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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。
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
100.0000uA
500.0000uA
1.0000mA
5.0000mA
10.0000mA
99.8140uA
500.1935uA
1.1016mA
5.0012mA
9.9909mA
0.186%
0.0387%
0.1016%
0.024%
0.091%
电阻测量结果表3
100.0000Ω
500.0000Ω
1KΩ
10KΩ
100KΩ
1MΩ
100.2011Ω
501.8601Ω
998.7Ω
10.120KΩ
100.0021KΩ
998.50KΩ
0.2011%
0.17202%
0.13%
0.12%
0.21%
0.15%
频率测量结果表4
100Hz
500Hz
1kHz
5kHz
10kHz
100.01Hz
499.975Hz
1.0005kHz
5.0005kHz
9.9999kHz
0.01%
0.005%
0.005%
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。
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