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竞赛报告

装订线

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加密号：

加密号：

学校编号：

NGZY-H-001

学校名称：

黑龙江农业工程职业学院

队员姓名：

李宝义杨建国吴明龙

赛点负责人：

张晓峰

教务处章：

2010年8月

目录

摘要.............................................................3

1设计题目及要求（略）.............................................3

2系统总体方案设计................................................4

2．1方案一

2．2方案二

2．3方案三

2．4方案的论证与比较

3系统硬件设计与实现.............................................5

3.1核心控制模块设计.............................................5

3.2单元模块设计................................................6

3.2.1电压测量模块...............................................6

3.2.2电流测量模块...............................................6

3.2.3电阻测量模块...............................................7

3.2.4频率测量模块..............................................8

3.2.5A/D转换模块...............................................8

3.2.6显示模块..................................................9

3.2.7其他特色设计................................................9

4系统软件设计与实现.............................................10

4.1主程序流程图

4.2电压测量处理流程图

5测试条件与测试结果..............................................11

摘要

我们设计制作的数字式电参数测试仪能测量直流电压、直流电流、电阻、交流信号频率等电参数，实现了设计题目中基本要求和发挥部分的绝大部分功能。

本数字式电参数测试仪设计了四个测量端子，分别是电压/电阻测量端子，电流测量端子，频率测量端子和公共接地端子，与万用表的电参数测量方法相似，并且用两个按键进行功能选择，可根据被测参数大小自动切换量程，保证测量精度，用点阵式液晶12864显示测量结果，操作方便，显示信息清晰美观。

数字式电参数测试仪以ATmega128单片机作为核心控制器件，用按键进行测量功能选拔，用继电器进行量程自动切换。

被测信号经调理电路输出到24位∑-△模数转换器AD7714进行模数转换，转换后的数据再经单片机处理送输出显示。

整个硬件系统由核心控制单元、直流电压、直流电流、电阻、频率、A/D转换、LCD液晶输出显示和短路报警等部分构成。

为了保证测量精度，设计方案中选用了高精密电阻以保证调理电路参数的准确性，采用继电器实现量程的自动转换，能最大程度减少接触电阻对测量电路的影响。

为了减小继电器触点动作对其他电路产生的干扰，用光电耦合电路加以隔离，既增加了抗干扰能力，又使被测信号与控制信号无直接电联系，系统安全性更高。

在系统电路板上设计制作了ISP下载接口和JATG仿真接口，使系统能够在线编程和调试。

总之，本次设计制作的电参数测试仪具有测量精度高，能自动转换量程，测量速度快，所有测量挡都可以直接读数（同时显示单位，不用换算、倍乘），抗干扰能力强，性能稳定，使用方便等优点，实现了题目要求的所有功能。

关键词：

ATmega128L自动切换量程AD7714

2系统总体方案设计

要实现题目中的各项设计指标，必需采用数字化测量技术，把连续变化的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示。

本设计重点要解决的问题是对不同类型的各种测量信号进行转换，还有就是各部分电路组合成一个完整的电参数测量仪表，而难点在于硬件与软件有机结合实现测量的精度。

要实现模拟量的数字化，则需要用模数转换技术，而要实现题目中的诸多智能功能，就要采用核心控制单元进行统一控制，可采用微控制器（单片机）、可编程逻辑器件等实现。

采用了单片机为核心模块进行数据处理和显示控制，而市场上的单片机种类繁多，主流的51、AVR、PIC、MSP430等等，他们各有千秋，但就我们目前所接触到的单片机知识，51和AVR是首选。

本设计硬件电路从测量功能分为直流电压测量模块、直流电流测量模块、频率测量模块、电阻测量模块、核心控制模块、A/D转换模块、LCD液晶显示及短路报警等八部分组成。

系统电路框图如图2-1所示。

从系统的角度可分为：

输入信号处理、模数转换、数据处理、结果输出等部分。

本文主要从测量功能的实现角度进行总体方案设计的论证。

短路报警模块（）

核

心

控

制

模

块

电流测量模块

A/D转换模块

电参数输入

液晶显示模块

电压测量模块

电阻测量模块

频率测量模块

基准电压

功能按键

图2-1系统总体硬件框图

2．1方案一

采用51系列单片机中的AT89S52作为系统控制单元，选用10位AD转换器tlc1549，用LM358作为放大器，用8路模拟开关，可自动选择相应的量程，实现智能化，将被测的各种电参数转换成电压信号，通过A/D转换，然后经单片机运算处理后，送给显示LED显示。

51单片机具有价格低廉，使用方便、技术资料多，应用广泛等诸多优点，但其运行速度慢、ROM容量少、抗干扰能力和端口驱动能力相对较差等缺点。

2．2方案二

采用AVR的ATmega64或ATmega128作为系统控制单元，用其内部自带的8路10位ADC，可有效减少外围器件的数量。

ATMEGA128单片机是基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS处理器，具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，内部带有128KB的系统内可编程FLASH程序存储器，4KB的EEPROM，4KB的SRAM，53个通用I/O端口线等功能。

ATMEGA128单片机的吞吐率高达1MISP/MHZ，可以缓件系统的功耗和处理器速度之间的矛盾。

2．3方案三

采用AVR单片机ATmega64或ATmega128L单片机作为系统控制单元，选用高分辨率A/D转换芯片，如AD7714为主体结构。

当然还可以有其他类似方案，由于篇幅所限，不再说明。

2．4方案的论证与比较

方案一，由于题目中对测量及显示刷新周期有要求，51单片机运算速度较慢，且选用10位AD转换器精度不能全部达标。

方案二，用AVR单片机作为系统控制单元，利用其片内的10位ADC，虽然可减化电路设计，但其10的AD转换分辨率仍难以满足题目要求。

方案三，采用AVR单片机作为系统控制单元，用AD7714为AD转换器，这款芯片使用了和-差（Σ-Δ）转换技术，具有高达24位的无误码性能，而实验室现有ATmega128和AD7714，利用ATmega128AD7714的完美组合将能够很好地实现题目中要求的各项指标。

因此，最终选择了方案三。

3系统硬件设计与实现

3.1核心控制模块设计

参照ATmega128DataSheet设计其最小系统（主要包括电源、晶振、复位、ISP和JTAG接口），预留了与继电器、光电耦合器、LCD12864、AD7714等器件之间的接口），并设计了两个工作指示灯DS1、DS2。

在PF口设置了两个功能键，其中S2是测量功能选择，每按一次进行一次功能转换，S1是保持键，按下后可保持测量数据不变。

设计的核心控制模块如图3-1所示。

图3-1核心控制模块最小系统（剖分）及功能按键电路图

3.2单元模块设计

3.2.1电压测量模块设计

采用图3-2的分压电路扩展电压表的量程，为了减少测量电路对被测电压的影响，采用了高输入阻抗分压电路。

R16和R17是两个高精度采样（分压）电阻，输入阻抗R总=R16+R17=10M。

设计了100mv～1v和1v～10v两个档位，经AD0将数据送到A/D转换模块中的AD7714中进行数据的转换。

通过控制Relay3的高低电平，控制继电器K6的动作来切换量程，D6用来保护三极管Q6。

图3-2电压测量模块电路图

3.2.2电流测量模块设计

电流的测量原理是用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量，测量电路如图3-3所示。

若数字直流电压表的电压量程为

，欲使电流档量程为

，则该档的取样电阻（也称分流电阻）为

如

=1000

，则

=10

档的分流电阻为R=100Ω。

将电流分为了三个档位：

100uA～0.1mA、0.1mA～1mA、1mA～10mA

因为题目要求电流最小值为100uA，电压最小值为100mV,所以最小采样电阻为R36=100mV/100uA=10Ω。

依次类推，可得出R35=[（1v-100mv）/（0.9mA-100uA）]-R36=90Ω。

R34=[（10v-100mv）/（10mA-100uA）]-R35-R36=900Ω。

仍采用了和电压量程切换一样的方法，即使用继电器的动作来切换量程。

图3-3电流测量模块电路图

3.2.3电阻测量模块设计

电阻测量采用比例测量法，设计的电路如图3-4所示。

由集成恒压芯片AD780提供2.5V的基准电压，流过标准电阻R0和被测电阻RX的电流基本相等。

所以参考电压UREF和电压UAD2有如下关系：

UREF/UAD2=R0/RX即RX=（UAD2/UREF）R0

因为当采样电阻与测量电阻相近时，所测的电阻更加精确，又因为题目中所要求的电阻测量范围为100Ω～1MΩ，将电阻测量部分分为了100Ω～1K、1K～10K、10K～100K、100K～1MΩ这四个档位，并通过继电器的动作来进行档位的切换，五个高精采样电阻的阻值分别是R9=900KΩ，R10=90KΩ,R11=9KΩ,R12=900Ω,R13=100Ω。

图3-4电阻测量模块电路图

3.2.4频率测量模块

被测频率信号通过运算放大器LM358放大整形后输出给闸门电路74HC00,图中74HC00的2脚与单片机相连，由单片机输出一秒的矩形脉冲，在高电平期间，闸门导通。

由于受AD7714信号采集频率的限制，频率信号经计数器74LS393进行分频。

两片74LS393最高可实现256分频，分频后的信号进入单片机，并由单片机进行处理得出信号的频率。

频率测量模块电路如图3-5所示。

图3-5频率测量模块电路图

3.2.5A/D转换模块

由于该系统的测量最高精度要求达到0.01%，选用了高精度A/D转换器AD7714，最高可实现24位无误码输出，同时保证0.0015％的非线性度。

采用单5V供电（AD7714-5），精度高，抗干扰能力强，方便地与单片机配接出适合要求精度较高的仪器仪表。

A/D转换电路如图3-6所示。

图3-6A/D转换模块电路图

3.2.6显示模块

采用点阵式液晶LCD12864，用PA、PE口与LCD接口，由于此部分属于标准接口，无特别部分，电路图及原理从略。

3.2.7其他特色设计

特色一：

采用光电隔离

在单片机与输入信号之间采用了光电耦合器TLP521进行信号隔离，防止被测信号、继电器动作信号与核心控制器之间的相互干扰，增加系统的可靠性和抗干扰能力。

光电隔离电路如图3-7所示：

图3-7光电隔离开关电路图

图中RelayC1～RelayC8与AVR单片机相连，Relay1～Relay8与量程转换功能部分的三极管相连。

通过AVR单片机中程序的设计给RelayC1～RelayC8高低电平，来控制Relay1～Relay8上电平的高低，从而实现继电器的动作，到达量程切换的目的。

特色二：

继电器自动切换量程

使用8个继电器之间的相互组合来实现量程切换。

实现自动量程切换一种方案是用模拟开关，模拟开关的导通电阻不可控，继电器是机械开关，导通电阻小，对被测量影响小，但电路较复杂，成本较高。

为了能达到题目的高标准参数，经权衡采用了继电器来做量程切换。

4系统软件设计与实现

本系统软件主要包括主函数、各被测量处理子函数、ADC转换子函数、LCD显示子函数、延时函数、键盘处理子函数等构成。

为了保证测量精度，采用多次采集被测数据，并用冒泡法进行排序，去掉前后各一部分值，对中间的数据求平均值的办法。

4.1主程序流程图

图4-1

4.2电压测量处理流程图

图4-2电压测量处理流程图

主程序流程图及电压测量处理流程图如4-1、4-2所示。

5测试条件与测试结果

硬件电路原理图设计完成后，经仔细检查开始绘制其PCB图，并交由厂家制板。

同时购买元器件，对电路原理进一步推敲，同时对程序进行设计调试。

电路板到货后立即开始焊接组装、硬件调试及软件联合调试。

经过多天的不懈努力，最后进行了全面测试。

本设计最关键的测试条件应该是至少是4位——6位半的高精度的电参数测量仪表。

本校不具备此条件，老师从哈工大实验室借了一台6位半34401A安捷伦台式万用表，用本校的YB1603HDDS信号发生器、DFC-1000C-1多功能计数器对频率进行了测量。

测量结果如下：

电压测量结果表1

理论值

100.0000mv

500.0000mv

1.0000v

5.0000v

10.0000v

测量值

100.2101mv

500.683mv

999.80mv

4.998v

9.993v

误差

0.2101%

0.1366%

0.02%

0.04%

0.07%

电流测量结果表2

理论值

100.0000uA

500.0000uA

1.0000mA

5.0000mA

10.0000mA

测量值

99.8140uA

500.1935uA

1.1016mA

5.0012mA

9.9909mA

误差

0.186%

0.0387%

0.1016%

0.024%

0.091%

电阻测量结果表3

理论值

100.0000Ω

500.0000Ω

1KΩ

10KΩ

100KΩ

1MΩ

测量值

100.2011Ω

501.8601Ω

998.7Ω

10.120KΩ

100.0021KΩ

998.50KΩ

误差

0.2011%

0.17202%

0.13%

0.12%

0.21%

0.15%

频率测量结果表4

理论值

100Hz

500Hz

1kHz

5kHz

10kHz

测量值

100.01Hz

499.975Hz

1.0005kHz

5.0005kHz

9.9999kHz

误差

0.01%

0.005%

0.005%

0.001%

0.001%

经过测试，该测试仪的最大误差为0.2%，最小误差为0.001%，精度较高，完全达到了

题目的设计要求。