数字式电参数测试仪设计报告摘要：根据设计任务与要求，该设计的控制部分以89C51单片机为核心，配以12bit模/数转换器MAX187，电参数信号经A/D转换后输入到单片机，从而实现了单片机对电参数测量值的控制，它具有高精度的特点。
分频部分采用4069芯片，产生稳定、抖动幅度较小的方波。
与用3片4017芯片构成的3级分频电路连接于一起，并采用测周期法测量频率，在整体上提高了电路输出频率的精确度。
采用两片74LS164芯片串入并出动态扫描显示，通过检测基本实现了发挥部分的设计要求，在频率测量过程时，50Hz以下的低频没有达到发挥部分的要求。
关键词：单片机AT89C51 MAX187 数字式电参数1. 方案比较在本设计中采用模块化设计思想，对整个电路以模块为单位，进行分析.比较和论证。
1．1数字电参数测量电路方案比较方案一：MAX187是美国MAXIM 公司生产的一种串行A/D 转换器，具有低功耗、高精度、高速度、体积小、接口简单等特点。
数字电参数测试仪框图如图1所示。
其主要以89C51单片机为核心，配以12bit模/数转换器MAX187，实现了单片机对整个电路的控制；再配以40系列芯片，实现了直流电压、直流电流、电阻、频率的测量。
使用74LS164减少单片机I/O口的使用图1 187与单片机组成的控制电路框图MAX187 引脚：VDD :电源端接+ 5V ；AIN :采样模拟信号输入端,0 - VREF ；SHDN :三电平关闭输入端；REF :用于模拟转换的基准电压端,使用外部基准电源时用作输入；GND :模拟地和数字地；CS:片选信号输入端；SCLK:串行时钟输入端；DOUT:串行数据输入端,数据在SCLK下降沿输出。
输入信号经放大、滤波，通过8 选1 模拟开关输给A/ D 转换器MAX187，转换后的数字信号通过DOUT 端输入给单片机。
这里我们采用软件合成的方式模拟SPI 接口将单片机与MAX187 连接，从而完成串行数据的A/ D 转换。
MAX187 的SCLK、CS、DOUT 端直接与单片机的通用I / O 口相连，不需要任何接口变换。
方案二：采用ICL7135芯片。
ICL7135是美国 Intersil 公司生产的4 位半双积分型A/D转换器，它采用单基准电压，能对双极性输入的模拟电压进行转换。
它具有自动量程控制信号输出，自动极性判别信号输出，动态字位扫描BCD码输出的特点，因此在转换精度要求较高而采样时间可以相对较慢的数据采集系统中被广泛应用。
在实际操作中按照这种常规的接口方式，接口线占用过多，这是它的一个主要缺点，对于小型的智能仪表是不可接受的。
故不予采用。
具体的电路示意框图见图2.图2 7135与单片机组成的控制电路框图1.2稳压电源部分：方案一：采用开关电源，虽然开关电源功耗小，但是开关电源电路复杂，难以达到技术指标要求。
方案二：采用传统串联型稳压电源，此方案电路简单，容易调试，但功耗大。
比较以上两种方案，对照题目其对电源的要求不高，考虑竞赛的时间限制与我们的实际能力，决定采用方案二。
2、设计、理论分析与计算2.1硬件电路设计、理论分析与计算2．1．1测频电路测频电路如图3所示。
它主要由9018放大管，4069，4017和4051芯片组成。
输入信号通过三极管9018放大，再通过4096芯片，产生方波由8脚输出到达4017分频电路。
通过3级分频，将信号输入到4051，进行数据的选择后送到单片机，最后显示。
图3、测频电路2．1.2分频电路设计分析分频电路如图4所示，它主要由3片4017芯片组成。
为了能提高输出频率的精确度，采用了3片4017组成了3级分频电路。
图4、分频电路测量频率的方法可分为两种。
1）测频法:在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。
测频法用于测量频率较高的信号，测量原理如图5所示。
假设信号周期为T S, 闸门周期为T C.T S图5计算公式：因为题目要求频率测量范围：10Hz-100KHz，相对误差<0.01%。
假设相对误差为δ=TS/TC≤0.0001。
设TC为0.5秒，则TS≤TC*0.0001,从而可以推出fs≥200KHz。
2）测周法：测周法指通过测量被测信号一个周期时间计时信号的脉冲个数，然后换算出被测信号的频率。
测周法用于测量频率较低的信号，测量原理如图6所示。
假设T S为信号周期，△T为单片机内部基准信号，其周期为5us(单片机晶振为24MHz)。
计算公式：根据题目要求得：δ=△T /TS≤0.0001。
则TS≥△T*10000=5us*10000=0.05S,从而可以推出fs≤200Hz。
如果根据设计方案来计算频率，则在本次设计中必须使用这两种不同的测频方法，十分的不便。
考虑到整个设计的整体频率比较的低，故决定采用测周法。
图6 3.1.3直流电压测量电路（图2-1）电压输入信号经过OP-07同向放大，后又经过电子开关4051选通，4051的3脚输出信号到MAX187，经过MAX187模/数转换将转换后的信号输送到单片机并显示结果。
7直流电压测量电路（图2-1）2.1.4直流电流测量电路（图2-2）通过4051的选择开关，来选择R42,R43这两档开关的电压，由4051的3脚输出到AD 转换。
直流电流测量电路（图2-2）2.1.5电阻测量电路（图2-3）在此电路中VCC 通过三端可调分流基准源TL431,三极管Q4和运放OP-07 等元件，在Q4的e 脚产生一个基准电压V0。
各档位由单片机程序控制，可自动调换进行选通。
通过计算公式：R X =Vin*R0/(V0-Vin)(R X为被测电阻，Vin为MAX187的输入电压，R0为各档位电阻) 由此可以计算出被测电阻R X的阻值。
电阻测量电路（图2-3）2．2软件部分软件框图如图7所示。
图7 软件设计框图3、测试方法与仪器3．1测试仪器4测试结果表明电流，电阻，电压实际的值与测量值的相对误差，基本上都达到了发挥部分的标准。
在频率的测量过程中，我们发现在低频的测量过程中，频率为发生抖动，与指标又一定的差距。
但是频率在100Hz-100KHz，基本上都满足设计要求。
图表a电阻测量结果：参考文献：[1]卢伟，熊茂华.《串行A / D 转换器MAX187 与单片机的接口及应用》[J].计算机与现代化，2005，2：65-68.[2]屠运武，谷松，王甬生. 《串行A / D转换器7135理器的接口技术》[J].电测与仪表，2000，10：36-38.[3]毛文宇宙，吴剑文，李伟斌.《等精度频率计的设计》[J]. 高新科技，2007 NO.29.[4]付晓光.《单片机原理与使用技术》[M].北京：清华大学出版社；2004.1.附件：原理图一.电源部分F1 FUSE1T1U1U2U3CON3U4CON3二．测试部分C J 17V C -V C U 22124C 02G N三．分频部分PCB :一.电源部分二．测试部分三分频部分：元器件清单：序号规格编号封脚数量序号规格编号封脚数量10.1C15RAD0.2144100K R65RES0.4120.1C17RAD0.2145100K R38RES0.4130.1C13RAD0.2146200R44RES0.4140.1C23RAD0.2147200R41RES0.4150.1C22RAD0.2148200R45RES0.4161K R30RES0.4149400R43RES0.41 71K R64RES0.4150500R58W32961 81M R63RES0.4151500K R61W329619 2.7K R33RES0.4152510R35W32961102AP D1DIODE0.4153510R36W32961 112AP D2DIODE0.4154750R53RES0.4112 4.7K R32RES0.4155750K R56RES0.41134K R42RES0.41564013U30DIP-14114 5.1K R46RES0.41574051U19DIP-16115 5.1K R66RES0.41584051U23DIP-16116 5.1K R49RES0.41594051U22DIP-16117 5.1K R51W32961604051U29DIP-16118 5.1K R47W32961619018Q5NPN119 5.1V ZD2ZD0.41629018Q6NPN1205K R59W3296163CAP-E C14RB.1/.21 217.5K R54RES0.4164CAP-E C24RB.1/.21 2210K R62RES0.4165CAP C19RAD0.21 2310K R37RES0.4166CAP C18RAD0.21 2410K R50RES0.4167CON1J24SIP-11 2510K R48RES0.4168CON1J23SIP-11 2610K R34RES0.4169CON1J16SIP-11 2710UF C21RB.1/.2170CON1J19SIP-11 2810UF C20RB.1/.2171CON1J15SIP-11 2910UF C16RB.1/.2172CON1J22SIP-11 3010UF C25RB.1/.2173CON1J6SIP-11 3112M Y2XTAL174CON1J18SIP-11 3224C02U221DIP-8175CON1J21SIP-11 3350R57W3296176CON1J14SIP-11 3450K R60W3296177CON4J17J2.54-41 3574LS90U21DIP-14178J3.96-6J20J2.54-61 3674LS90U28DIP-14179MAX187U25DIP-81 3774LS90U27DIP-14180NPN Q4NPN1 3875K R55RES0.4181OP07U150DIP-813982R R52RES0.4182OP07U15DIP-81 4089C52U26DIP-40183OP07U18DIP-81 41100R31RES0.4184TL431U20NPN1 42100R40RES0.4185TL431U24NPN1 43100K R39RES0.41实物照：。