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1、竞赛报告装订线加密号：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. . . .31 设计题目及要求（略）. .32 系统总体方案设计 . .4 21 方案一 22 方案二23 方案三 24方案的论证与比较3 系统硬件设计与实现. . . . .53.1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 3.2.5 A/D转换模块 . .8

2、 3.2.6显示模块 . . .9 3.2.7其他特色设计. .94 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

3、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

4、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

5、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

6、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21 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

7、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。22 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。ATMEGA 128单片机是基于AVR RISC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。ATMEGA 128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。23 方案三采用AVR单片机ATmega64或ATmega

8、128L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。24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(-)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ATmega12

9、8 AD7714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ATmega128 Data Sheet 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

10、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100mv1v和1v10v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

11、阻(也称分流电阻)为如=1000，则=10档的分流电阻为R=100。将电流分为了三个档位：100uA0.1mA、0.1mA1mA、1mA10mA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=10。依次类推，可得出R35=(1v-100mv)/(0.9mA-100uA)-R36=90。 R34=(10v-100mv)/(10mA-100uA)-R35-R36=900。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

12、。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1001M，将电阻测量部分分为了1001K、1K10K、10K100K、100K1M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=900K，R10=90K,R11=9K,R12=900,R13=100。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

13、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3.2.5 A/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

14、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3-6 A/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RelayC1RelayC8与AVR单片机相连，Relay1Relay8与量程转换功能部分的三极管相连。通

15、过AVR单片机中程序的设计给RelayC1RelayC8高低电平，来控制Relay1Relay8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

16、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4-14.2 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

17、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100.0000mv500.0000mv1.0000v5.0000v10.0000v测量值100.2101mv500.683mv999.80mv4.998v9.993v误差0.2101% 0.1366%0.02%0.04%0.07%电流测量结果表2理论值100.0000uA500.0000uA1.0000mA5 .0000mA10.0000mA测量值99.8140 uA500.1935 uA1.1016 mA5.0012 mA9.9909 mA误差0.186% 0.038

18、7% 0.1016%0.024 % 0.091%电阻测量结果表3理论值100.0000500.00001K10K100K1M测量值100.2011501.8601998.710.120K100.0021K998.50K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 500Hz1k Hz5kHz 10kHz测量值 100.01 Hz499.975 Hz1.0005k Hz5.0005k Hz9.9999k Hz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。