接口说明
引脚序号
引脚名称
功能说明
备注
1
VSS
模块的电源地

2
VDD
模块的电源正端

4
RS(CS)
并行指令/数据选择信号；串行片选信号

5
R/W(SID)
并行读写选择信号；串行的数据口

6
E(CLK)
并行使能信号；串行的同步时钟

15
PSB
PSB并/串行接口选择：H-并行，L-串行

19
LED_A
背光源正极

20
LED_K
背光源负极（0V）

表4 LCD12864接口说明
4.4.4 软件系统与其他系统的关系
Fft 测交流，先采用测数法测试频率再根据频率通过fft测幅度。
ADC 该函数文件用来驱动液晶显示。
BCSC  MSP430基础时钟的配置 注意：DCOCLK最大频率与工作电压成线性关 系，设置注意工作电压是否满足时钟配置该函数应先调用，否则会影响其他时钟设置函数的调用。
Delay 延时函数 延时函数与MCLK有关，不同频率下的Dealy_Base下头文件有定义。
LCD_12864 液晶显示函数。
Mian 主函数。
Timer 频率计。
UART MSP430串口驱动函数。
4.4.5各函数模块分析
1、 主函数
主函数流程图如图2所示。在主程序中，主要对单片机配置进行初始化和屏幕初始化，以及频率信号数据的处理并实时显示 。
单片机初始化

开始
屏初始化
显示
结束
图27 主函数流程图

部分主函数代码如下：
#include "main.h"
#include "ADC10.h"
#include "FFT.h"
float max;
/* 私有函数模型 ----------------------------------------------------------------------------------*/
static void Sys_Init(void);
void main(void)
{
Sys_Init();
LCD_Init();
// ADC10_Config();
// ADC10_TA0_Config(1000);
/* ADC10CLK_Convert(INCH_0,BIT0);
FFT_Test(FFT_D);
max=Return_max(FFT_D);
//while(ADC10IFG==0);
// ADC10_Config();
// V_Channel();
LCD_Display_FloatNum(2,1,max,8);
delay_ms(10);
while(1);
Test_Frequance();
while(1)
{
while(Ta1_OV_flag!=1);
LCD_Display_FloatNum(2,1,Input_Frequance,8);
Test_Frequance();
delay_ms(1000);
}*/
// Display_Str(0,0," 频 率 计");
// Display_Str(1,0,"当前频率值：");
// Display_Str(2,6,"Hz");
Timer_Base_Conf();//捕获配置
ADC10_Config();
__bis_SR_register(GIE);
while(1)
{
if(V_Channel()>0.1)//0.1为指定电压 当电压超过这个值的时候开始启动电压挡
{
ADC10_Convert(INCH_3,BIT3);
Display_Str(0,0," 电 压 值 ");
Display_Str(1,0,"当前电压值：");
LCD_Display_FloatNum(2,1,V_value,8);
Display_Str(2,6,"V ");
delay_ms(100);
}
if(I_Channel()>0.1)//0.1同电压
{
ADC10_Convert(INCH_5,BIT5);
Display_Str(0,0," 电 流 值 ");
Display_Str(1,0,"当前电流值：");
LCD_Display_FloatNum(2,1,I_value,8);
Display_Str(2,6,"A ");
}
if(VC_Channel()>0.1)//0.1同电压
{
ADC10CLK_Convert(INCH_6,BIT6);
FFT_Test(FFT_D);
max=Return_max(FFT_D);
Display_Str(0,0," 交流电压值 ");
Display_Str(1,0,"当前有效值：");
LCD_Display_FloatNum(2,1,max,8);
Display_Str(2,6,"V ");
}
}
/* ADC10_Convert(INCH_3,BIT3);
delay_ms(10);
Convert_End();
ADC10_Convert(INCH_4,BIT4);
delay_ms(10);
Convert_End();
ADC10_Convert(INCH_5,BIT5);
delay_ms(10);
Convert_End();
ADC10_Convert(INCH_5,BIT5);
delay_ms(10);
Convert_End();
ADC10_Convert(INCH_6,BIT6);
delay_ms(10);
Convert_End();
ADC10_Convert(INCH_7,BIT7);
delay_ms(10);
Convert_End();*/
//if()
// }
}
2、单片机初始化函数
单片机初始化函数包括对看门狗定时器模式的设置、I/O口输入/输出功能的配置。定时器A所需时钟源、分频系数的选择，并将总中断打开。函数流程图
开始
图28 初始化函数流程图

结束
开中断
定时器A配置ANG
I/O口配置
关闭看门狗

部分函数代码如下

/***************************************************************************************************
* 描述 : 系统初始化
* 参数 : 无
* 返回 : 无
* 注意 : 无
*************************************************************************************************/
static void Sys_Init(void)
{
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // 停止看门狗
DCOCLK_Set(_16MHZ);//DCO频率为8MHz
ACLK_Set(LF,DIVA_0);//ACLK频率为32.768KHz
SMCLK_Set(SM_DCO_CLK,DIVS_0);//SMCLK=DCOCLK
MCLK_Set(M_DCO_CLK,DIVM_0);//MCLK=DCOCLK
}
/*******************
3、中断函数
中断函数流程图如图4所示。当定时器A溢出后就进入中断，count就加上65535。

进入中断
count = count +65535
开始
结束
图29 中断流程图

部分函数代码如下：
/***************************************************************************************************
* 描述 : 定时器中断服务函数
* 参数 : 无
* 返回 : 无
* 注意 : Timer A0 interrupt service routine
*************************************************************************************************/
#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR//测量电阻
__interrupt void Timer_A0(void)
{
Capture[Cap_Offset++]=TA0CCR0;
if(Cap_Offset==2)
{
R_C_flag=0;
CCTL0&=0X3FFF;
TA0CTL&=0XFFCF;//Stop
Cap_Offset=0;
F_Measure();
F_M_Start();
TA0CCR0=0;
}

}

部分重要代码如下：
/*包含--------------------------------------------------------------------------------------------*/
#include "Timer.h"
#include "ADC10.h"
/* 私有定义结构体 --------------------------------------------------------------------------------*/
/* 私有宏-----------------------------------------------------------------------------------------*/
#define Shift_H_Min 64.00//捕获数的换高挡下线门限
#define Shift_L_Min 12.00//捕获数的换中挡下线门限

#define SMCLK 8000000//进行了优化处理
/* 全局变量---------------------------------------------------------------------------------------*/

uint16_t Capture[2];
uint16_t Capture_C[2];
uint8_t R_C_flag=0xff;//R/C显示标志位

uint8_t Cap_Offset=0;//捕获偏量
uint16_t F_Mset[2];//0 时钟源选择，1，分频系数
uint32_t F_MCap;
uint8_t Gears; //档位 0为低档，1为中档，2为高档，默认为中档

/* 私有函数模型 ----------------------------------------------------------------------------------*/
void F_M_Set(void);
/***************************************************************************************************
* 描述 : 时基配置
* 参数 : 无
* 返回 : 无
* 注意 :
*************************************************************************************************/
void Timer_Base_Conf(void)
{
P1DIR&=~BIT1;
P1SEL |=BIT1; /*设置P1.1端口为功能模块使用,即：做捕获源*/

P1DIR&=~BIT2;
P1SEL |=BIT2; /*设置P1.2端口为功能模块使用,即：做捕获源*/

//Time_IO_Ctrl; //配置中与高档的换挡的控制IO配置
Gears=1;//中档
F_M_Set();
F_M_Start();
}

/***************************************************************************************************
* 描述 : 时基配置
* 参数 : F_Mset：全局变量，随测量档位的不同时基配置跟着改变
* 返回 : 无
* 注意 :
*************************************************************************************************/
void F_M_Start(void)
{
TA0CTL=F_Mset[0]+TACLR+F_Mset[1]+TAIE;

CCTL0=0x4910u;// CM_1+SCS+CAP+CCIE;

CCTL1 = 0x4910u;// CM_1+SCS+CAP+CCIE;

TA0CTL |= MC_2; //contmode
}
/***************************************************************************************************
* 描述 : 频率测量
* 参数 : 无
* 返回 : 无
* 注意 : 无
*************************************************************************************************/
void F_Measure(void)
{
float F;
F=(Capture[1]-Capture[0])+1;

//捕获脉宽小于一定值，则换高挡
switch(Gears)
{
case 0x00://判断是否需要换中档
{
if(F<Shift_L_Min)
{
Gears++;
F_M_Set();
return;
}
break;
}
/* case 0x01://判断是否需要换高档
{
if(F<Shift_H_Min)
{
Gears++;
F_M_Set();
return;
}
break;
}*/
default:
break;
}
F=F_MCap/F;
if(F<5000)
{
LCD_LineClear(2);
if(R_C_flag==0)//以下写关于测电阻的显示程序
{
LCD_Display_FloatNum(2,1,F,8);
Display_Str(2,6,"Hz");
}
else//以下写关于测电容的显示程序
{
LCD_Display_FloatNum(2,1,F,8);
Display_Str(2,6,"Hz");
}

}
else if(F<10000000)
{
F=F/1000;
LCD_LineClear(2);