毕业设计（论文）-基于单片机的电容电感测量系统设计.doc

三 江 学 院本科生毕业设计（论文）题 目 基于单片机的电容电感测量系统设计 电气与自动化工程学院 院（系） 电气工程及其自动化 专业学生姓名 学号 12011071010 指导教师 职称 副教授 指导教师工作单位 南京理工大学 起讫日期 2015.2.22-5.23 摘 要随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常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现实必要性。本文分析测量了电容和电感量原理并且研究了单片机测量频率的方法，介绍了以MCS-51单片机为核心的电容电感测量系统的设计，将电容电感使用对应的振荡电路转化为频率实现各个参数的测量。该测试仪具有低功耗、高精度、携带方便等特点，把所测数据保存在单片机里，然后通过LCD显示。其中电容是采用555多谐振荡电路产生的，而电感则是根据电容三点式产生的。本设计采用Keil51为仿真平台，设计测量系统软件包括主程序模块、显示模块、电容测试模块和电感测试模块。最后测试结果表明，本设计性能稳定，测量精度高。关键词：MCS-51单片机；Keil51仿真平台；电容；电感；LCDAbstractWith the development of electronic industry,electronic components rapidly increased the scope of electronic components becomes more and more popularin the application,we often measured the size ofthe inductor and capacitor.Therefore,the design ofreliable,safe,has a great practical necessity capacitance inductance tester convenient.This paper analyzes the method to measure the capacitance and inductance of the principle and measure the frequency of SCM,the system design of capacitance and inductance measurement using MCS-51 microcontroller as the core of the oscillation circuit capacitance and inductance using the correspondingfrequency into the measurement parameters to achieve the.The instrument has the characteristics of low power consumption,high precision,easy to carry,the measured data is stored in the microcontroller,and thenthrough the LED display.The capacitance is generated by the 555 multivibrator circuit,but the inductance is generated according to the three point capacitance.This design usesKeil51 as the simulation platform,the design of the measurementsystem software consists of main program module,display module,test module capacitance and inductance test module.The test results show that the design of stable performance,high measurement precision.Keywords: MCS-51 microcontroller; Keil51 platform; capacitance; inductance; LCD第一章 前言11.1 研究的目的意义11.2 电容电感测试仪的发展历史和研究现状11.3 本设计所做的工作2第二章 电容电感测试仪的系统设计12.1 分析测量电容和电感量原理12.2单片机测量频率的方法。2 三江学院2011届本科毕业设计（论文）第1章 前言1.1 研究的目的意义电容电感测试仪针对变电站现场测量并联电容器组中的单个电容器电容值时存在的问题而专门研制的。电容电阻的测量在测试技术和产品研究中研发中应用的十分广泛。在应用中我们常常要测量电容电阻的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有极大的现实必要性和具有广泛的使用价值和应用前景。 传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。由于测量电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在555振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。本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和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，为今后开展单片机应用系统的设计和开发打下初步的基础。1.2 电容电感测试仪的发展历史和研究现状由于使用的场合不同，测量电容的方法各有不同，在电容的测量系统中，几乎都是普通的电路原理，比如把它作为阻抗的虚部来测量的有充电法、电感交流耦合电桥、比例法等而标准器件测量法、脉冲计数法、恒流源测量法和在线测量法则充分利用了单片机的可编程性，实现了电容测量的智能化。测量电感有很多的方法，有电桥法、谐振法等等，但都不能精确地读出大小。例如：电桥法由于调节电阻值一般只能用手动，电桥的平衡判断亦难以用简单的电路实现，因此不宜实现自动测量；而谐振法对振动器的要求比较高，因此和电桥法一样，他调节平衡判别很难实现智能化。随着单片机的诞生，传统的测量方法得到了根本性的改革，促进了仪器仪表的更新换代，提高了测量精度。在我国1997年05月21日中国航空工业总公司研究出一种电阻、电容、电感在线测量及装置等点位隔离方法，用于对在线的电阻、电容、电感元件实行等电位隔离。 随着生产水平和测试技术的提高，测试仪器得到了迅速发展，近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。不论是航空和导航系统的设计、调试，或者是自动生产线上的产品测试与控制，发展自动测试已经成为唯一的出路。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，现在误差为0.1%左右的测试仪器，大部分已经被具有高速度、高精确度、多参数、多功能的自动测量仪器所代替。特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。他是电测技术与电子测量仪器及数字电子计算机结合的产物。1.3 本设计所做的工作本设计是以555为核心的振荡电路，将被测参数模拟转化为频率，并利用单片机实现计算频率，所以，本次设计需要做好以下工作：1 分析测量电容和电感量原理。2 研究单片机测量频率的方法。3 LCD(液晶显示器)显示的使用和编程方法。4 以MCS-51单片机为核心，设计测量系统硬件。5 以Keil51为仿真平台，设计测量系统软件，包括主程序模块、显示模块、电容测试模块和电感测试模块。6 设计直流稳压电源。5第二章 电容电感测试仪的系统设计2.1 分析测量电容和电感原理电容器的种类很多，依其中使用的绝缘介质材料不同可分为：纸介电容、金属化纸介电容、云母电容、瓷介电容、涤纶薄膜电容、聚本乙烯薄膜电容、钽电解电容、铝电解电容、双电层电容等。大多数电容器没有正负极之分，容量一般都在1uf以下，一般适合在较高频率的场合使用；电解电容器的容量可以做到104uf，超大容量的双电层电容器（EDLC）其容量可以做到法拉级，但都有极性，适合低频场合使用，容量测量方法与无极性电容器不同。电感器一般有空心、磁心、铁心之分，但电感量的测量方法一般没有区别。基于此思想，且利用单片机，我们把电感值L通过三点式振荡器转变成频率信号f,然后传送至单片机，在单片机的内部计数器中计数，记录下产生的方波脉冲并通过事先输入的程序计算出电感值，最终通过串行口传到以为寄存器，然后经过气短数码显示管显示出来，最终得到结果。逻辑框如图2-1所示：f数字显示单片机MCS-51电容三点式振荡被测电感图2-1 电容测量逻辑框电容电感侧量有4种方法：1. 利用电容器放电测电容实验原理电容器充电后，所带电荷量Q与两极板电势差U和电容C之间满足Q=CU的关系.U可由直流电压表测出，Q可由电容器放电测量.使电容器通过高电阻放电，放电电流随电容器两极板间的电压下降而减少，通过测出不同时刻的放电电流值，直至i=0，作出放电电流i随时间变化的曲线，曲线下的面积即等于电容器所带电荷量Q.由C=QU可求出电容器的电容值.2. 利用放电时间比率测电容其测量原理是把被测电容和基准电容连接到同一电阻上，构成RC网络。通过测量两个电容放电时间的比率，就可以求出被测电容的电容值。测量范围从pF(10-12F)到几十个nF(10-9F)，并且在寄生电容的抑制和温度稳定性方面具有极很大的优势。3.RC或LC振荡器频率测量法利用单片机测脉冲来测时间常数RC再计算电容，其测量原理是把被测电容和电阻串联，构成RC网络，然后可利用这个时间常数去弄个振荡器，调好振荡信号的波形然后开始计数脉冲值，可能的周期为T=A0 RCA0为一个常数，可通过周期可以计算出C的值。这个可以用单片机来测，理论上可以从测的值可以为N多个，大大超过前面所讲述的。也可以采用LC组成三点式振荡器，而将电子元件的参数C、L转换成频率信号f.这样先用单片机测量该振荡器的频率或周期，然后再根据公式4. 利用交流电桥的平衡原理测量电容如图2-2是交流电桥的原理线路。它与直流单电桥原理相似。在交流电桥中，四个桥臂一般是由交流电路元件如电阻、电感、电容组成；电桥的电源通常是正弦交流电源；交流平衡指示仪的种类很多，适用于不同频率范围。图2-2 交流电桥的原理线路当电桥平衡时，由上式可求得2.2单片机测量频率的方法由振荡器频率的定义可知，测量频率就是测1S时间内计数脉冲的个数。因此，用单片机侧量频率的基本方法，就是采用一个定时器，用另外一个定时器作为计数器，来计数1S内脉冲的个数，得到的计数值就是脉冲的频率。这里有三个数据需要特别关注。1. 定时器的最大定时时间当单片机使用不同晶振时，定时器的最大定时时间不同。这里使用的12MHz晶振，其时钟周期是1US，T0在16位定时器工作方式时的最大定时时间是：1US*65536=65.535ms也就是说直接使用T0不能得到1S的时间。2. 计数器的最大计数1)、13位定时计数方式，最大计数值为213=8192,定时8192个机器周期。此方式已经不再用了，是为了和以前的单片机兼容，学初者不用掌握。 2)、16位定时计数方式，最大计数值为216=65536,定时65536个机器周期。此方式可实现最大的定时时间和最大计数次数。是最常用方式之一。3)、8位自动重装计数方式，最大计数值为28=256,定时256个机器周期。此方式工作时定时或计数到了不用重装初值，精度较高。另外在串口通讯时常用此方式。是最常用方式之一。 4)、特殊工作方式。将定时器0分成两个8位功能不全的定时计数器，要占用T1部分功能。也不常用3. LC振荡器的频率LC振荡器的频率公式是f=1/2LC当选用L=100H时，不同电容由公式计算所得到的f值如表2-1：表2-1 由公式求得的LC振荡器的频率C1000nF100nF10nF1000pF100pF10pF47pF33nFf/Hz1592350354159236503547159235650354737344987656由表2-1中的数据可以看出，当电容为10nF时，LC振荡器的频率已大大超过单片机的计数范围。因此在使用单片机测量频率时，要根据振荡频率的范围确定计时时间。2.3本机的测量原理本机的测量原理就是基于测量振荡器频率的方法。为了能够同时测量电容和电感，采用了LC三点式振荡器，拟采用MCS-51单片机为核心来实