1.引言

萬用表是一種最常用的電工測量儀表，目前主要使用的有兩種，即模擬以指針萬用表和數(shù)字式萬用表.這兩種萬用表使用時存在一個共同的問題，就是測量時必須用眼睛觀看被測點和刻度盤或數(shù)據(jù)顯示屏，容易造成在觀測測量結(jié)果時表筆脫離被測點，或者造成表筆金屬極在相鄰電路上短路.隨著語音技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字萬用表中增加語音播報功能，為萬用表使用性能的實質(zhì)性進(jìn)步開辟了一條新的途徑，有了語音播報數(shù)值功能，可以告訴測量數(shù)值和單位準(zhǔn)確的確認(rèn)讀數(shù)的結(jié)果，大大減少讀數(shù)出錯的可能.不僅如此，本設(shè)計通過高精度A/D轉(zhuǎn)換，提高萬用表的測量精度，對其他電子儀器的改進(jìn)有著重要的意義.

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

語音播報萬用表，最主要目的是對萬用表測得數(shù)值進(jìn)行顯示和播放.系統(tǒng)采用模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由微處理器模塊.萬用表測量電路.高精度A/D電路.語音電路.顯示電路以及按鍵電路模塊組成，整體框圖如圖1所示.

在圖1 中， 系統(tǒng)微處理器處理器采用AT89S52,它是一種低功耗.高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活.超有效的解決方案.萬用表測量電路將各種測量值轉(zhuǎn)化為電壓信號，在通過高精度A/D電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給單片機，再由單片機進(jìn)行算法處理后輸出到顯示電路，LCD顯示測得的電壓值，語音播放電路根據(jù)單片機算法運算后尋找存儲該數(shù)值對應(yīng)的語音信號進(jìn)行播報.

2.2 高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊

萬用表的實現(xiàn)采用將各種測量數(shù)值轉(zhuǎn)化為直流電壓值，再將直流電壓值通過高精度A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)入單片機進(jìn)行處理及輸出.提高萬用表精度的電壓表的核心提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，系統(tǒng)采用16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量，并送入單片機，單片機對該數(shù)字量進(jìn)行規(guī)格化處理.

AD7705是16位AD轉(zhuǎn)換器，外接晶體振蕩器.精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容，即可連續(xù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換.它采用了Σ-Δ技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出.AD7705采用的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器連接，也比并行接口方式大大節(jié)省了CPU的IO口[3]?采用AT89S52控制AD7705,對橋式傳感信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，能直接將傳感器測量到的微小信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換.該器件還具有高分辨率.寬動態(tài)范圍.自校準(zhǔn).優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點，非常適合儀表測量.

采用16位A/D可將測量電壓值精度根據(jù)數(shù)字信號±1的誤差，數(shù)據(jù)輸出公式為，1/65535*5V=0.00007V,也就是說在不改變電壓量程時，可達(dá)到0.1mV的精度.單片機與A/D轉(zhuǎn)換的連接如圖2所示.

2.3 萬用表測量模塊

萬用表測量范圍包括直流電壓.交流電壓.直流電流.交流電流.電阻及電容等參數(shù).為了擴大萬用表的測量范圍，增加電阻分流.分壓等功能，該部分設(shè)計原理基本相同，本設(shè)計未作改進(jìn).在交直流轉(zhuǎn)換及電阻測量方面的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，提高測量穩(wěn)定性.

數(shù)字萬用表中交流電壓測量電路是在直流電壓測量電路的基礎(chǔ)上，在分壓器或分流器之后加入一級交流-直流（AC-DC）變換器形成的，主要由集成運算放大器.整流二極管.RC濾波器等組成，還包含一個能調(diào)整輸出電壓高低的電位器，用來對交流電壓進(jìn)行校準(zhǔn)之用，如圖3為所示.

系統(tǒng)中的電阻檔采用的是比例測量法，由穩(wěn)壓管ZD提供測量基準(zhǔn)電壓，流過標(biāo)準(zhǔn)電阻0 R和被測電阻X R 的電流基本相等.所以A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓RFE U 和輸入電壓IN U 有如下關(guān)系：

其電路如圖4所示.

2.4 顯示電路模塊

為了能夠更好的現(xiàn)實各種數(shù)字和符號，采用了12864LCD顯示器等組成顯示模塊.AT89S52通過將電壓信號的二進(jìn)制值進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換后的數(shù)值通過IO口輸出到LCD顯示實時數(shù)值，電路如圖5所示.

2.5 語音播放模塊

語音模塊采用ISD4003語音錄放芯片，是美國ISD公司推出的產(chǎn)品.該系列語音芯片采用多電平直接模擬存儲專利技術(shù)，聲音不需要A/D轉(zhuǎn)換和壓縮，每個采樣值直接存儲在片內(nèi)的閃爍存儲器中.ISD4003語音芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含晶體振蕩器.防混疊濾波器.平滑濾波器.自動靜噪.音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陳列等，因此只需很少的外圍器件就可構(gòu)成一個完整的聲音錄放系統(tǒng).芯片設(shè)計是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通過串行通信接口送入.采樣頻率可為4.0Hz?5.3Hz?6.4Hz?8.0kHz,頻率越低，單片錄放語音時間8~16min.

語音錄放模塊電路主要由L M 3 8 6功放電路.isd4003語音電路組成.LM386功放電路在放音電路中，輸出端選用低電壓通用集成功率放大器作為揚聲器的驅(qū)動電路.isd4003語音電路，錄音時通過外部按鍵控制錄音的開始和停止.錄完后，每段語音信號都存儲在一個不同的地址段，播放的時候，只要找到該段語音的起始地址就能播放出相應(yīng)的語音信號，語音錄放電路如圖6所示.

3.軟件設(shè)計

萬用表開啟時進(jìn)入測量及顯示狀態(tài)，并將顯示的數(shù)值及對應(yīng)的測量范圍進(jìn)行數(shù)字播報，主程序流程圖如圖7所示.

語音播報程序設(shè)計將根據(jù)AD采集的電壓信號進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換后的數(shù)值尋找存儲在語音芯片中的語音信息.每段語音都有一個不同的存儲地址，要播放相應(yīng)的語音信息，只要找到該語音信號的存儲地址即可.流程圖如圖8所示.

4.結(jié)論

通過采用了高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊對參數(shù)的測量提高了萬用表測量精度，同時采用12864顯示及語音播報芯片將通過語音和顯示多種人機交互方式為測量提供方便，將進(jìn)一步提高萬用表的實用性.因此具有自動語音播報數(shù)值功能的語音萬用表，會有較大的需求，設(shè)計具有較好的應(yīng)用前景.