【摘要】本设计采用AT89C51单片机作为系统的控制芯片，设计一个能测量电阻、电流、电压、频率和功率的数字式电参数测试仪，能在要求的范围内准确测量各个参数，并能在数码管显示电路中显示相应的数值，满足相应的精度要求。本系统主要包括数据处理控制部分、电阻测量电路、电流测量电路、电压测量电路、频率测量电路、功率测量电路、直流电源模块和显示电路几个模块。控制部分主要采用单片机进行数据处理和传输；其他各部分测量电路用于测量相应的参数与单片机对应的接口相接；电源模块主要是给单片机和其他电路供电；显示电路与单片机相接，接收单片机信号，显示出对应参数值。由于电路在设计时，采用了较为巧妙的算法，测量精度高。
一、方案的选择与说明
根据赛题要求，此数字式电参数测试仪至少要能测量电阻、电流、电压、频率和相应的功率，并且能显示出来，因此本系统主要包括主控制电路、电阻测量电路、电流测量电路、电压测量电路、频率测量电路、功率测量电路、显示电路和直流电源电路几个模块，设计思路是先把各个模块的硬件电路和软件编程做好，能保证精度要求和可*性，最后把各个模块集中到一起，通过AT89C51单片机进行整体控制，总硬件电路连接好以后，把软件程序写入单片机进行总的调试测量，使各个模块能相互配合好，正常工作，总体能达到设计要求。本设计的优点是系统硬件模块化，便于调试检查，易于修改；系统软件采用高级语言C语言进行编程，程序设计思路清晰，不易出错，效率高；系统硬件电路多采用了运放环节，得到了很多好处，最突出的部分是在电阻测量电路中用了运放，它使得电压和电阻之间成线性关系，这大大减轻了软件编程的难度，同时提高了运行效率，测量的精度也提高了。
图1-1 系统组成方框图
1.1 主控制器方案选择
控制器主要用于信号的采集、处理和传输，本控制器采用ATMEL公司的AT89C51作为系统控制器。它运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、成本低、体积小、技术成熟、引脚较少，实物硬件布线较简单，广泛应用于各个领域。由于采用汇编语言编写单片机应用系统程序的周期较长，调试和排错也比较困难，产品开发周期长。为了提高编写系统和应用程序的效率，改善程序的可读性，可移植性，缩短产品的开发周期，我们采用高级语言C语言编写此程序。
1.2 直流电源方案选择
本系统用到的直流电源主要有+5V、+12V和-12V三个等级的电压，此电路模块包括变压、整流、滤波、稳压四个环节，用变压器把220V的交流电降压变为一个小的、较合适的交流电，通过整流电路进行整流，采用电容进行滤波，再经过稳压电路稳压产生直流稳压电。
我们考虑了有两种方案：第一个方案是采用由分立组件组成的直流稳压电路，第二个方案是采用集成稳压器组成的直流稳压电路。对比两个方案，由分立组件组成的直流稳压电路需要外接不少元件，因而体积大，使用不便；而集成稳压器是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可*等特点。故我们选择方案二。本稳压电路中用到的三端集成稳压器有L7805、L7812、L7912三种。
1.3 频率测量方案选择
在输入信号为1V的方波信号时，要求测试仪能测量的频率范围是100HZ～10KHZ,相对误差≤1%，本电路设计采用LM324芯片作比较器，把1V的方波信号与一定值的电压信号作比较，然后产生高低电平，并且比较后的方波信号放大到5V左右，此方波信号输入到单片机里面，通过软件编程，从而可测出频率并显示出来。
1.4 电阻测量方案选择
本电路设计分成两个档位，一个档位测量的范围是100Ω～1KΩ，另一个档位测量的范围是1KΩ～10KΩ.设计是有了两个方案：方案一是将电阻的变化转化为电压的变化，然后送入A/D采样来测量电阻。利用继电器的闭合来选通测哪个阻值，这种方法测量使得电压与电阻之间不成线性关系，测量误差较大，而且还使得软件编程更加困难。方案二是利用运算放大器LM324构成电压比较器来测量电阻。这种方案在测量的过程中电压与电阻成线性关系，且测量的精度较高。综上所述，所以选择方案二。
1.5 电流测量方案选择
利用在恒流两端并联一个电阻，因为供电电源为恒流源，它不受负载的变化而改变。题目中要求的电流范围在100UA～10MA之间，通过并联一个1K的电阻，将使得电压测量范围在100MV～10V之间，此方案完成了电流和电压的测量。
1.6 功率测量方案选择
通过间接采样的方法测量功率，因为MAX187只有一路模拟量输入通道，首先让电压送入A/D采样，通过1S的延时，让电流信号送入A/D采样，利用公式P=U*I可测算出功率的大小。
1.7显示方案选择
显示电路是显示当前被测参数的值，我们考虑有以下两种方案：
方案一：使用液晶屏显示。液晶显示屏（LCD）具有超薄轻巧、低耗电量、无辐射，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高等特点。但是由于液晶显示屏是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高，而且在使用液晶显示屏时不能有静电干扰，否则容易烧坏显示芯片，维护不方便。
方案二：使用数码管显示。数码管具有耗能低、电压低、寿命长、对外界环境要求低、易于维护等特点，同时其精度比较高，称量快，精确可*，操作简单。它是采用二进制编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少，操作简单、经济。
根据以上论述，采用方案二。在本系统中，我们采用 74HC245和74LS06 芯片驱动数码管的显示，单片机控制简单，节省单片机的内部资源。
二、系统的硬件设计与实现
2.1 系统硬件的基本组成部分
本系统主要分为控制部分、测量部分和显示部分，控制部分主要是通过单片机采集信号、处理信号和发送信号，以达到测量和显示功能，包括单片机的最小系统，电路的拨码开关部分和A/D转换部分；测量部分包括电阻、电流、电压、频率、功率电路；显示部分主要是用软件程序控制数码管，让它显示出测量数据，包括驱动芯片和六个共阴极的数码管。
2.2 主要电路的设计与算法
1、主控制电路的设计
本设计是以AT89C51单片机为核心的控制电路，单片机外接拨码开关，用于选择测量何种电参数，并接上A/D转换电路，把外部的模拟量信号转换成数字量信号，再经过单片机内部信息处理，传输，从而驱动外部电路工作。本电路中用的是DIP6拨码开关和MAX187A/D转换芯片，MAX187是12位逐次逼近型A/D转换芯片，为8引脚双列直插式封装，具有1个模拟量通道，单一+5V电源供电，内部基准电压为4.096V，转换速度为75KHZ，转换时间为8.5us,可转换0～4.096V模拟电压。电路图详见附图一。
2、直流电源电路的设计
本电路采用集成稳压器组成的直流稳压电路，220V交流电先通过变压器变换为整流需要的交流电压，经整流电路将交流电压变换为单向脉动电压，再经滤波电路滤去脉动的交流分量，最后通过三端集成稳压器，得到所需的平滑直流电压。本电路用的是L7812、L7805和L7912三种集成稳压器，此种芯片具有体积小、使用方便、工作可*等特点。电路图详见附图二。
3、频率测量电路的设计
把一个电阻和二极管串联，用+5V的直流电供电，用LM324作电压比较器，同相输入端接1V的方波信号，反相输入端接在二极管上端，取二极管的管压降作为比较基准电压，把1V方波电压信号与此基准电压做比较，从而可以得到一个新的方波电压信号，并且幅值增大到了5V，供单片机采样，经过内部数据处理，可以测到对应的频率。电路图详见附图三。
4、电阻测量电路的设计
利用运算放大器LM324构成电压比较器来测量电阻，电路图详见附图四
5、电流测量电路的设计
利用在恒流两端并联一个电阻，因为供电电源为恒流源，它不受负载的变
化而改变，电路图详见附图五。
6、功率测量电路的设计
通过间接采样的方法测量功率，利用继电器选通测量电路，因为MAX187只有一路模拟量输入通道，首先让电压送入A/D采样，通过1S的延时，让电流信号送入A/D采样，利用公式P=U*I可测算出功率的大小。电路图详见附图六。
7、显示电路的设计
本设计中显示电路采用的是数码管显示，把六个共阴极数码管的各个引脚相对应的并接在一起，通过同相驱动器74HC245接到89C51的I/O口上，各个公共端通过反相驱动器74LS06接到89C51的I/O口上，当单片机与各驱动器连接的接口产生电平信号时，对应的数码管显示指定的数据。采用数码管显示电路，程序编译容易，资源占用较少，操作简单。电路图详见附图七。
8、元器件清单
元器件清单详见附表一。
三、系统的软件设计
本设计采用的编程语言是C语言，它具有很强的表达能力及可移植性，运算速度快，编译效率高，因此本系统软件的设计思路是先把各个模块的程序编好，写到单片机内部进行调试，当各个模块的程序都调试好以后，把这几个模块的程序融合到一起，再次写入单片机内部，进行整体调试，直到程序能完成工作。主程序主要起到一个导向和决策的功能，决定什么时候整个系统该做什么，系统各种功能的实现主要通过调用具体的子程序。
四、测试结果与分析
1、测试仪器
数字示波器、数字频率计、数字万用表、直流稳压电源、51系列仿真器、51单片机最小系统、计算机。
2、硬件测试
硬件调试时，可先检查印制板及焊接的质量是否符合要求，有无虚焊点及线路间有无短路、断路，然后通上电，检测电路，直到电路无误，如有错误，应根据现象分析电路，排除电路的错误，确保电路正确。
3、软件测试
软件测试应该先通过程序的编译，再在硬件电路正确的基础上调试。在硬件电路正确的前提下，把编译通过的程序写进单片机芯片内部，运行，调试，分析，直到整个程序能控制电路，达到要求。
4、测试数据与分析
五种参数除了功率未做好外，其他几个都可以准确测量，并且测量的精度也能基本满足要求。由于时间的关系，此次功率模块未做完整，方案已经确定了，并且电路图也设计出来了，也做了理论分析，可行性较高，希望在赛后能继续做下去，以检验方案的正确性。
五、心得体会
通过了四天时间的努力，终于把竞赛的基本任务都完成了，根据试题要求，此数字式电参数测试仪至少要能测量电阻、电流、电压、频率、功率，并且要满足一定的精度要求，我们制作的测试仪刚好能满足设计要求。在比赛的四天时间当中，我们做了一个很好的规划，从比赛一开始，我们精心的选题，在选定好试题后，先总体分析一下题目的要求，再确定选择的方案，三个人分工负责，一个人负责硬件搭接，一个人负责软件编程，另一个人则负责画图，书写报告，通过我们明确分工，合理的利用时间，使得我们的任务能够按时的完成，基本满足题目要求。在电路的设计中，我们遇到过很多问题，但是通过我们队员之间商讨，不断的查阅资料，最终使得这些问题得以解决，我相信遇到的这些问题在以后同样遇到时就很容易解决了。
通过这次竞赛，我们不仅增强了动手能力，进一步加深了对理论知识的理解和掌握，还学到了许多实践性的东西，例如：焊电路板、对电路的检查、分析。并深刻体会到了共同协作和团队精神的重要性。此外，还意识到了电路可*性的问题，理论与实际的结合，要想保证可*性，只有不断的在实践中积累经验，熟练技术。本次在软件与硬件的结合调试中用了很多时间，在软件编程方面还有欠缺，有待今后不断的学习和实践。
六、参考文献
1、《模拟电子技术》 主编：章彬宏 吴青萍 北京理工大学出版社
2、《单片机应用技术》 主编：倪志连 北京理工大学出版社
3、《PROTEL99SE应用技术》 主编：及力 电子工业出版社
4、《电子技术基础》 主编：康华光 高等教育出版社
5、《全国大学生电子设计竞赛系统设计》 主编：黄智伟 北京航空航天大学出版社