基于多功能测试仪表分析

姚强

【摘要】本作品采用TI公司的MSP430F149低功耗单片机为控制核心;实现的功能有：测量交、直流电压电流，电阻;通过继电器和模拟开关实现自动量程切换的功能;通过AD736测量交流有效值;通過单片机内部集成AD采样并记录，128×64 LCD在ZLJ-GUI驱动下实现显示;电源模块可给系统提供+5V和3.3V的稳定电压。

【关键词】MSP430149单片机;AD736;128×64液晶显示

1. 设计意义

随着我国科学技术的全面发展，创新的高科技产品在各行各业都展现出了自己较高的市场竞争力和独特的魅力，尤其是近几年来，国家对创新方面的不断鼓励和各项优惠政策使得许多创造性的设计和产品得以实现和应用。我们知道在电器测量工具中，最常用最熟悉的莫过于万用表了，可以测量常用的电压、电流、电阻等，但万用表也有许多缺点，例如个头偏大，在许多测量场景无法应用，同时也不便携带等。经过对单片机的精心挑选，基于此我们设计了一款基于TI公司的低功耗单片机MSP430F149的多功能测试仪表，这款单片机仪表有低功耗，个头小，测量精度高，通讯方便，I/O口丰富等优点，本设计就是充分利用了这款单片机的现有资源，配合外围模块实现自动量程选择以及测量电压、电流、电阻并显示的功能。

2. 主系统设计

本作品采用TI公司的MSP430F149超低功耗单片机作为微控器，外围电路采用几种较为成熟的集成元件搭建功能模块来实现相应的要求。外围芯片有CD4051、AD736、OPA300等。通过多功能测量网实现测量电压、电流、电阻等功能，通过单片机内部AD采样并在128X64液晶显示。

3. 各分系统设计

3.1 单片机系统方案

在单片机主系统选择上有很多种方案，TI公司的单片机都具备功耗低和资源丰富的优点，单片机采用MSP430F149超低功耗单片机。2个16位定时器、8路快速12位A/D转换器、2个通用串行同步/异步通信信号接口和48个I/O口，片上集成60KB的FLASH等，有丰富的资源。搭接外围电路做扩展和通信都很方便，完全满足设计需要，编程语言多样且简单易上手，所以最终选择了这款MSP430F149超低功耗单片机作为微控制器。

3.2 自动量程方案

在自动量程设计上有很多种方案，但是要考虑高效和快速反应的要求。继电器和模拟开关联合使用，在分压网络模块用继电器，经过运放后再使用模拟开关。这样同时利用其优点，扬长避短，降低了系统的总功耗，缩小了作品的体积。达到了作品功能的要求。因此在自动量程上选用此方案。图1是模拟开关原理图。

3.3 电压测量方案

因为整个系统测量的数据最终都被转换成电压数值然后再去测量，因此电压测量方案的设计的高效和准确性至关重要。我选用的是电阻分压法，通过精密电阻的分压实现制造出不同的档位特点。采用精密电阻分压方案，分别用四个精密电阻制造出四条不同分压级别的通路，软件配合继电器和模拟开关逐级给单片机的A/D采集端提供分压后的电压值，并实现采集和显示。其中快速继电器用电源模块提供的+5V电压供电，用三极管驱动，其原理图如图2。

3.4 电阻测量方案

电阻测量经典的测量方案用比例法测电阻，电路原理图如图3。由图可知，Rref为参考电阻，Rx为待测电阻，因为流过参考电阻和待测电阻的电流相同，所以有公式：

（VCC-Uref）/Uref=Rx/Rref

当输入电压是参考电压的1.65倍时满量程，亦即当待测电阻是参考电阻的0.65倍时满量程，由此关系便可求出待测电阻Rx。此方案简单可靠，虽然对参考电阻要求较高，但选用精密电阻作为参考电阻，误差很小，因此选用此方案。

3.5 交流有效值测量方案

选用专用交流真有效值检测的专用芯片AD736来检测交流有效值，该芯片具有准确度高、灵敏度高、频率特性好、电源范围宽及功耗低等优点，并且外围电路简单，其原理图如图4。它内部由输入放大器、全波整流器、有效值单元、偏值电路和输出放大器等组成。工作时，被测信号电压加到输入放大器的同相输入端，而输出电压经全波整流后送到有效值单元并将其转换成代表真有效值的直流电压，然后再通过输出放大器输出给A/D，然后A/D采样并显示。

3.6 电源模块方案设计

电源模块是给系统的一些其它模块供电的部分，因此它的稳定性好坏直接决定系统的稳定性好坏。在此模块中选用了LM2576S-5、MC7660DR2和REG1117-3.3主要芯片来分别产生+5V和3.3V的稳定电压。其中3.3V负责单片机供电。5V稳压电源要求既能驱动继电器又不能功耗过大，而LM2576-5为单片开关型稳压集成芯片，驱动能力强，性能稳定。其原理图如5。

4. 总结

经过本次电路系统设计，使我对解决问题的方法、思路上有了很多启发，例如在设计时查阅一些经典电路，配合仿真软件进行模拟仿真实验甚至网上发帖虚心求教等等，多角度发现和处理问题。虽然设计也有种种缺陷和不完美的地方，但最终还是发挥了它应有的特点，例如MSP430F149的低功耗特点以及许多外围电路模块都很成熟稳定等，整个系统测量精确度高并成本不高。

参考文献：

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