【摘要】本設計采用AT89C51單片機作為系統的控制芯片，設計一個能測量電阻、電流、電壓、頻率和功率的數字式電參數測試儀，能在要求的范圍內準確測量各個參數，并能在數碼管顯示電路中顯示相應的數值，滿足相應的精度要求。本系統主要包括數據處理控制部分、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�？刂撇糠种饕捎脝纹瑱C進行數據處理和傳輸；其他各部分測量電路用于測量相應的參數與單片機對應的接口相接；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，顯示出對應參數值。由于電路在設計時，采用了較為巧妙的算法，測量精度高。
一、方案的選擇與說明
根據賽題要求，此數字式電參數測試儀至少要能測量電阻、電流、電壓、頻率和相應的功率，并且能顯示出來，因此本系統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，把軟件程序寫入單片機進行總的調試測量，使各個模塊能相互配合好，正常工作，總體能達到設計要求。本設計的優點是系統硬件模塊化，便于調試檢查，易于修改；系統軟件采用高級語言C語言進行編程，程序設計思路清晰，不易出錯，效率高；系統硬件電路多采用了運放環節，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、技術成熟、引腳較少，實物硬件布線較簡單，廣泛應用于各個領域。由于采用匯編語言編寫單片機應用系統程序的周期較長，調試和排錯也比較困難，產品開發周期長。為了提高編寫系統和應用程序的效率，改善程序的可讀性，可移植性，縮短產品的開發周期，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、穩壓四個環節，用變壓器把220V的交流電降壓變為一個小的、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，再經過穩壓電路穩壓產生直流穩壓電。
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壓電路，第二個方案是采用集成穩壓器組成的直流穩壓電路。對比兩個方案，由分立組件組成的直流穩壓電路需要外接不少元件，因而體積大，使用不便；而集成穩壓器是將穩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。本穩壓電路中用到的三端集成穩壓器有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.設計是有了兩個方案：方案一是將電阻的變化轉化為電壓的變化，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定不閃爍等優勢，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：使用數碼管顯示。數碼管具有耗能低、電壓低、壽命長、對外界環境要求低、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字，程序編譯容易，資源占用較少，操作簡單、經濟。
根據以上論述，采用方案二。在本系統中，我們采用 74HC245和74LS06 芯片驅動數碼管的顯示，單片機控制簡單，節省單片機的內部資源。
二、系統的硬件設計與實現
2.1 系統硬件的基本組成部分
本系統主要分為控制部分、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、處理信號和發送信號，以達到測量和顯示功能，包括單片機的最小系統，電路的撥碼開關部分和A/D轉換部分；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碼管，讓它顯示出測量數據，包括驅動芯片和六個共陰極的數碼管。
2.2 主要電路的設計與算法
1、主控制電路的設計
本設計是以AT89C51單片機為核心的控制電路，單片機外接撥碼開關，用于選擇測量何種電參數，并接上A/D轉換電路，把外部的模擬量信號轉換成數字量信號，再經過單片機內部信息處理，傳輸，從而驅動外部電路工作。本電路中用的是DIP6撥碼開關和MAX187A/D轉換芯片，MAX187是12位逐次逼近型A/D轉換芯片，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，內部基準電壓為4.096V，轉換速度為75KHZ，轉換時間為8.5us,可轉換0～4.096V模擬電壓。電路圖詳見附圖一。
2、直流電源電路的設計
本電路采用集成穩壓器組成的直流穩壓電路，220V交流電先通過變壓器變換為整流需要的交流電壓，經整流電路將交流電壓變換為單向脈動電壓，再經濾波電路濾去脈動的交流分量，最后通過三端集成穩壓器，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、頻率測量電路的設計
把一個電阻和二極管串聯，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，經過內部數據處理，可以測到對應的頻率。電路圖詳見附圖三。
4、電阻測量電路的設計
利用運算放大器LM324構成電壓比較器來測量電阻，電路圖詳見附圖四
5、電流測量電路的設計
利用在恒流兩端并聯一個電阻，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、顯示電路的設計
本設計中顯示電路采用的是數碼管顯示，把六個共陰極數碼管的各個引腳相對應的并接在一起，通過同相驅動器74HC245接到89C51的I/O口上，各個公共端通過反相驅動器74LS06接到89C51的I/O口上，當單片機與各驅動器連接的接口產生電平信號時，對應的數碼管顯示指定的數據。采用數碼管顯示電路，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、系統的軟件設計
本設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，因此本系統軟件的設計思路是先把各個模塊的程序編好，寫到單片機內部進行調試，當各個模塊的程序都調試好以后，把這幾個模塊的程序融合到一起，再次寫入單片機內部，進行整體調試，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該做什么，系統各種功能的實現主要通過調用具體的子程序。
四、測試結果與分析
1、測試儀器
數字示波器、數字頻率計、數字萬用表、直流穩壓電源、51系列仿真器、51單片機最小系統、計算機。
2、硬件測試
硬件調試時，可先檢查印制板及焊接的質量是否符合要求，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，應根據現象分析電路，排除電路的錯誤，確保電路正確。
3、軟件測試
軟件測試應該先通過程序的編譯，再在硬件電路正確的基礎上調試。在硬件電路正確的前提下，把編譯通過的程序寫進單片機芯片內部，運行，調試，分析，直到整個程序能控制電路，達到要求。
4、測試數據與分析
五種參數除了功率未做好外，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。由于時間的關系，此次功率模塊未做完整，方案已經確定了，并且電路圖也設計出來了，也做了理論分析，可行性較高，希望在賽后能繼續做下去，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都完成了，根據試題要求，此數字式電參數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計要求。在比賽的四天時間當中，我們做了一個很好的規劃，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，使得我們的任務能夠按時的完成，基本滿足題目要求。在電路的設計中，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，理論與實際的結合，要想保證可*性，只有不斷的在實踐中積累經驗，熟練技術。本次在軟件與硬件的結合調試中用了很多時間，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
1、《模擬電子技術》 主編：章彬宏 吳青萍 北京理工大學出版社
2、《單片機應用技術》 主編：倪志連 北京理工大學出版社
3、《PROTEL99SE應用技術》 主編：及力 電子工業出版社
4、《電子技術基礎》 主編：康華光 高等教育出版社
5、《全國大學生電子設計競賽系統設計》 主編：黃智偉 北京航空航天大學出版社