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2020年09月04日 | 工程师必学DIY：用Arduino打造专属万用表
2020-09-04 来源：elecfans
——本文选自5月份《测试测量特刊》
设计要求：本项目可以使用Arduino Uno或Duemilanove板，具备三种设计模式：
·单独——测量数据可以用字符或者图形LCD显示模组的形式观察。
·连接——可以使用Arduino IDE串行显示器连接到PC上进行读数。
·组合——数据可以在两种设备上进行观察。
其中第二种模式并不需要LCD显示模组，所以价格会稍微低一点。
本项目所设计的Arduino 万用表应具备以下功能：
·具备3个量程的电压表：0-10V，0-30V，0-100V
·具备1个量程的电流表：0-500mA
·具备2个量程的欧姆表：0-1KΩ，0-250KΩ
·二极管，LED的连接性检测
·LED功能性测试
·NPN双极结型晶体管的BETA值测量
1 警告：高压危险！首先我必须放出这个警告，因为我们的一些操作电压高于安全电压值，应当时刻将安全放在心中。另外，还要提醒一点，当将该万用表和电脑相连时，应当让电脑和该设备共地。
2 电路设计，这是总体电路图。因为总电路图看起来有点复杂，我会将其分成子模块进行讲解。
3 电压表的简化图。三个量程可以通过Arduino板上的按钮进行选择。在进行电压测量时，只有一个开关是闭合的。
4 电流表的简化图。被测量电流流过1Ω电阻到地，其输出经放大后连接到Arduino的A1接口，放大器的增益为10.为了进行过流保护，我配置了一个500mA的复位PTC。
5 欧姆表的简化图。由齐纳二极管相对于正电压源产生基准电压，该电压被施加到由PMOS晶体管和运算放大器组成的电流转换器上，待测电阻连接到晶体管的源极。此时齐纳二极管上的电压和电阻上的电压相等。
6 Arduino板控制，两个开关都闭合，两个电阻都有电流流过。因此电流有两个可能值：10uA和2.5mA。这些电流可以进行精确的调制。然后生成的电流流过待测设备（电阻、二极管、LED……），然后电压降会在Arduino的A2口被检测到。
如果电阻的范围时100Ω。此时，参考电流2.5mA流过电阻，并将生成的电压施加到Atmega芯片的ADC输入上。我们想测量的在0-1000Ω之间变动。而测量电压也在0-2.5V之间变动。Vce（Vds）的电压范围为0.5V-3V，这两个电压会直接影响到集电极-发射极/源极-漏极的电流，最终导致精度下降。这种现象可以通过此图很好的理解：NPN双极结型晶体管的传输特性。该影响可以通过软件进行一定的校正，但如果是非线性的，校正会非常困难。
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7 怎么测量beta值：前面提到的产生的电流可以流过不同的设备：电阻、二极管、LED、肖特基二极管……，产生的电压降和相应的设备有关。这个电压值可以提供相应设备的信息，比如设备的电压降和设备的对应：二极管-0.4V-0.8V；肖特基二极管-0.1V-0.5V，LED（颜色不同并不一样）-1.1V-3.5V。这时使用的电流是10uA。而如果使用2.5mA，那么LED就开始发光，就能测量LED的功能性。测量beta值也是使用的10uA，测量值可在屏幕上读出。
8所需物料清单。
9 PCB设计文件。
10 PCB文件做好之后将给代工厂加工，我等了两周就拿到了成品。
11 安装和焊接，这不是什么大问题，小心仔细是关键。
12 PCB板上的一些解释。
13 安装组件。
14 对Arduino进行配置，需要对模式选择和万用表软件两者进行配置，相关的配置文件可在http://www.instructables.com/id/Digital-multimeter-shield-for-Arduino/ 找到。
15 然后还需要进行校准。找一个标准的万用表相对校准即可。
16测量电池电压，可以看到选择的量程和电压值信息。
17 校准欧姆表。
18 完成之后就可以进行测试了。
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史海拾趣