Схемы мультиметра с компьютерным управлением - Дипломная работа

1. Анализ существующих технических решений 1.1 Электрические измерения 1.2 Мультиметр 1.3 Электронный вольтметр 1.3 Электронный амперметр 2. Обоснование выбора средств разработки 2.1 Микроконтроллер 2.2 Взаимодействие устройства с компьютером 2.3 Выбор программных средств разработки 3. Разработка структурной схемы мультиметра 3.1 Логическая структура схемы понижения напряжения 3.2 Физическая структура схемы понижения напряжения 3.2.1 Понижение напряжения 3.2.2 Усиление малых напряжений 3.2.3 Расчёт схемы для измерения силы тока 3.2.4 Обеспечение защиты 3.2.5 Выпрямитель 3.2.6 Сглаживающий фильтр 3.2.7 Обеспечение защиты после модуля выпрямления 3.2.8 Знаковый детектор 3.2.9 Инвертер 3.2.10 Переключатели 3.2.11 Питание операционных усилителей 3.3 Выбор элементной базы 3.4 Итоговая схема и варианты её реализации 4. Разработка программного комплекса мультиметра 4.1 Логическая структура программного комплекса 4.2 Реализация программного комплекса 4.2.1 Взаимодействие Arduino UNO - Управляющее приложение 4.2.2 Принятие и обработка данных на Arduino 4.2.3 Сигналы переключения 4.2.4 Передача измеренных значений 4.2.5 Интерфейс программы управления 5. Методика проверки разработанного устройства 6.1 Методика проверки схемы преобразователя входного напряжения 6.1.1 Методика проверки релейного модуля 6.1.2 Методика проверки основного модуля 6.1.3 Методика проверки модуля выпрямления 6.1.4 Методика проверки модуля знакового детектора 6.1.5 Методика проверки модуля инвертирования 6.2 Методика проверки программы измерения 7. Предшественником мультиметра был авометр - прибор для измерения силы тока (амперметр - А), напряжения (вольтметр - В) и сопротивления (омметр - Ом). Современные мультиметры могут выполнять гораздо большее количество функций, с их помощью можно, например, измерять емкость конденсатора и частоту переменного тока, определять коэффициент усиления транзисторов, проводить проверку диодов и прозвонку соединений. Рекомендуемые к использованию диапазоны измерения для режима работы в качестве вольтметра: ± 5 В, ± 10 В, ± 20 В, ± 30 В. Основные характеристики разрабатываемого мультиметра, определённые в техническом задании следующие. диапазон измеряемого тока: 0 - 2 А; диапазон измеряемого напряжения: 0 - 30 В; частотный диапазон измерений: 0 - 100 Гц; управление мультиметром и индикация результатов осуществляется специализированной утилитой, установленной на ПК; обмен данными между мультиметром и утилитой происходит по интерфейсу USB; питание мультиметра от сети переменного тока 220 В частотой 50 Гц. Эти три величины связаны между собой законом Ома - сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратна пропорциональна сопротивлению этого участка [1]: Измерение этих трех величин и является задачей простейшего мультиметра. Подавляющее большинство элементов электрических и электронных схем изготавливается из металлических или полупроводниковых материалов, носителями электрического тока в которых являются электроны. Если же измеряются такие параметры, как электросопротивление резистора или емкость конденсатора, то необходим самостоятельный источник тока. Они и в данный момент сохраняют актуальность, так как имеют возможность работать и при сильных радиопомехах, в отличие от цифровых мультиметров. На Рис. Входной импеданс многих выпускаемых мультиметров имеет значение, которое превышает 1 МОм. Таблица 1 - Сравнение функциональных возможностей разных групп мультиметров АММ-1139 АМ-1108 АМ-1118 АМ-1142 АМ-1009 АММ-1009 Группа Прецизионные Профессиональные Эконом-класса Разрядность дисплея 40000/4000 51000 6000 6600 1999 3999 Базовая погрешность 0,06 % 0,2 % 0,5 % 0,5 % 1,50 % 0,5 % TrueRMS - - - - Фиксация Max, Min - - - Удержание показаний HOLD - Наглядно видны различия: разрядность дисплея у прецизионных мультиметров больше, поэтому лучше разрешающая способность (минимальная отображаемая величина), точность лучше (значение погрешности меньше), прецизионные и профессиональные измеряют истинное среднеквадратическое значение (TrueRMS) переменного тока и напряжения, больше других режимов и функций по сравнению с другими мультиметрами. Функциональная схема мультиметра: А - аттенюатор, ПВ - прецизионный выпрямитель, ПR - преобразователь, К -коммутатор измеряемых сигналов, ОУ - операционный усилитель, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ЦИ - цифровой индикатор Разные измерительные преобразователи подключаются к входам коммутатора. Платы семейства Arduino (без соблюдения масштаба): а - Arduino Nano, б - Arduino Mega, в - Arduino UNO Arduino Mega является расширенной версией Arduino UNO, микроконтроллер в которой установлен большой мощности. Для программирования микроконтроллеров семейства Arduino создана специальная среда программирования (распространяющаяся бесплатно и с открытым исходным кодом) - Arduino IDE.