[原创]尝试设计准智能型万用表自动关机电路

闻太师

看了很多给万用表DIY加装自动关机电路的帖子，其基本原理都是简单的定时器，超时后切断电源。这种方案有一个弊端，即定时器从开机开始计时，即使万用表一直在用，到时间后仍然会自动关机。时间设短了频繁关机很不爽，时间设长了又空耗电。


好点的万用表自带的关机电路比较智能，只要用户按了表上的按键，扭动了转盘，甚至读数不为空值，都会把定时器清零，只有真的一段时间没有使用才会关机。要达到这种效果，需要万用表的控制芯片支持。如果万用表本身不支持，自己改装想达到同样的效果难度较大。即使能做到，也要对主板做很多改动。

本文尝试使用一种新思路（所谓的相是相对的，很可能有人已经做过了），在尽量不改动主板的情况下，改善自动关机电路的使用体验。
万用表在使用的时候，用户一般会经常做换档、按键之类的操作。使用振动开关可以检测到这种操作，然后把定时器清零。如果一段时间没有操作，定时器超时，自动关机。
这种工作使用单片机最方便，外加少数几个外围元件就能搞定。本人之前做过一款基于单片机的5V版本，使用效果良好。可是很多朋友不熟悉单片机，为此本人尝试设计一款不用单片机的9V方案，供不熟悉单片机的朋友参考。



电路如图所示，S1代表万用表电源开关，Load代表万用表主板。S2为滚珠型振动开关，静止时为导通状态，振动时反复通断。
R2、C1组成定时器电路，上电后通过R2给C1充电，C1对地电压不断上升，Q4栅源电压Vgs（实际是绝对值）不断下降。当Vgs低于其开启电压时，Q4截止，万用表主板断电。
R1、S2、Q1、Q2组成定时器复位清零电路。静止时，S2导通，Q1、Q2截止。检测到振动时，S2短暂断开，Q1、Q2导通，C1放电。因Q1、Q2的beta相乘后很大，所以放电电流很大，可以短时间内把C1储存的电荷近似放光，定时器复位清零。静止后S2重新导通，Q1、Q2截止，R2、C1继续充电计时，超时后Q4截止。
因为C1对地电压是逐渐上升的，即Q4的栅源电压Vgs是逐渐下降的，所以Q4并不是Vgs一旦小于开启电压立即截止，而是导通电阻Ron逐渐增大直至完全截止。这一过程中万用表主板电压逐渐下降，有可能会处于无法正常工作状态，至使测量结果不准确。为此，电路中增加了Q3、R3组成的加速电路，加快Q4的截止过程。
当Q4 Vgs低于开启电压时，导通电阻Ron开始增大，与Load（万用表主板）分压，使Q4源漏电压Vsd增大。当Vsd增大到0.6V左右时，Q3导通，加速给C1充电。C1电压升高又导致Q4 Vgs进一步减小，Ron增大，Vsd增大，Q3电流进一步加大..... 促使Q4迅速截止。

眼尖的朋友可能会提出手动关机后C1的放电问题，即手动关闭万用表电源开关后，C2无法迅速放电，再次手动打开电源开关后定时器还是原来的“计数”。
这个问题不用太担心，因为手动打开电源开关时，振动开关S2会检测到振动，C2迅速放电。

R2、C1的数值决定定时器时长，增大C1可增大时长，估算方法如下：
Bss84开启电压典型值为1.6V，即C1对地电压7.4V。7.4/9约为82%，约等于2*R2*C1。R2取10MΩ，C1取10uF，时长约为100秒，即3分多钟，差不多够用了。

功耗分析：静止且未超时状态，只有R1耗电，电流约为0.9uA。且止且已超时状态，R1、Q3、R3耗电，电流约为10uA。

元件选型：图中所标型号即可，8050、8550、BSS84都是很常用的元件，几分钱一个。振动开关一定要选滚珠型，千万不要选弹簧型，弹簧型的灵敏度太低。

最后：前后一共画了几款电路，本套是其中相对简单实用的一套，其它几套功能更加完善一点电路也更加复杂。哪位如果有兴趣欢迎沟通交流。

闻太师

simmegz 发表于 2023-12-28 17:26
我觉得楼主的方向错了，万用表耗电量太少了，完全不必要自动关机，我就喜欢用没有自动关机的表，万用表从不 ...

DIY的本质就是图一乐呵，能把想法实现了就是对，没实现才是错。又不是公司产品立项，需要考虑成本效益。

liqh

能自己设计电路，很是厉害

yiguangqiang

这个比我的好啊，我的用了358.一路运放设计为延时电路，另一路从液晶段码的十位数中间字段，一旦这个笔画点亮就释放延时电路的电容电压，重新开始计时。
用了好多年

闻太师

yiguangqiang 发表于 2023-10-18 13:39
这个比我的好啊，我的用了358.一路运放设计为延时电路，另一路从液晶段码的十位数中间字段，一旦这个笔画点 ...

液晶段码的十位数中间字段
是从右往左第2个日字中间那横？

闻太师

滚珠型振动开关，静止时绝大多情况为导通，偶尔为断开。这导致一楼的电路有一个缺陷，静止时S2会有极小概率一直处于断开状态，C1一直放电。结果是定时失效，超时无法自动关机。




为此本楼给出一种改进型方案，电路和如下图所示。


R1、S2组成振动检测电路，把振动转化为高低电平。
R2、R3、Q1、Q2组成上拉增强电路。
C1、R5组成微分电路。
因为S2为常闭型，为了省电R1阻值不能取太小。S2导通时，A点为低电平。S2断开时，R1把A点上拉为高电平。因为R1阻值很大，此上拉很弱，不足矣驱动微分电路。
后边接入上拉增强电路后：
S2导通时，Q2截止，Q3截止，A点还是低电平。
S2断开时，由于R1、R2的分压作用，A点近似V1/2。Q2饱和导通，Q3饱和导通，R1被Q1短路，A点上升为V1，此为强上拉。
A点为高时，C1迅速充电至V1，电压左正右负，B点从V1迅速下降为零，形成一个正脉冲。在此正脉冲作用下，Q3短暂导通后变为截止，C2迅速放电。
A点为低时，C1迅速放电至零，电压为左正右负，B点形成一个负脉冲。此时Q3截止。
S2长时间导通或断开时，B点对地电压都是零，Q3截止。
可见，只有在振动使S2通断状态变化时，C2才会被放电。S2常通或常断，C2不会被放电，C2正常充电计时，解决了开头所说的问题。

闻太师

滚珠型振动开关，静止时绝大多情况为导通，偶尔为断开。这导致一楼的电路有一个缺陷，静止时S2会有极小概率一直处于断开状态，C1一直放电。结果是定时失效，超时无法自动关机。



为此本楼给出一种改进型方案，电路和如下图所示。


R1、S2组成振动检测电路，把振动转化为高低电平。
R2、R3、Q1、Q2组成上拉增强电路。
C1、R5组成微分电路。
因为S2为常闭型，为了省电R1阻值不能取太小。S2导通时，A点为低电平。S2断开时，R1把A点上拉为高电平。因为R1阻值很大，此上拉很弱，不足矣驱动微分电路。
后边接入上拉增强电路后：
S2导通时，Q2截止，Q3截止，A点还是低电平。
S2断开时，由于R1、R2的分压作用，A点近似V1/2。Q2饱和导通，Q3饱和导通，R1被Q1短路，A点上升为V1，此为强上拉。
A点为高时，C1迅速充电至V1，电压左正右负，B点从V1迅速下降为零，形成一个正脉冲。在此正脉冲作用下，Q3短暂导通后变为截止，C2迅速放电。
A点为低时，C1迅速放电至零，电压为左正右负，B点形成一个负脉冲。此时Q3截止。
S2长时间导通或断开时，B点对地电压都是零，Q3截止。
可见，只有在振动使S2通断状态变化时，C2才会被放电。S2常通或常断，C2不会被放电，C2正常充电计时，解决了开头所说的问题。

kindzhon

如果长时间只用表笔测量，就不会震动了。能不能想办法测量表笔在不在动？

闻太师

kindzhon 发表于 2023-10-18 17:41
如果长时间只用表笔测量，就不会震动了。能不能想办法测量表笔在不在动？ ...

这好办啊，电路元件不多，全部使用贴片元件的话很容易集成在一个细长的条状PCB上。用塑料管DIY个表笔，PCB装在表笔里。或者只把震动开关装在表笔里也行。
只不过这样需要额外从万用表里引出几根线，稍麻烦一点。

lijielzj

自动关机，根本不需要，改了锂电以后，电池充一次用一半年。

wqwq212

方法挺好，厂家提供的不适合个性需求。

firn

yiguangqiang 发表于 2023-10-18 13:39
这个比我的好啊，我的用了358.一路运放设计为延时电路，另一路从液晶段码的十位数中间字段，一旦这个笔画点 ...

我倒是觉得你的办法好 只要变化就认为在使用
有个问题是 如果是小信号档 比如mV  数字会一直抖动吧 那不是一直释放电压关不了

kindzhon

闻太师 发表于 2023-10-18 17:51
这好办啊，电路元件不多，全部使用贴片元件的话很容易集成在一个细长的条状PCB上。用塑料管DIY个表笔，PC ...

哈哈，这多麻烦，不如把振动传感器装一个笔的线上就行了，还只用两根线。

闻太师

kindzhon 发表于 2023-10-19 17:09
哈哈，这多麻烦，不如把振动传感器装一个笔的线上就行了，还只用两根线。 ...

这也是个办法。
不管是把振动开关装在表笔里还是笔线上，都要考虑干扰问题。
为了省电，振动开关的上拉/下拉电阻的阻值比较高，二者之间的连线长了容易受空间电磁场干扰，引起电路误动。因此最好采用屏蔽线。

tomyluo

也可以利用万用表的蜂鸣器或者指示灯，一些表只要切换挡位就会发出嘀嘀声且指示灯闪亮一下，利用这个信号作为操作检测

yiguangqiang

firn 发表于 2023-10-19 16:34
我倒是觉得你的办法好 只要变化就认为在使用
有个问题是 如果是小信号档 比如mV  数字会一直抖动吧 那不 ...

是的，没有去个位数取就是这个原因。当时也考虑从百位数取，担心它可能在正常使用时不跳变，所以折中取的十位数。
这个比较适合一个码段一个引脚的显示方案，比如7106（我当时是一个830B+的万用表）

yiguangqiang

闻太师 发表于 2023-10-18 14:11
液晶段码的十位数中间字段
是从右往左第2个日字中间那横？

是的。这个方案比较适合使用7106之类的数字表，每个字的码段有单独引脚的

闻太师

yiguangqiang 发表于 2023-10-20 08:28
是的。这个方案比较适合使用7106之类的数字表，每个字的码段有单独引脚的 ...

假设测电压，如果电压不超过19V，即使不断变化，应该也不能自动关机了吧？

Google Earth

楼主昵称眼熟，似乎在那个坛子里很有名，不知道什么原因被禁言了，连同多篇置顶精华帖也没了

闻太师

以上两个版本在超时断电关机后，如果再次检测到振动，仍回重新上电开机，重新开始计时。这在某些时候可能不太方便，为此又设计了几款改进方案，超机关机后锁定状态，即使振动也不再开机。
超时后一旦锁定，必须考虑定时电容的放电问题，不然手动关机后短时间内再次开机，因为定时电容未放电，仍然处于超时状态。
手动关闭电源开关后放电的思路为：电源对地接一下拉电阻，电源开关闭合时此电阻为高电平，电源开关断开后被下拉为低电平。用此电平驱动晶体管即可完成放电。
然而，以上两个方案中用于加速MOS管关闭的BJT，在电源开关关闭后，在计时电容的作用下，集电结正向偏置，发射结反向偏置。这种状态下，BJT仍有放大作用，只不过β通常小于10。
前述的下拉电阻置于此BJT的发射极和地之间，除非此电阻远小于基极电阻，否则此BJT将处于饱和状态，下拉电阻对地电压近似为计时电容对地电压。结果就是无法用此电平驱动放电晶体管。


如果把加速BJT改成MOS能否避免这一现象呢？
如下图右半部分，S1关闭后C2对地为高电平，由于Q1 DS间的寄生二极管，DS之间是导通的所以R1上端也是高电平。而且，因为Q1 GD为负电压，DS导通，GS也为负电压，Q1处于完全导通状态。

可见加管BJT改为MOS无法避免这一现象。所以要实现手动关闭电源开关后定时电容快速放电，就不能使用之前的MOS管加速关闭电路。不用MOS管加速关闭电路，还要使MOS管在定时电容电压达到阈值时快速关闭，就不能用定时电容的电压直接驱动MOS管，而是将定时电容的电容对过比较器与特定阈值比较，用比较器的输出信号驱动MOS管。
能完成比较器功能的元件有比较器、运放、TL431之类元件，但此类元件工作电流相对比较大，少说也得几十微安。555也是一个选择。仔细分析后发现555在此场景下性价比不高，至多能充当比较器的角色。
4000系列反相器也是个不错的选择。反相器也是有阈值的，通常为Vcc/2。其输入-输出传输特性曲线虽说没有比较器那么陡峭，但此应用场景也足够用了。此外，反相器还可以起到信号缓冲作用（当然是反向缓冲了），代替方案2中的上拉增加电路。
按此思路，本着尽量使用4000系列IC内部的逻辑门电路，减少外围元件，先后画了CD4069六反相器、CD4011四与非门、CD4001四或非门三种方案。先吃饭了，具体电路晚上再发。

闻太师

tomyluo 发表于 2023-10-19 18:44
也可以利用万用表的蜂鸣器或者指示灯，一些表只要切换挡位就会发出嘀嘀声且指示灯闪亮一下，利用这个信号作 ...

具体表具体对待可以想出很多更适合的方案。
本文的目的是搞一款通用、少改万用表原电路的方案。
受你启发想到一个新思路，用人体接近传感器驱动定时器，半米内有人就把定时器清零，超时后关机。
这个方案的核心是人传感器的功耗，红外型的估计电流比较大，电容型的电流应该小点就是不知道能不能做到半米的检测距离。