单片机电阻、电容、电感测试仪.doc

简易电阻、电容和简易电阻、电容和 电感测试仪设计电感测试仪设计 作者：祝荣山作者：祝荣山(1020610315)(1020610315) 欧阳金信（欧阳金信（1020610261） 殷浩（殷浩（1020610363） 论文类型：应用型论文类型：应用型 日期：日期：2012 年年 11 月月 15 日日2012 年年 11 月月 23 日日 2 摘摘 要要 近几年来，电子行业的发展速度相当快，电子行业的公司企业数目也不断 增多。这个现象带来的直接结果是电子行业方面的人才需求不断增多。所以， 现在大多数高校都开设与电子类相关的专业及课程，为社会培养大量的电子行 业的人才。做过电路设计的工作人员或者学生大多数使用万用表来测量一些元 件参数或者电路中的电压电流。然而万用表有一定的局限性，它只能测量有限 种类的元器件的参数，对于电容和电感等一些电抗元件就无能为力了。所以制 作一种简便的电容电感测量仪显得尤为重要，方便电路设计人员或者高校电子 类专业的学生测量电路中需要用到的电容及电感的具体值。 本次设计的思想是基于以上原因提出来的。该系统以 STC89C52 单片机为 控制核心，搭配必要的外围电路对电阻、电容和电感参数进行测量。系统的基 本原理是将电阻阻值、电容容值、电感感值的变化均转换成方波脉冲频率的变 化，利用计数器测频后通过单片机做运算，最后计算出待测元件的各个参数并 显示在 1602 液晶屏幕上。系统使用按键选择被测元件类型，使用 1602 液晶屏 作为显示部分。测量时，只需将待测元件引脚放在测试仪的输入端，用按键操 作需要测量的参数，便可以很快测出被测元器件的参数，简便易用。实验测试 结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。 关键词：STC89C52 单片机 电阻测量电容测量电感测量 目录目录 摘 要.2 目录.3 1 设计的背景及意义.5 1.1 设计背景.5 1.2 电阻、电容、电感测试仪的发展历史及研究现状 .5 2 电路方案的比较与论证.7 2.1 电阻测量方案.7 2.2 电容测量方案.8 2.3 电感测量方案.10 3 核心元器件介绍.12 3.1 NE555 的介绍.12 3.4 NE5532 的介绍.14 3.5 STC89C52 的介绍.15 3.4 1602 液晶的介绍.17 4 单元电路设计.19 4.1 直流稳压电源电路的设计 .19 4.2 电源显示电路的设计 .20 4.3 电阻测量电路的设计 .21 4.4 电容测量电路的设计 .21 4.5 电感测量电路的设计 .22 4.6 电阻、电容、电感显示电路的设计 .23 5.程序设计.24 5.1 主程序流程图 .24 4 5.2 中断程序流程图.25 6 仿真结果.26 6.1 电阻测量电路仿真 .26 6.2 电容测量电路仿真 .26 6.3 电感测量电路仿真 .27 7 调试过程.29 7.1 电阻、电容和电感测量电路调试 .29 7.2 液晶显示电路调试 .29 8 心得体会.30 9 参考文献.31 10 附件.32 附件 1：电路图.32 附件 2：元件清单.33 附件 3：程序代码.34 1 设计的背景及意义设计的背景及意义 1.1 设计背景 目前，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阻，电容，电感的大小。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。 通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率 后进行测量。 电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算 器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。 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。 由于测量电阻，电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是 在参考 555 振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用 555 振荡器将 被测参数转化为频率，这里我们将 RLC 的测量电路产生的频率送入 AT89C52 的计数端端，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个 参数 1.2 电阻、电容、电感测试仪的发展历史及研究现状 当今电子测试领域，电阻，电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发 中应用的十分广泛。 电阻、电容和电感测试发展已经很久，方法众多，常用测 量方法如下。电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和 6 积分运算器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测 量。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，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。 将一个运算放大器的输出端与其反相输入端直接连接，形成一个电压跟随 器； 将基准精密电阻(R)的一端与被隔离的在线元件(Zx)的一端通过导线连 接，基准精密电阻(R)的另一端与信号源(Vi)或者地连接，被隔离的在线元 件(Zx)的另一端通过导线与地或者信号源(Vi)连接，基准精密电阻(R)与 被隔离的在线元件(Zx)连接的一端同时与运算放大器的同相输入端连接； 中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈。尽管本土测试测量产业得到了快 速发展，但客观地说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后。每当提起中国测 试仪器落后的原因，就会有许多不同的说法，诸如精度不高，外观不好，可靠 性差等。实际上，这些都还是表面现象，真正影响中国测量仪器发展的瓶颈为： 1.测试在整个产品流程中的地位偏低。由于人们的传统观念的影响，在产 品的制造流程中，研发始终处于核心位置，而测试则处于从属和辅助位置。关 于这一点，在几乎所有的研究机构部门配置上即可窥其一斑。这种错误观念上 的原因，造成整个社会对测试的重视度不够，从而造成测试仪器方面人才的严 重匮乏，造成相关的基础科学研究比较薄弱，这是中国测量仪器发展的一个主 要瓶颈。实际上，即便是研发队伍本身，对测试的重视度以及对仪器本身的研 究也明显不够。 2.面向应用和现代市场营销模式还没有真正建立起来。本土仪器设备厂商 只是重研发，重视生产，重视狭义的市场，还没有建立起一套完整的现代营销 体系和面向应用的研发模式。传统的营销模式在计划经济年代里发挥过很大作 用，但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。所以，为了快速缩小与国外 7 先进公司之间的差距，国内仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研发向面向 应用的研发的过渡。特别是随着国内应用需求的快速增长，为这一过渡提供了 根本动力，应该利用这些动力，跟踪应用技术的快速发展。 2 电路方案的比较与论证电路方案的比较与论证 2.1 电阻测量方案 方案一：串联分压原理 V Rx R0 串联电路原理图 根据串联电路的分压原理可知，串联电路上电压与电阻成正比关系。测量 待测电阻 Rx和已知电阻 R0上的电压，记为 Ux和 U0. 0 0 R U U R x x 方案二：利用直流电桥平衡原理的方案 根据电路平衡原理，不断调节电位器 R3，使得电表指针指向正中间，再测量电 位器电阻值。 1 32 R RR Rx 方案三：利用 555 构成单稳态的方案 9 555 定时器构成单稳态电路图 根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得 出频率，通过公式换算得到电阻阻值。 由 CRR f x *)2(*2ln 1 1 得 ) *2ln 1 (* 2 1 1 R Cf Rx 上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需 要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比较而言，方 案三还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。 故本设计选择了方案三。 2.2 电容测量方案 方案一：利用串联分压原理的方案 通过电容换算的容抗跟已知电阻分压，通过测量电压值，再经过公式换算 10 得到电容的值。原理同电阻测量的方案一。 方案二：利用交流电桥平衡原理的方案 )( 2 )( 21 221x j x j eZZeZZ 通过调节 Z1、Z2 使电桥平衡。这时电表的读数为零。通过读取 Z1、Z2、Zn 的值，即可得到被测电容的值。 方案三：利用 555 构成单稳态原理的方案 555 定时器构成单稳态电路图 根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得 出频率，通过公式换算得到电容值。 由 x CRR f *)2(*2ln 1 21 若 R1=R2,得 1 *2ln3 1 Rf Cx 上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需 要测量的电容值多，而且测量调节麻烦、电容不易测得准确值，不易操作与数 11 字化，相比较而言，方案三还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化， 精确度会明显的提高。故本设计选择了方案三。 2.3 电感测量方案 方案一：利用交流电桥平衡原理的方案（原理图同图 2-2） 方案二：利用电容三点式正弦波震荡原理的方案 电容三点式正弦波震荡电路图 由 x L CC CC f * * 2 1 21 21 得 12 21 21 2 * )2( 1 CC CC f Lx 上述两种方案从对测量精度要求而言，方案二需要测量的电感值多，而且 测量调节麻烦、电感不易测得准确值，不易操作与数字化，相比较而言，方案 二还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。 故本设计选择了方案二。 3 核心元器件介绍核心元器件介绍 3.1 NE555 的介绍 555 集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做 555 定时器或 555 时基电路。 但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调 速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲震荡、单稳、双稳和脉冲调 制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。它由于工作可 靠、使用方便、价格低廉，目前被用于各种电子产品中，555 集成电路内部有 几十个元器件，有分压器、比较器、基本 R-S 触发器、放电管以及缓冲器等， 电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。 555 集成电路内部结构图： 引脚图： 14 管脚介绍： 555 集成电路是 8 脚封装，双列直插型，如图（A）所示，按输入输出的排 列可看成如图（B）所示。其中 6 脚称阈值端（TH） ，是上比较器的输入；2 脚 称触发端，是下比较器的输入；3 脚是输出端（VO） ，它有 0 和 1 两种状态，由 输入端所加电平决定；7 脚是放电端（DIS） ，它是内部放电管的输出，有悬空 和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4 脚是复位端（MR） ，加上低电 平时可使输出为低电平；5 脚是控制电压端（VC） ，可用它改变上下触发电平值； 8 脚是电源端，1 脚是接地端。 典型应用555 震荡器电路： 由 555 构成的多谐振荡器如图（a）所示，输出波形如图（b）所示。 15 接通电源后，电源 VDD 通过 R1 和 R2 对电容 C 充电，当 Uc=2/3VDD 后，振荡器输出 Vo 翻转成 0，此时放电管导通，使放电管(DIS)接地，电容 C 通过 R2 对地放电， 使 Uc 下降。当 Uc 下降到=1/3VDD 后，振荡器输出 Vo 又翻转成 1，此时放电 管又截止，使放电端(DIS)不接地，电源 VDD 通过 R1 和 R2 又对电容 C 充电， ，又使 Uc 从 1/3VDD 上升到 2/3VDD，触发器又发生翻转，如此周而复始，从 而在输出端 Vo 得到连续变化的震荡脉冲波形。脉冲宽度 TL 约为 0.7R2C，由 电容 C 放电时间决定：TH=0.7(R1+R2)C，由电容 C 充电时间决定，脉冲周期 T 约为 TH+TL。 3.4 NE5532 的介绍 NE5532 是一种双运放高性能低噪声运算放大器。 相比较大多数标准运算放 大器，如 1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信 号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控 制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建议使用 5532A 版， 因为它能保证噪声电压指标。 NE5532 特点： 小信号带宽：10MHZ 输出驱动能力：600，10V（有效值） 输入噪声电压：5nV/Hz(典型值) 直流 电压增益：50000 交流电压增益：2200-10KHZ 功率带宽： 140KHZ 转换速率： 9V/s 大的电源电压范围：3V-20V 单位增益补偿 16 NE5532 引脚图： NE5532 内部原理图: 3.5 STC89C52 的介绍 STC 单片机的优点： 加密性强,很难解密或破解 超强抗干扰： 1 、高抗静电(ESD 保护) 2 、轻松过 2KV/4KV 快速脉冲干扰(EFT 测试) 3 、宽电压，不怕电源抖动 4 、宽温度范围，-4085 5 、I/O 口经过特殊处理 17 6 、单片机内部的电源供电系统经过特殊处理 7 、单片机内部的时钟电路经过特殊处理 8 、单片机内部的复位电路经过特殊处理 9 、单片机内部的看门狗电路经过特殊处理 超低功耗： 1 、掉电模式：典型功耗0;i-) for(j=110;j0;j-); /11.0592MHZ /液晶写命令函数 void write_com(uchar com) lcdrs=0; P0=com; delayms(5); lcden=1; delayms(5); 40 lcden=0;