2012年山东省大学生电子设计竞赛论文：低功耗数字多功能表的设计制作

满座衣冠胜雪

摘要
本低功耗数字多功能表的设计是以TI公司的32位低功耗单片机LM3S1138为主控制核心，利用NE555-TI芯片组成的多谐振荡电路将电阻值和电容值的变化转换成方波脉冲频率的变化、利用TLC372-TI芯片组成的过零比较器电路将交流电压转换成方波频率的变化，然后计数器测频后通过单片机运算，最后将计算出的值送给LCD显示，达到了精确测量的效果。通过单片机控制AD9851芯片输出频率和幅值可调的正弦波，实现了正弦波信号源的功能。为了降低功耗，系统采用单片机所具有的休眠模式，完成了自动开、关机的功能。系统还使用了语音WT588D模块使系统更加人性化。
关键词：LM3S1138单片机；NE555-TI；低功耗数字多功能表；休眠模式；  

1. 方案论证与设计
本系统先设计总体方案，列举关键模块，然后对关键模块进行论证与选择。
1.1总体方案与系统框图
根据题目的要求，本低功耗数字多功能表的设计制作主要由测量模块、控制器模块、按键选择模块和显示模块等几大部分构成。系统总体框图如图1所示。

图1系统整体框图

1.2模块的论证与选择
1.2.1控制器模块的论证选择
方案一：采用89C51控制。此方案的优点是成本低，运用广泛，容易上手。但该单片机能够实用的片内外资源有限，定时计数器少、无A/D转换、能用的I\O口比较少、频率低、处理速度慢、功耗高、功能单一，难以满足设计要求。
方案二：采用TI公司提供的32位LM3S1138作为系统的核心控制器。LM3S1138具有32位的RSIC性能，强大的MCU控制内核，可以工作在50MHz的频率下，多路中断，并设有内部优先级，处理速度快，并且还有多个GPIO，多个A/D转换端口等。就整体而言LM3S1138有更高的性价比，且功耗比较低。
由于LM3S1138具有强大的功能、丰富的中断定时器及A/D转换模块，并且功耗很低，故选择方案二。

1.2.2 放大器的论证及选择
方案一：采用一般的反相放大器，结构简单，但精度不高，波形很容易失真，一般达不到题目的指标要求。
方案二：采用由TI公司生产的高精度低噪声运放芯片OPA227-TI,该集成运放芯片具有低功耗、低失真、低温漂、低噪声、高带宽和较广增益等特点。
综上所述，由于本设计对测量的精度要求较高，故采纳方案二。

1.2.3显示模块的论证与选择
方案一：采用LED数码管显示，控制比较简单，但占用较多的I/O口，不能实现资源的有效利用，而且只能显示一些简单的字符，显示信息量有限。
方案二：采用LCD液晶显示，优点是功耗低、字迹清晰、美观、视觉舒服，因此具有友好的人机交流显示界面，还能更好的显示其它功能。基于上述LCD液晶屏的优点，本设计选择方案二。

2. 原理分析计算与硬件电路图
2.1直流供电系统DC/DC的选择与参数计算
系统中，单片机需3.3V供电，运算放大器需要±5V供电,本设计采用了AZ1117三端稳压管输出3.3V电压；采用7805和7905三端稳压管输出±5V电压。电压产生电路见附录一图1所示。由公式（2-1）得电路总功耗P。
（2-1）
其中U是模块供电电压，I是电路总电流，P是电路总功耗。

2.2直流电压测量电路
为了精确的使单片机对采集到的数据进行数模转换，系统需要对测量到的小电压进行放大，大电压进行缩减，如图2所示，本设计中使用了TI公司的集成运放芯片OPA227-TI组成同向比例运算电路对采集到的电压Ui(0—0.2V)进行了10倍的放大，其放大计算公式为：
(2-2-1)

图2 同向比例运算电路

如图3 所示电路是利用了串联电路分压的原理把采集到的电压Ux（0—20V）进行了10倍的缩减,其缩减计算公式为：
(2-2-2)

图3 串联分压电路

2.3 交流电压测量电路
如图4所示电路的设计采用TI公司提供的集成运放TLC372-TI芯片，用此芯片组成过零比较器电路，从集成运放输出端的限幅电路可以知道:
(2-3)

图4 过零比较器电路图

2.4 电阻测量电路
TI公司提供的NE555定时器是一种用途很广的集成电路，只需接少量R、C元件，就可以构成多谐、单稳态及施密特触发器。电阻的测量采用“脉冲计数”，由NE555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。如图5所示为电阻测试电路仿真图。

图5 电阻测试电路仿真图

NE555-TI接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：
(2-4-1)
得出：
(2-4-2)
即：
(2-4-3)

2.5 电容测量电路
电容的测量同样采用“脉冲计数法”，由NE555-TI电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。电容测试电路仿真图见附录二图2,NE555-TI接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：
（2-5-1）
设置得出：
（2-5-2）
即：
（2-5-3）

2.6 晶体三极管β值的测量电路
该电路的设计是采用TI公司提供的的高精度低噪声运放芯片OPA227-TI组成的集成运放电路，其电路图如图6所示。

图6 晶体三极管β值的测量电路

由电路图可得：
（2-6-1）
（2-6-2）
即得晶体三极管的β值为：
（2-6-3）

2.7 正弦波信号产生电路
本正弦波信号源的产生是利用AD9851芯片，它内部含高速、高性能D/A转换器及高速比较器，它可以产生一个频率纯净、频率和相位都可以编程的控制且稳定性很好的模拟正弦波。

3. 软件设计
本系统软件部分主要由控制模块、测量模块和显示模块组成。
软件实现的功能：
①读取测量电路输出产生的振荡频率。
②实现对LED和LCD的数据输出。
③对单片机进行休眠模式的控制。

4. 系统测试与误差分析
4.1 测试环境
温度：27 ℃  地点：室内

4.2测试仪器及方法
测试仪器包括：精度0.01s秒表，34401A六位半数字万用表，DS1022C 示波器，DG1012C信号发生器，CA18303D稳压源等。测量时，先将待测量用标准工具如数字万用表等测量出来，然后用本系统进行测量，最后计算出误差。

4.3测试数据
4.3.1基本要求测试
（1）表1所示是用直流稳压源作为被测信号源进行测得的的数据。

表1 直流电压测试数据

（2）表2所示是用信号发生器作为被测交流电压信号，并用万用表测量的值与本系统测量的数据对比。

表2 交流电压测试数据

（2）表3所示数据是通过数字万用表测量的电阻值与本系统测量的电阻对比。

表3电阻测量数据

（3）表4所示数据是通过万用表测量的容值与本系统测量的电容值对比。

表4 电容测量数据

（4）表5所示是测得的电流放大倍数β的值。

表5 晶体管β测量数据

4.3.1发挥部分测试
为了降低功耗，系统能在1分钟后完成“自动关机功能”，任意按下按键，系统“开机”。完成了幅值可调且几乎不失真的正弦波信号源功能。仿真电路图见附录二图5。

5. 误差分析与结论
测试过程中，引起实验结果现象的因素有很多，如选用的实验元件受温度的影响，实验时间过长导致的误差产生，集成运放不是理想运放，其运放性能指标对运算误差有影响、选用的实验原件存在系统偏差等，这些因素综合影响实验的整体效果。
通过测试，系统完全达到了设计的要求，不但完成了基本要求和发挥部分的功能，并增加了多个创新功能，如语音提示、液晶显示时间、温度等功能。

6. 总 结        
在同组三人的紧密团结、精诚合作下，小组终于完成了设计任务，并有所发挥，这是与大学两年的理论学习、平时的电子训练及老师的教导是分不开的。经过此次电子设计大赛的磨练，增强了团队协作精神和实践能力，体会到了理论联系实际的重要性。

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