【摘要】本設(shè)計采用AT89C51單片機作為系統(tǒng)的控制芯片，設(shè)計一個能測量電阻、電流、電壓、頻率和功率的數(shù)字式電參數(shù)測試儀，能在要求的范圍內(nèi)準確測量各個參數(shù)，并能在數(shù)碼管顯示電路中顯示相應(yīng)的數(shù)值，滿足相應(yīng)的精度要求。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)處理控制部分、電阻測量電路、電流測量電路、電壓測量電路、頻率測量電路、功率測量電路、直流電源模塊和顯示電路幾個模塊。控制部分主要采用單片機進行數(shù)據(jù)處理和傳輸；其他各部分測量電路用于測量相應(yīng)的參數(shù)與單片機對應(yīng)的接口相接；電源模塊主要是給單片機和其他電路供電；顯示電路與單片機相接，接收單片機信號，顯示出對應(yīng)參數(shù)值。由于電路在設(shè)計時，采用了較為巧妙的算法，測量精度高。
一、方案的選擇與說明
根據(jù)賽題要求，此數(shù)字式電參數(shù)測試儀至少要能測量電阻、電流、電壓、頻率和相應(yīng)的功率，并且能顯示出來，因此本系統(tǒng)主要包括主控制電路、電阻測量電路、電流測量電路、電壓測量電路、頻率測量電路、功率測量電路、顯示電路和直流電源電路幾個模塊，設(shè)計思路是先把各個模塊的硬件電路和軟件編程做好，能保證精度要求和可*性，最后把各個模塊集中到一起，通過AT89C51單片機進行整體控制，總硬件電路連接好以后，把軟件程序?qū)懭雴纹瑱C進行總的調(diào)試測量，使各個模塊能相互配合好，正常工作，總體能達到設(shè)計要求。本設(shè)計的優(yōu)點是系統(tǒng)硬件模塊化，便于調(diào)試檢查，易于修改；系統(tǒng)軟件采用高級語言C語言進行編程，程序設(shè)計思路清晰，不易出錯，效率高；系統(tǒng)硬件電路多采用了運放環(huán)節(jié)，得到了很多好處，最突出的部分是在電阻測量電路中用了運放，它使得電壓和電阻之間成線性關(guān)系，這大大減輕了軟件編程的難度，同時提高了運行效率，測量的精度也提高了。
圖1-1 系統(tǒng)組成方框圖
1.1 主控制器方案選擇
控制器主要用于信號的采集、處理和傳輸，本控制器采用ATMEL公司的AT89C51作為系統(tǒng)控制器。它運算功能強，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、成本低、體積小、技術(shù)成熟、引腳較少，實物硬件布線較簡單，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。由于采用匯編語言編寫單片機應(yīng)用系統(tǒng)程序的周期較長，調(diào)試和排錯也比較困難，產(chǎn)品開發(fā)周期長。為了提高編寫系統(tǒng)和應(yīng)用程序的效率，改善程序的可讀性，可移植性，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，我們采用高級語言C語言編寫此程序。
1.2 直流電源方案選擇
本系統(tǒng)用到的直流電源主要有+5V、+12V和-12V三個等級的電壓，此電路模塊包括變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)，用變壓器把220V的交流電降壓變?yōu)橐粋�小的、較合適的交流電，通過整流電路進行整流，采用電容進行濾波，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓產(chǎn)生直流穩(wěn)壓電。
我們考慮了有兩種方案：第一個方案是采用由分立組件組成的直流穩(wěn)壓電路，第二個方案是采用集成穩(wěn)壓器組成的直流穩(wěn)壓電路。對比兩個方案，由分立組件組成的直流穩(wěn)壓電路需要外接不少元件，因而體積大，使用不便；而集成穩(wěn)壓器是將穩(wěn)壓電路的主要元件甚至全部元件制作在一塊硅基片上的集成電路，因而具有體積小、使用方便、工作可*等特點。故我們選擇方案二。本穩(wěn)壓電路中用到的三端集成穩(wěn)壓器有L7805、L7812、L7912三種。
1.3 頻率測量方案選擇
在輸入信號為1V的方波信號時，要求測試儀能測量的頻率范圍是100HZ～10KHZ,相對誤差≤1%，本電路設(shè)計采用LM324芯片作比較器，把1V的方波信號與一定值的電壓信號作比較，然后產(chǎn)生高低電平，并且比較后的方波信號放大到5V左右，此方波信號輸入到單片機里面，通過軟件編程，從而可測出頻率并顯示出來。
1.4 電阻測量方案選擇
本電路設(shè)計分成兩個檔位，一個檔位測量的范圍是100Ω～1KΩ，另一個檔位測量的范圍是1KΩ～10KΩ.設(shè)計是有了兩個方案：方案一是將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，然后送入A/D采樣來測量電阻。利用繼電器的閉合來選通測哪個阻值，這種方法測量使得電壓與電阻之間不成線性關(guān)系，測量誤差較大，而且還使得軟件編程更加困難。方案二是利用運算放大器LM324構(gòu)成電壓比較器來測量電阻。這種方案在測量的過程中電壓與電阻成線性關(guān)系，且測量的精度較高。綜上所述，所以選擇方案二。
1.5 電流測量方案選擇
利用在恒流兩端并聯(lián)一個電阻，因為供電電源為恒流源，它不受負載的變化而改變。題目中要求的電流范圍在100UA～10MA之間，通過并聯(lián)一個1K的電阻，將使得電壓測量范圍在100MV～10V之間，此方案完成了電流和電壓的測量。
1.6 功率測量方案選擇
通過間接采樣的方法測量功率，因為MAX187只有一路模擬量輸入通道，首先讓電壓送入A/D采樣，通過1S的延時，讓電流信號送入A/D采樣，利用公式P=U*I可測算出功率的大小。
1.7顯示方案選擇
顯示電路是顯示當前被測參數(shù)的值，我們考慮有以下兩種方案：
方案一：使用液晶屏顯示。液晶顯示屏（LCD）具有超薄輕巧、低耗電量、無輻射，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高等特點。但是由于液晶顯示屏是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器的資源占用較多，其成本也偏高，而且在使用液晶顯示屏時不能有靜電干擾，否則容易燒壞顯示芯片，維護不方便。
方案二：使用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有耗能低、電壓低、壽命長、對外界環(huán)境要求低、易于維護等特點，同時其精度比較高，稱量快，精確可*，操作簡單。它是采用二進制編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少，操作簡單、經(jīng)濟。
根據(jù)以上論述，采用方案二。在本系統(tǒng)中，我們采用 74HC245和74LS06 芯片驅(qū)動數(shù)碼管的顯示，單片機控制簡單，節(jié)省單片機的內(nèi)部資源。
二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)硬件的基本組成部分
本系統(tǒng)主要分為控制部分、測量部分和顯示部分，控制部分主要是通過單片機采集信號、處理信號和發(fā)送信號，以達到測量和顯示功能，包括單片機的最小系統(tǒng)，電路的撥碼開關(guān)部分和A/D轉(zhuǎn)換部分；測量部分包括電阻、電流、電壓、頻率、功率電路；顯示部分主要是用軟件程序控制數(shù)碼管，讓它顯示出測量數(shù)據(jù)，包括驅(qū)動芯片和六個共陰極的數(shù)碼管。
2.2 主要電路的設(shè)計與算法
1、主控制電路的設(shè)計
本設(shè)計是以AT89C51單片機為核心的控制電路，單片機外接撥碼開關(guān)，用于選擇測量何種電參數(shù)，并接上A/D轉(zhuǎn)換電路，把外部的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，再經(jīng)過單片機內(nèi)部信息處理，傳輸，從而驅(qū)動外部電路工作。本電路中用的是DIP6撥碼開關(guān)和MAX187A/D轉(zhuǎn)換芯片，MAX187是12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換芯片，為8引腳雙列直插式封裝，具有1個模擬量通道，單一+5V電源供電，內(nèi)部基準電壓為4.096V，轉(zhuǎn)換速度為75KHZ，轉(zhuǎn)換時間為8.5us,可轉(zhuǎn)換0～4.096V模擬電壓。電路圖詳見附圖一。
2、直流電源電路的設(shè)計
本電路采用集成穩(wěn)壓器組成的直流穩(wěn)壓電路，220V交流電先通過變壓器變換為整流需要的交流電壓，經(jīng)整流電路將交流電壓變換為單向脈動電壓，再經(jīng)濾波電路濾去脈動的交流分量，最后通過三端集成穩(wěn)壓器，得到所需的平滑直流電壓。本電路用的是L7812、L7805和L7912三種集成穩(wěn)壓器，此種芯片具有體積小、使用方便、工作可*等特點。電路圖詳見附圖二。
3、頻率測量電路的設(shè)計
把一個電阻和二極管串聯(lián)，用+5V的直流電供電，用LM324作電壓比較器，同相輸入端接1V的方波信號，反相輸入端接在二極管上端，取二極管的管壓降作為比較基準電壓，把1V方波電壓信號與此基準電壓做比較，從而可以得到一個新的方波電壓信號，并且幅值增大到了5V，供單片機采樣，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，可以測到對應(yīng)的頻率。電路圖詳見附圖三。
4、電阻測量電路的設(shè)計
利用運算放大器LM324構(gòu)成電壓比較器來測量電阻，電路圖詳見附圖四
5、電流測量電路的設(shè)計
利用在恒流兩端并聯(lián)一個電阻，因為供電電源為恒流源，它不受負載的變
化而改變，電路圖詳見附圖五。
6、功率測量電路的設(shè)計
通過間接采樣的方法測量功率，利用繼電器選通測量電路，因為MAX187只有一路模擬量輸入通道，首先讓電壓送入A/D采樣，通過1S的延時，讓電流信號送入A/D采樣，利用公式P=U*I可測算出功率的大小。電路圖詳見附圖六。
7、顯示電路的設(shè)計
本設(shè)計中顯示電路采用的是數(shù)碼管顯示，把六個共陰極數(shù)碼管的各個引腳相對應(yīng)的并接在一起，通過同相驅(qū)動器74HC245接到89C51的I/O口上，各個公共端通過反相驅(qū)動器74LS06接到89C51的I/O口上，當單片機與各驅(qū)動器連接的接口產(chǎn)生電平信號時，對應(yīng)的數(shù)碼管顯示指定的數(shù)據(jù)。采用數(shù)碼管顯示電路，程序編譯容易，資源占用較少，操作簡單。電路圖詳見附圖七。
8、元器件清單
元器件清單詳見附表一。
三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計
本設(shè)計采用的編程語言是C語言，它具有很強的表達能力及可移植性，運算速度快，編譯效率高，因此本系統(tǒng)軟件的設(shè)計思路是先把各個模塊的程序編好，寫到單片機內(nèi)部進行調(diào)試，當各個模塊的程序都調(diào)試好以后，把這幾個模塊的程序融合到一起，再次寫入單片機內(nèi)部，進行整體調(diào)試，直到程序能完成工作。主程序主要起到一個導向和決策的功能，決定什么時候整個系統(tǒng)該做什么，系統(tǒng)各種功能的實現(xiàn)主要通過調(diào)用具體的子程序。
四、測試結(jié)果與分析
1、測試儀器
數(shù)字示波器、數(shù)字頻率計、數(shù)字萬用表、直流穩(wěn)壓電源、51系列仿真器、51單片機最小系統(tǒng)、計算機。
2、硬件測試
硬件調(diào)試時，可先檢查印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊點及線路間有無短路、斷路，然后通上電，檢測電路，直到電路無誤，如有錯誤，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)象分析電路，排除電路的錯誤，確保電路正確。
3、軟件測試
軟件測試應(yīng)該先通過程序的編譯，再在硬件電路正確的基礎(chǔ)上調(diào)試。在硬件電路正確的前提下，把編譯通過的程序?qū)戇M單片機芯片內(nèi)部，運行，調(diào)試，分析，直到整個程序能控制電路，達到要求。
4、測試數(shù)據(jù)與分析
五種參數(shù)除了功率未做好外，其他幾個都可以準確測量，并且測量的精度也能基本滿足要求。由于時間的關(guān)系，此次功率模塊未做完整，方案已經(jīng)確定了，并且電路圖也設(shè)計出來了，也做了理論分析，可行性較高，希望在賽后能繼續(xù)做下去，以檢驗方案的正確性。
五、心得體會
通過了四天時間的努力，終于把競賽的基本任務(wù)都完成了，根據(jù)試題要求，此數(shù)字式電參數(shù)測試儀至少要能測量電阻、電流、電壓、頻率、功率，并且要滿足一定的精度要求，我們制作的測試儀剛好能滿足設(shè)計要求。在比賽的四天時間當中，我們做了一個很好的規(guī)劃，從比賽一開始，我們精心的選題，在選定好試題后，先總體分析一下題目的要求，再確定選擇的方案，三個人分工負責，一個人負責硬件搭接，一個人負責軟件編程，另一個人則負責畫圖，書寫報告，通過我們明確分工，合理的利用時間，使得我們的任務(wù)能夠按時的完成，基本滿足題目要求。在電路的設(shè)計中，我們遇到過很多問題，但是通過我們隊員之間商討，不斷的查閱資料，最終使得這些問題得以解決，我相信遇到的這些問題在以后同樣遇到時就很容易解決了。
通過這次競賽，我們不僅增強了動手能力，進一步加深了對理論知識的理解和掌握，還學到了許多實踐性的東西，例如：焊電路板、對電路的檢查、分析。并深刻體會到了共同協(xié)作和團隊精神的重要性。此外，還意識到了電路可*性的問題，理論與實際的結(jié)合，要想保證可*性，只有不斷的在實踐中積累經(jīng)驗，熟練技術(shù)。本次在軟件與硬件的結(jié)合調(diào)試中用了很多時間，在軟件編程方面還有欠缺，有待今后不斷的學習和實踐。
六、參考文獻
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5、《全國大學生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計》 主編：黃智偉 北京航空航天大學出版社