基于单片机的动态元件参数测试仪的设计 毕业设计.doc

2013届毕业设计说明书 基于单片机的动态元件参数测试仪的设计 系 、 部： xxxxxxxxxxxxxxxxxx 学生姓名： xxx 指导教师：xxx 职称 xxx 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： xxx 完成时间： 2013 年 6 月 摘 要 进入 21 世纪，电子工业得到飞速发展，于是，电子元器件也跟着急剧增加， 其适用范围逐渐广泛起来，在应用中经常要测定电容，电感的大小。因此，设 计可靠，安全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的必要性。 在设计系统硬件中，以 51 单片机为核心的电容、电感测试仪，有数据存储、 通讯以及 led 显示等功能。此测试仪将电容，电感，用对应的振荡电路转化为 频率得以实现各个参数的测量。电容是采用 555 多谐振荡电路产生的，而电感 则根据电容三点式产生的，将振荡频率输送到 at89s51 的计数端，通过定时且 计数则可以计算出被测频率，然后通过该频率计算出被测参数。 在此系统软件设计是根据 keil51 为仿真平台，使用 c 语言与汇编语言混合 编程编写了系统应用软件；其包括主程序模块、显示模块、电容测试模块和电 感测试模块。 最后，根据情况，实际制作了一台样机，且在实验室里也进行了测试，结 果表明该样机的功能和指标得到了设计要求。 关键词：单片机；555 多谐振荡电路；led 动态显示模块；电容三点式振荡 abstract entering the 21st century, electronic industry get rapid development, and electronic components followed a sharp increase in its applicable range has been up, its often have to in the application of measuring capacitance, inductance of the size. as a result, the design is reliable, safe, convenient capacitance, inductance tester is of great necessity. in designing the system hardware, 51 single-chip microcomputer as the core of capacitance and inductance tester, such as data storage and communication as well as the led display function. the tester will capacitance, inductance, with corresponding oscillation circuit is converted into frequency to realize each parameter measurement. capacitance was produced by more than 555 harmonic oscillation circuit, while based on the three-point capacitance inductance, the counting end of oscillation frequency to the at89s51, through the measured frequency timing and counting can be calculated, and then through the frequency to calculate the parameter being measured. in the system software design is based on keil51 simulation platform, mixed programming using c language and assembly language to write the system application software; it includes the main program module, display module, capacitance testing modules and inductance test module. finally, according to the actual situation, made a prototype, and also conducted in the laboratory test, the results show that the prototype of the function and index design requirements. key words: single chip microcomputer； 555 harmonic oscillation circuit； led dynamic display module； capacitor three-point oscillator 目 录 1 绪论 1 1.1 设计的背景及意义 1 1.2 电容、电感测试仪的发展历史及研究现状 1 1.3 本设计所做的工作 2 2 电容、电感测试仪的系统设计 3 2.1 电容、电感测试仪设计方案比较 .3 2.2 系统的原理框图 4 3 电容、电感测试仪的系统硬件设计 5 3.1 mcs-51 单片机电路的设计 5 3.2 led 数码管电路与键盘电路的设计 .7 3.3 测量电容电路的设计 .11 3.3.1 555 定时器简介 11 3.3.2 测量电容电路的设计 .13 3.4 测量电感电路的设计及仿真 .14 3.4.1 测量电感电路的设计 .14 3.4.2 测量电感电路的仿真 .15 3.5 多路选择开关电路的设计 .16 4 电容、电感测试仪的软件设计 .18 4.1 i/o 口的分配 18 4.2 主程序流程图 .19 4.3 频率参数计算的原理 .21 结束语 .23 参 考 文 献 24 致 谢 .25 附录一 系统原理图及 pcb26 附录二 源程序 .28 1 绪论 1.1 设计的背景及意义 进入 21 世纪，电子工业得到飞速发展，于是，电子元器件也跟着急剧增加， 其适用范围逐渐广泛起来，我们在应用中经常要测定电容，电感的大小。因此， 设计可靠，安全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的必要性。 此外，伴随测量技术的飞速发展及人们对电参数的测量精度要求提高，目 前在教学实验中普遍采用的数字式万用表已远远满足不了测量要求，所以设计 可靠，安全，便捷，测量精度更高的电容，电感测试仪有着广泛的使用价值及 应用前景。 一般情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数直接转换为直流电压或 者频率之后进行测量。 测量电容的传统方法有谐振法以及电桥法两种。前者电路简单，速度快， 但是精度低；后者测量精度高，但是速度慢。伴随着数字化测量技术的发展， 在测量速度以及精度上有着很大的改善，电容的数字化测量经常采用恒流法与 比较法。 电感测量可以依据交流电桥法，此测量方法尽管能较准确的测量电感但是 交流电桥的平衡过程稍微复杂，并且通过测量q值确定电感的方法误差稍大，所 以电感的数字化测量经常采用时间常数发与同步分离法。 此毕业设计希望通过对电容、电感测试仪的设计来培养学生综合运用所学 知识分析与解决实际问题的能力，系统的掌握单片机的开发设计过程，强化实 际应用技能训练，为以后开展单片机应用系统的设计和开发奠定初步基础。 1.2 电容、电感测试仪的发展历史及研究现状 伴随着科技飞速的发展，在当今电子测试领域中，电容和电感的测量已经 在测量技术与产品研发中得到广泛应用。 电容和电感测试发展了很久，有着众多方法，其常用测量的方法如下： 1.测量电容的传统方法有谐振法以及电桥法两种。前者电路简单，速度快， 但是精度低；后者测量精度高，但是速度慢。伴随着数字化测量技术的发展， 在测量速度以及精度上有着很大的改善，电容的数字化测量经常采用恒流法与 比较法。 2.电感测量可以依据交流电桥法，此测量方法尽管能较准确的测量电感但 是交流电桥的平衡过程稍微复杂，并且通过测量q值确定电感的方法误差稍大， 所以电感的数字化测量经常采用时间常数发与同步分离法。 1997 年 05 月 21 日，国内的中国航空工业总公司研究出一种对电容、电感 实现在线测量方法以及装置等电位隔离方法，用于对在线的电容、电感元件实 行等电位隔离。 观当前国内外的 lc 测试仪，硬件电路一般比较复杂，体积也是较庞大，携 带不便，且价格较昂贵。如传统的电阻抗法、q 表、电桥平衡法等测试 lc 的过 程中不够智能且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，在操作的过程中测 试需调较多参数，这对初学者来说非常不方便，而当今社会，对 lc 的测试尽管 已经很成熟了，但价格与操作简单特别在智能方面是有待发展，价格便宜与操 作简单、智能化的仪表开发以及应用方面有着巨大的发展空间，此系统正是符 合社会发展的要求，研制出了一种价格便宜与操作简单、自动转换量程、体积 更小、功能强大、便于携带的 lc 测试仪，其充分利用了现代单片机技术，研究 了基于单片机的智能 lc 测试仪，人机界面友好、操作方便的智能 lc 测试仪， 有着十分重要的意义。 近年来国内测量仪器的可靠性与稳定性问题以及得到了许多方面的重视， 状况已经有了很大改观。目前测试仪器行业已经跳过了低谷阶段，重新回到了 快速发展的轨道，尤其最近的几年，国内仪器已经取得了长足的进步，尤其是 在通用电子测量设备研发方面，正快速缩小和国外先进产品的差距，在一定程 度上对国外电子仪器巨头的垄断造成了冲击。伴随模块化与虚拟技术的发展， 给国内的测试测量仪器行业带来了新的契机，外加各级政府日益重视，及中国 自主应用标准研究有了飞速进展，都为此产业提供了很大的动力与机遇。 1.3 本设计所做的工作 此设计是以 555 为核心的振荡电路，将被测参数模拟转换为频率，并且利 用单片机实现计算频率，所以，此设计需要做好以下工作： (1)学习单片机原理等资料。 (2)学习 protel99e, kel3.0 等工具软件的使用方法。 (3)设计测量电容，电感的振荡电路。 (4)设计测量 led 动态显示电路。 (5)设计测量频率程序，设置程序。 (6)用 protel 软件绘制电原理图和印刷电路版图。 (7)安装和调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。 (8)撰写毕业论文。 2 电容、电感测试仪的系统设计 2.1电容、电感测试仪设计方案比较 电容、电感测试仪的设计使用多种方案就可以实现，如利用模拟电路，电 容可用恒流法与比较法，电感可用时间常数发与同步分离法等、使用可编程逻 辑控制器(plc)、振荡电路与单片机结合或 cpld 与 eda 相结合等得以实现。在 设计前对各种方案也进行了比较： 1)利用纯模拟电路 利用模拟电路，电容可用恒流和比较法，电感可用时间常数发和同步分离 法，尽管避免了编程的麻烦，但是电路有点复杂，其所用器件较多，灵活性较 差，测量精度偏低，现在较少使用。 2)可编程逻辑控制器(plc) 采用 plc 对硬件进行控制，其应用广泛，能够极其方便地集成到工业控制 系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用 plc 对硬 件进行控制，但用 plc 实现价格相对昂贵，所以成本过高。 3)采用 cpld 或 fpga 实现 应用当前广泛应用的 vhdl 硬件电路描述语言，以实现电容，电感测试仪的 设计，利用 maxplusii 集成开发环境进行综合、仿真，并且下载到 cpld 或者 fpga 可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但是相对而言规模大，结构复 杂。 4)利用 lrc 数字电桥与单片机结合 利用 lrc 数字电桥将电容参数转为电压模拟信号，其模拟量由高精度 ad 转 换芯片转为数字量。而电感则是依据电容三点式电路也转化为频率，这样就可 以把模拟量近似的转换为数字量，这样由单片机处理数字量，就能满足测量精 度高、易于实现自动化测量等设计需要，且单片机构成的应用系统有较大的可 靠性、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统，且应用系统有较 高的软、硬件设计系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件 上实现，且设计时间短，成本低，可靠性高。 综上所述，利用 lc 数字电桥与单片机结合实现电容、电感测试仪更为简便 可行，节约成本。所以，本次设计选定以单片机为核心来进行。 2.2 系统的原理框图 在此设计中，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、灵活使用方便、可靠 性较高等特点，拟采用 51 系列的单片机为核心来实现电容、电感测试仪的控制。 系统分四大部分：测量电路、控制电路、通道选择和显示电路。通过 p1.3 和 p1.4 向模拟开关送两位地址信号，取得相应的振荡频率，然后根据所测频率判断是 否转换量程，或者是把数据进行处理后，得出相应的参数值。系统设计框图如 图 1 如下所示。 图 1 系统设计框图 框图各部分说明如下： 1)控制部分：此设计以单片机为核心，采用 51 单片机，利用其管脚的 特殊功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和 led 显示功能等。led 灯：本设计中，设置了 1 盏电源指示灯，采用红色的 led 以共阳极方式来 连接，直观易懂，操作也简单。数码管显示：本设计中有 1 个 74hc02、2 个 74ls573、1 个 2803 驱动和 6 个数码管，采用共阳极方式连接构成动态 显示部分，降低功耗。键盘：本设计中有 sr，sc， sl 三个按键，可灵活控 制不同测量参数的切换，实现一键测量。 2)通道选择：本设计通过单片机控制 cd4052 模拟开关来控制被测频 率的自动选择。 3)测量电路：rc 震荡电路是利用 555 振荡电路实现被测电阻和被测电 容频率化。电容三点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现被测 电感参数频率化。通过 51 单片机的 io 口自动识别量程切换，实现自动测 量。 3 电容、电感测试仪的系统硬件设计 3.1 mcs-51单片机电路的设计 在本设计中，考虑到单片机构成的应用系统有较大的可靠性，容易构成各 种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。还具有可编程性， 硬件的功能描述可完全在软件上实现。另外，本设计还需要利用单片机的定时 计数器、中断系统、串行接口等等，所以，选择以单片机为核心进行设计具有 极大的必要性。在硬件设计中，选用 ms-51 系列单片机，其各个 i/o 口分别接 有按键、led 灯、七位数码管等，通过软件进行控制。 mcs-51 单片机主要由中央处理器、内部程序存储器(rom)、内部数据存储 器(ram)、定时/计数器、并行 i/o 口、串行口与中断控制电路等基本部分所构 成，以及数据总线、地址总线与控制总线等总线，下面进行简单的说明： 1)中央处理器： 中央处理器简称 cpu，是单片机的核心，用于完成运算和控制操作。中央 处理器包括运算器和控制器两部分电路。 2)内部数据存储器(ram)： 内部数据存储器包括 ram 和 ram 地址寄存器，用于存放可读/写的数据。实 际上 80c 芯片中共有 256 个 ram 单元，但其中后 128 个单元为专用寄存器，能 作为普通 ram 存储器供用户使用的只是前 128 个单元。因此，通常所说的内部 数据存储器是指前 128 个单元，简称“内部 ram”。 3)内部程序存储器(rom)： 内部程序存储器包括 rom 和程序地址寄存器等。80c51 共有 4kb 掩膜 rom， 用于存放程序和原始数据，因此称之为程序存储器，简称“内部 rom”。 4)定时/计数器： 用于控制应用的需要，80c51 共有两个 16 位的定时器/计数器，用定时器/ 计数器 0 和定时器/计数器 1 表示，用于实现定时或计数功能，并以其定时或计 数结果对单片机进行控制。 5)并行(i/o)口： 80c51 有 4 个 8 位并行 i/o 口(p0、 p1、p2 或 p3)，以完成数据的并行输 入/输出。 6)串行口： 80c51 单片机有一个全双工串行口，以完成单片机和其他数据设备之间的 串行数据传送。此串行口功能比较强大，一方面可作为全双工异步通信收发器 使用，又可作为同步移位器使用。 7)中断控制电路： 中断控制电路共有 5 个中断源，既外中断 2 个，定时/计数中断 2 个，串行 中断 1 个。全部中断分为高级和低级工两个优先级别。 8)时钟电路： 80c51 芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为 单片机产生时钟脉冲序列。 本设计中单片机的设计电路如下图 2 所示： 图 2 单片机的设计电路 本电路使用单片机内部振荡器，11.0592mhz 的晶体谐振器直接接在单片机 的时钟端口 x1 和 x2，电路中 c2、c3 为振荡器的匹配电容。该电路简单，工 作可靠 。另外本系统的容阻上电复位，就是利用 rc 电路的充电过程来给单片 机复位。rc 电路的时间常数计算公式： t=rc 即：t=rc=10u*10k=100ms。当需要复位时，也可以按下复位按键，进行 复位。 3.2 led数码管电路与键盘电路的设计 在 电 容 、 电 感 测 试 系 统 中 ， 用 led 灯 来 显 示 测 量 参 数 的 类 别 和 电 源 指 示 ， 既 简 单 又 显 而 易 见 。 相 当 于 小 白 炽 灯 泡 和 氖 灯 ， led 有 着 几 个 特 点 ： 1.发 光 响 应 快 ， 亮 度 强 ， 高 频 特 性 好 ； 而 且 随 着 材 料 的 不 同 ， 数 码 管 还 能 发 出 各 种 颜 色 。 2.机 械 性 能 好 ， 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 价 格 低 廉 ， 使 用 寿 命 长 。 正 因 为 有 这 些 特 点 ， 在 一 些 光 电 控 制 设 备 中 常 常 用 发 光 二 极 管 用 作 光 源 。 在 本 设 计 中 ， 利用单片机的 p1.0、p1.1 和 p1.2 口直接和发光二极管相连 接，控制程序放在 mcs-51 单片机的 rom 中。由于测试指示灯为发光二极管 且阳极通过限流电阻与电源正极相接，所以为共阳极。因此 i/0 口输出低电平 时，与之相连的相应指示灯会亮；i/0 口输出高电平时，相应的指示灯会灭。发 光二极管的接口电路如图 3 所示： 图 3 发光二极管的接口电路 发光二极管的设计中，每个二极管与单片机接口间有一个电阻，其阻值至 少为 180 欧。按 3.3v 时的工作电流 15ma 来计算，需要让与之串联的电阻，分 去 vcc 5v 电压中的 2.7v 电压，则得到 r=u/i=2.7v/0.015a=180 欧，且电阻 的功率为 p=ui=2.7v*0.015a=0.041w。 另外，在本设计中，led 应用于七位数码管中，实现了被测参数的显示， 七位数码管以共阴极的方式经过 74ls573 锁存器与单片机的 p0 口相连。六位 数码管的显示被测参数的示值从左到右依次代表十万、万、千、百、十和个位， 这样显示结果更为简单可行。 想要数码管正常的显示，用驱动电路驱动数码管的各个段码，继而显示出 我们要的数字，所以根据数码管的不同驱动方式，可归为静态式和动态式两类。 1)静态显示驱动：静态显示驱动就是每一个数码管显示器都要占用单独的 具有锁存功能的 i/o 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把药显示的字 形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的 字形码。 2)动态显示驱动：p2.0 和 p2.1 端口分别控制数码管的个位和十位的供电， 当相应的端口变成低电平时，驱动相应的三极管会导通，+5v 通过驱动三极管 给数码管相应的位供电，这时只要 p3 口送出数字的显示代码，数码管就能正常 显示数字。 对两种显示方式的比较分析：静态方式需要大量 i/o，而动态扫描显示的 方式能够大量的节省 i/o 口，且电路结构也比较简单，显示效果良好，因此最 终采用动态扫描显示方式。 系统核心电路(at89s52 最小系统)的 p0 口以总线方式与二片数据锁存器 (74hc573)相连接，二片 74hc573 的片选使能端(le)分别连接在或非门 (74hc02)的 1、4 管脚，三个或非门相类似，都是两个输入端的其中一端接在 单片机的 16 管脚(wr)，而另一端分别接在 p2.5p2.6。单片机片选电路如图 4 所示。 图 4 单片机片选电路 或非门片选电路分析：当单片机通过 p0 口总线输出数据时，16 管脚(wr) 为低电平“0” ，片选信号端 p2.5p2.7 中，要被片选端为“0” ，其它为“1” ， 这样三个或非门中，只有需要片选中或非门的输出为高电平“1” ，其它两个或 非门的输出信号为低电平“0” 。另外，74hc573 数据锁存器的 le 使能端为高 电平有效，与之前电路结合可以实现片选功能。 在本设计中，led 显示接口电路如下图 5 所示： 图 5 led 显示接口电路 电路由 6 个共阴极数码管、两个 74hc573 和一个 uln2803 组成。 两个 74hc573 分别作为段码和位码的数据锁存器，它们的片选信号来自最 小系统 at89s52 的 p2.5 和 p2.6，由此可以计算出它们的片选地址：段码片选 地址为c000hdfffh，位码片选地址为 a000hbfffh。 uln2803 是达林顿管，在电路中能起到大电流输出和高压输出的作用。由 于电路使用的是共阴极动态显示方式，uln2803 在位码数据锁存器后连接八个 数码管的 com 端，可以增强驱动数码管的能力，使数码管的显示效果更好。 本设计中设置了 sr,sc,sl 三个按键，利用单片机的 p1.0、p1.1 和 p1.2 口 直接和按键相连接，控制程序放在 mcs-51 单片机的 rom 中用于启动各个被 测参数程序的调整。见图 6 按键电路所示 图 6 按键电路 控制l、c的三个按键接入一个10k大小的上拉电阻，起限流保护作用。当 有键按下时为低电平，无键按下时则为高电平。 3.3 测量电容电路的设计 3.3.1 555 定时器简介 555 定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路。利用它能极方便地构 成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以 555 定时器在波形的产生于变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等，用于 许多领域。 1)555 定时器内部结构 555 定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路。其内部结构如图 7(a) 部分及管脚排列如图(b)部分所示。 图 7 定时器内部结构 它由比较器 n1和 n2、sr 锁存器和集电极开路的放电三极管 t 三部分组成。 th 是比较器 n1的输入端，tl 是比较器 n2的输入端。n1 和 n2的参考电压 vr1和 vr2由 vcc经三个 5k 电阻分压给出。在控制电压输入端 vco悬空时， vr1=2/3vcc，vr2=1/3vcc。如果 vco外接固定电压，则 vr1=vco，vr2=1/2vco。 r0是置零输入端。只要在 r0端加上低电平，输出端 v0便立即被置成低电平， 不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使 r0处于高电平。图中的数码 1- 8 为器件引脚的编号。 由图可知，当 thvr1，tlvr2 时，比较器 n1的输出 vc1=0、比较器 c2的 输出 vc2=1，sr 锁存器被置 0，t 导通，同时 v0为低电平。 当 thvr1，tlvr2 时，vc1=1、vc2=1，锁存器的状态保持不变，因而 t 和 输出输出的状态也维持不变。 当 thvr1、tlvr2 时，vc1=1、vc2=0，故锁存器被置 1，为高电平，同时 t 截止。 当 thvr1、tlvr2 时，vc1=0、vc2=0，锁存器处于 q=1 的状态，v0 处于高 电平，同时 t 截止。 2)多谐振荡器工作原理 由 555 定时器组成的多谐振荡器如图 8(c)部分所示，其中 r1、r 2 和电容 c 为外接元件。其工作波如图(d)部分所示。 图 8 震荡器工作原理 当接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开 始经电阻 r 向电容 c 充电。当充到输入电压为 v1=vt时，输出跳变为低电平，电 容 c 又经过电阻 r 开始放电。 当放电至 v1=vt时，输出电位又跳变成高电平，电容 c 重新开始充电。如此 一直循环，电路不停地震荡。其振荡周期可用下式计算： t=0.7（r 1+2r2）c 3.3.2 测量电容电路的设计 电容测试电路： 电容的测量也使用了“脉冲计数法”,由 555 电路谐波振荡电路,通过计算 频率的振荡输出来计算测量电容的大小。 555 以多谐振荡器的形式接成，它的振荡周期为： 我们设置 r1=r2, 得出： 即： 电路分为 1 档： r4=510k,r4=r6； 电容测试电路见图 9 所示。 图 9 电容测试电路 3.4 测量电感电路的设计及仿真 3.4.1 测量电感电路的设计 电感的测量是使用电容三点式振荡电路。电容器三点振荡器电路振荡电路 也叫考毕慈震荡电路,三个点振荡电路是指：lc 电路连接到发射器两电抗元件 必须均匀,另一个电抗元件必须是异性,并连接到排放水平的两个三分的振荡器 电路对电容电抗组件,即“射同基反”的原理组成的电容器三点振荡器电路。其 振荡频率为： 即： 电感测试电路见图 10 所示。 图 10 电感测试电路 3.4.2 测量电感电路的仿真 pspice 仿真软件简介： 设计中主要使用的电路原理图编辑器电路图 pspice 软件绘图程序模块和输 出结果探测器模块。包括图表模块的电路原理图编辑程序 pspice 输入两种形 式,一是单个文件(或文本文件)的形式,一个是电路原理图形式,相对后者比前者更 简单和直观,它能产生新的电路原理图文件,可以打开现有文件原理图。配备各种 组件的电路元件符号,除了电容、电感、晶体管、基本设备,如电源等基本器件符 号,运算放大器、比较器等其他宏观模型类符号,电路图和原理图文件后缀为. sch。图形文本编辑器自动电路网单文件可以转化成单一文件进行仿真计算程序 运行仿真。而 probe 输出映射程序模块是 probe 输出图形后处理程序 pspice 软 件包。程序的输入文件为用户操作仿真运行形成后的文本或图形文件后缀.dat 文件。它可以扮演一个万用表,示波器,函数的扫描仪,在屏幕上画波形和曲线的 仿真结果。伴随计算机图形功能不断提高，pc 机上 windows95,98,2000/xp 的 出现，probe 的绘图能力也越来越强。 利用 pspice 仿真软件对电容三点式振荡电路的仿真原理如图 11，双击 xsc1 后可查看仿真波形，仿真波形如图 12 所示。 图 11 仿真原理图 图 12 仿真波形图 由仿真结果可知该输出波形为正弦波，为了方便频率测量，把该波形通过 555 构成的施密特触发器整形为方波，送入单片机 t1 口进行频率计算。 3.5 多路选择开关电路的设计 利用 cd4052 实现测量类别的转换，cd4052 是差分四通道数字控制模拟开 关器件，有 a0 和 a1 两个二进制控制输入端和 inh 输入，具有低导通阻抗和很 低的截止电流。当 inh 输入端= “1”时所有通道截止，二位二进制输入信号选 通四对通到中的一通道。当选择了某一通道的频率后，y 输出频率通过 t1 送入 单片机进行计数，通过计算得到要被测值，多路选择开关控制如表 1 所示。 表 1 多路选择开关控制 p1.4 p1.3 测量类别 0 0 y0-r 0 1 y1-c 1 0 y2-l 1 1 * 表中*表示未定义此功能。 多路选择开关硬件电路如图 13 所示。 图 13 多路选择开关 4 电容、电感测试仪的软件设计 4.1 i/o 口的分配 p1.0 r 测量程序的选择 p1.1 c 测量程序的选择 p1.2 l 测量程序的选择 p1.3-p1.4 多路选择开关控制选择 p1.0、p1.1 和 p1.2 按键输入及测量指示灯 在本设计的模块中，模块是以单片机为核心，再通过按键控制测量的被测 参数在数码管显示，按键主流程图如 14 所示。 图 14 按键主程序流程图 4.2 主程序流程图 在电容、电感测试仪的设计中，便于直观性，在数码管上显示被测参数的 选择，被测参数各个灯的选择以及具体设置。通过三个按键 sr,sc,sl 来进行灵 活控制，具体操作流程如图 15 所示。 开始 初始化 键扫描 键分析 ， 置状态 c 测 试 状 态 l 测 试 状 态 开中断 定时器设置 通道及指示灯设置 采值并计算 显示 图 15 rlc 测试仪的软件流程图 首先插入被测元件，开关打开以后，按下 set 键，进行复位，然后进行按键 选择，选择被测参数类别，之后单片机根据按键类别启动相应的参数测试程序， 测试完毕后将结果送入数码管显示。 4.3 频率参数计算的原理 本设计频率的计算采用单片机外部中断 ，对外触发电路产生的脉冲频 率的测量，再通过对测量数据的校正来完成。 单片机对频率测量的原理如下图 16 所示。 图 16 测频率原理图示 说明：图 4-3 中 t1 时刻检测到高电平开定时器 1，开始计数； t2 时刻等待 检测低电平；t3 时刻第二次检测到高电平时关定时器停止计数。 利用 gate=1,tr1=1,只有 引脚输入高电平时，t1 才允许计数，利 用此，将外部输入脉冲经 引脚上输入，等待高电平的到来，当检测到高电 平时开定时器开始计数，然后检测低电平，当检测到低电平时已经测得脉冲的 脉宽，但我们测得是频率，故在程序中药继续检测等待下一个高电平的到来， 此时关定时器停止计数，用此计数值乘以机器的周期数(晶振频率已知)，得出 触发电路产生的周期，然后再经过数据处理便得到输入信号的频率。程序流程 图如图 17 所示。 图 17 频率计算程序流程图 开始 程序初始化 数据处理 开定时器 tr=1 fw 是否为 1 fw 是否为 1 fw 是否为 0 结束 n n n y y y 结束语 毕业论文是一个把理论和实践相结合很好的机会,通过电容、电感测试仪 设计的课题设计,锻炼了我的动手能力,增强了我的能力去解决实际工程问题,同 时也提高我的查阅文献资料、规格设计和计算机制图,和其他专业能力水平。 本设计的硬件电路简单,可降低生产成本。采用单片机可以提高系统的可靠 性和稳定性,缩小了系统的体积,调试和维护方便,用 mcs - 51 单片机最小系统 为核心的设计满足工作的需求,实现了整个系统的测试和测量的电阻 555 振荡器 频率的电容参数,测量电感电容三点振荡器电路实现了参数频率,频率以模拟开 关 cd4052 成单片机计数,再通过显示电路显示测量值的参数测量,软件使用 c 语 言编程,要根据具体情况测量参数对应的程序,灵活控制开始齿轮开关控制参数 来衡量。在测试之后,系统每个模块可以正常在所有组织,成功地实现了设计的 硬件需求。 软件部分的系统是实现各种工作状态的关键。通过硬件电路的组合,在 keil51 平台、混合编程使用 c 语言和汇编语言编写系统应用程序,应用程序能 正常运行,达到了设计要求。 总之,整个系统正常工作,完成了所有设计任务的要求。 虽然这个系统完成了设计设计要求,但也存在很多需要改进的地方。工作测 量,测量电容有一定的误差,c 值越大,误差越大,误差来源于频率的振荡电路产 生和单片机应用程序误差。希望在接下来的设计可以进一步解决。在人机交流 方面、显示部分可以切换到显示效果更好的液晶屏显示,使系统工作状态和数据 显示更清晰,更有人性化。 参 考 文 献 1申忠如，申淼，谭亚丽.mcs-51 单片机原理及系统设计【m】.西安交通大学 出版社，2008 年 3 月第 1 版 2刘军，李智.基于单片机的高精度电容电感测量仪【j】.国外电子测量技术. 2007.26（6） 3付家才.单片机控制工程实践技术m.北京化学工业出版社，2004 4陈江华等.一种实用的电容、电感、电阻自动测试仪【j】.计量与测试技术. 2002.29（1） 5张毅刚.mcs-51 单片机应用系统【m】.哈尔滨工业大学出版社，1997 6夏继强.单片机实验与实践教程【m】.北京航空航天大学出版社，2001 7郝鹏,王大明.基于 51 单片机的电阻、电容、电感测试仪【m】.科技向导. 2011.20. 8付晓光.单片机原理与使用技术【m】.清华大学出版社，isbn7- 81082- 169- 5tp 9李正浩,姜宝钧.51 单片机在 led 数码管显示中的应用【j】.实验科学与技 术.2006.b12. 10j.c.whitaker.thermal design of elektronic equipment,crc press llc.lond on2001 致 谢 毕业设计结束了，本文是我在湖南工学院做毕业设计期间学习、工作的总 结，是在老师指导下完成的。 首先，我衷心地感谢所有在我做毕业设计期间帮助过我的人，尤其是老师。 在这几个月毕业设计的学习和工作中，导师的精心指导和培养使我在各个方面 都受益非浅。在分析问题、解决问题及独立工作的能力有了很大的提高。在此 期间，老师提出了很多有益的建议并给予我很大帮助。在本文的课题研究及写 作过程中，也给予了大力支持。在此谨向老师表示衷心的感谢。 再次，我要感谢我的母校，湖南工学院，在工学院这个学习氛围活跃、团 结友爱的集体里，大家互相帮助，彼此讨论问题，共同提高。在此也要感谢我 的各位学友，有了大家的支持和帮助使得论文研究工作得以顺利的进行。 最后，再次向老师以及帮助过我的同学们表示最真诚的谢意！ 附录一 系统原理图及 pcb 附图 附图 2 附录二 源程序 源程序： #include #include #include #include unsigned char inte=0; /频率值溢出定时器值 unsigned long int uu=0; /频率相对应的计数值 unsigned long int ff=0; /实际频率值 typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; uchar key1; int m=0,w=0,q=0,b=0,s=0,g=0; #define ledseg xbyte0xbfff #define leddat xbyte0xdfff /* 按键 */ sbit sl=p10; sbit sc=p11; sbit sr=p12; sbit fw=p35; sbit srg=p15; sbit srd=p16; void delay_5ms() uchar i,j; for(j=0;j5;j+) for(i=0;i125;i+); void delay_50us() uchar i; for (i=0; i6; i+); void display(uchar num,uchar seg) switch(num) case 1:num=0x06;break; case 2:num=0x5b;break; case 3:num=0x4f;break; case 4:num=0x66;break; case 5:num=0x6d;break; case 6:num=0x7d;break; case 7:num=0x07;break; case 8:num=0x7f;break; case 9:num=0x6f;break; case 0:num=0x3f;break; default :num=0x00;break; switch(seg) case 1:seg=0x01;bre