毕业设计（论文）-基于单片机的RLC测试仪设计.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 基于单片机的 RLC 测试仪设计Design of RLC Instrument Based on SCM 长长 春春 工工 程程 学学 院院： ： 电气与信息学院 ： 电子信息工程 ： ： ： 讲 师 ： 2008 年 6 月 20 日 学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间长春工程学院毕业设计（论文）摘 要随着电子技术的发展，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。现在使用的 RLC 测试仪大都是硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵，而且对初学者来说很不方便。所以本设计设计了基于 AT89S51 单片机控制的 RLC 测试仪。利用单片机的运算和控制功能，方便地实现对 R、L、C 的参数的测量。可在硬件结构不变的情况下，同时用软件程序代替一些硬件测量电路。能够很好的完成对 RLC参数的测量。本设计通过插值算法使测量结果精度得到了有效的提高，同时通过数字惯性滤波法避免了读数的跳动，使得读取测量结果更加方便。本设计正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的 RLC 测试仪。关键词单片机 RLC 测试仪 插值算法 数字滤波AbstractWith the develop of electronic technology,the productsintelligentize and digitized has become a trend which is pursued by human ， Especially for electronic equipment precision and stability .The RLC testers now are used mostly hardware circuits ,which are complex, large volume comparison, inconvenience to carry, and price is more expensive and inconvenient for beginners. Therefore, the design of the RLC tester based on AT89C51 SCM is necessary. using the SCMs operation and control functions to realize the measure of the R, L, C parameters expediently. In the case of the hardware 长春工程学院毕业设计（论文）structure remain unchangable, using a software program to replace some hardware measuring circuit,which can complete the measure of RLC parameters very well. The design improves the resultsmeasuring accuracy by using the interpolation algorithm effectively, at the same time through a filtering method to avoid reading the beat, making it more convenient to read the measuring results. The design is conformed to the social development, developed a cheap and simple, automatic conversion range and smaller size, and portable RLC Tester.Key word : Single chip micro RLC measuring meter Interpolation algorithm Digital filtering长春工程学院毕业设计（论文）目 录1 引言1 1.1 课题设计目的意义1 1.2 课题设计内容1 1.3 技术要求 1 1.4 拟解决关键问题 2 1.5 课题的来源2 1.6 课题的范围22 总体方案设计2 2.1 方案一22.2 方案二42.3 方案选择42.4 系统原理框图 43 硬件设计 53.1 测电阻 RX的 RC 振荡电路53.2 测量电容 CX的 RC 振荡电路63.3 测量电感 LX的电容三点式振荡电路 73.4 模拟开关83.5 89C81 单片机113.6 LED 数码管显示器194 软件设计 214.1 主程序流程图214.2 频率的测量方法和误差分析214.3 稳定读数245 总结25参考文献26致 谢27附 录28长春工程学院毕业设计（论文）11 引言1.1 课题的目的和意义现在我们所使用过的 RLC 测试仪最典型的就是万用表，但是万用表在使用过程中如果操作不当非常容易产生误差，随着社会的发展测试仪的应用越来越广泛，我们发现仪表模式的测试仪使用起来越来越不方便。随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。当今社会，对 RLC 的测试虽然已经很成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本设计正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的 RLC 测试仪，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能 RLC测试仪，人机界面友好、操作方便的智能 RLC 测试仪，具有十分重要的意义。本设计是用振荡电路把 RLC 的参数转换成频率，再用单片机计算频率，然后对其值进行补偿后再显示RLC 的值，所以用起来非常方便而且价格便宜、精确度高，测量误差保持在 5%以内。本设计是基于 8051 单片机控制的智能 RLC 测试仪，利用单片机对 R、L、C 的参数进行测量，可以充分利用单片机的运算和控制功能，方便地实现测量，使测量精度得到提高。同时用软件程序代替一些硬件测量电路。能够很好的完成对 RLC 参数的测量，以满足现代测控系统的需要。本仪表通过插值算法使测量结果精度得到了有效的提高，同时通过数字惯性滤波法避免了读数的跳动，使得读取测量结果更加方便。1.2 课题设计内容设计一个带数字显示的电阻，电容和电感测试仪。采用 89C51 单片机为主要控制环节，通过振荡电路把参数转换成频率信号，再由模拟开关控制输入信号，并通过单片机对输入的信号进行计数和运算，最后在 LED 数码显示管上显示出被测原件的大小。并通过发光二极管指示出原件的类别和单位。1.3 技术要求长春工程学院毕业设计（论文）2测量范围：电阻 100 欧姆到 1M 欧姆，电容 100pF 到 10000pF，电感 100uH 到 10mH。测量精度：+5%用 4 位数码显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测原件的类别和单位。测量量程能够自动转换。有设计方案比较，理论分析和计算，测试结果分析。1.4 拟解决关键问题(1) 对 RC 震荡和 LC 三点式振荡的振荡器的设计和相关计算。在设计中要把电子元件的集中参数 R、C、L 转换成频率信号，而实现这一转换的原理分别是 RC 震荡和 LC 三点式振荡。所以要对振荡器进行设计。只有实现了转换才能进行下面的工作。(2) 8051 单片机的软件程序的设计和调试。经过转换后的信号要经过计数和运算才能得到我们所需要的数值，这就需要我们根据需要利用 8051 单片机进行编程，同时这个程序对整个系统也起着控制作用。这是一个重要的环节，要经过反复的编写程序和调试。(3) 测量量程的自动转换(4) 减小测量的误差。1.5 课题的来源随着社会发展的需求，测试仪应用的广发，老式的测试仪越来越不能满足社会的需求，基于这这一触发点需要完成一套智能型的适应需求的 RLC 测试仪。1.6 课题的范围依据不同的划分依据，可以将课题的范围划分为如下几种：以课题涵盖的知识分类来说，课题涉及到模拟电子学、数字电子学、单片机等学科，各学科的交织在一起，各自完成着各自的功能，再有机的整各在一起，就形成了一个完整的具备RLC测试功能的系统。以课题设计电路的类别来说，包涵硬件电路和软件电路。现时代的各种先进仪器设备，均具备相同的一个特点，那就是软硬件电路的整合。传统意义上的硬件电路已经不能满足当今社会日益发展的功能要求，而只有两者相互结合的设计，各取所长，才能满足设计的要求。以课题设计的用途来说，精度高，稳定性好，体积小、随身携带性强、重量轻巧的系统更适用于各领域测试的需求。长春工程学院毕业设计（论文）32 总体方案设计2.1 方案一RLC 参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法2.11 电桥法 电桥法是能同时测量电器元件 R、L、C 最典型的方法，如图 1 所示。电阻 R 可用直流电桥测量，电感 L、电容 C 可用交流电桥测量。电桥平衡的条件为 )*(2)*(121*xnjxjneZZeZZGZ1Z2ZxZn图 2-1 RLC 测量电桥通过调节阻抗 Z1、Z2 使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还要通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥平衡的判别亦难以用简单的电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。2.12 谐振法谐振法可以用来测量 L、C 值，如图 2 所示。它可以在工作频率上进行测量，使测量的条件更接近使用情况。但是，这种测量方法要求的频率连续可调，直至谐振。因此它对震荡器要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判断很难实现智能化。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-May-2007Sheet of File:C:Documents and SettingsGuest桌桌MyDesign.ddbDrawn B y:L0C0C1VCx长春工程学院毕业设计（论文）4图 2-2 谐振法测量 L、C 原理图2.13 伏安法 伏安法是测量电阻的最基本方法，如图 2-3 所示。分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和电压，根据公式 R=U/I 求得电阻。这种测量方法要同时测出两个模拟量，不易实现自动化。而指针式万用表欧姆挡是把被测电阻与标准电阻及电池串联，用电流表测出电流，由于被测电阻与电流一一对应，由此就可读出被测电阻阻值，如图 2-4 所示。这种测量的方法的精度变化大，若要较高的精度，必须较多的量程，电路复杂。 AVRx 图 2-3 伏安法测量电阻原理图 图 2-4 万用表测量电阻原理图以上各种方法都难以实现智能化，因此没有被本设计采用。很多测试仪都是把较难测量的物理量转变精度较高且较容易测量的物理量。基于此思路，我们把电子元件的集中参数 R、C、L 转换成频率信号 f，然后用单片机计数后再运算求出 R、C、L 的值 ，并显示，转换的原理分别是 RC 震荡和 LC 三点式振荡。其实，这种转换就是把模拟量近似地转化为数字量，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。2.2 方案二利用振荡器把电子元件的集中参数 R、C、L 转换成频率信号，通过模拟开关输入，然后通过单片机的计数和运算求出 RLC 的值，最终在显示器上显示出来。2.3 方案选择方案二与方案一相比较，方案二的产品比方案一的产品体积小，操作简单，应用更加广泛。而且成本也较低，功能强大、便于携带。且精度高，适应仪器发展的需求。基于以上，我们选择第二种方案。2.4 系统原理框图系统原理框图如图 2-5 所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberR evisionSizeBDate:24-M ay-2007Sheet o f File:C :Documents and SettingsGuest桌桌M yDesig n.ddbDrawn B y:GER 0R x长春工程学院毕业设计（论文）5单片机模拟开关频率功能选择按键LED 显示器RC 振荡器RC 振荡器电容三点式振荡器被测电阻被测电容被测电感图 2-5 系统原理框图长春工程学院毕业设计（论文）63 硬件设计3.1 测电阻 Rx 的 RC 振荡电路图 6 是一由 555 电路构成的多谐振荡电路。它的振荡周期为8488421)2)(2(ln)2(ln)(2(lnCRRCRCRRttTxxx即 (1)bkTRCTRx2)2(ln248式中,。8)2(ln21Ck 24Rb 为了避免直接采用式(1)来计算时由于某种原因引起的非线性误差,本设计引入了直线插值算法,做法如下：用本设计去测量标准电阻 R0、R1Rn，记下测得相应的周期 T0、T1Tn，得到基准点（R0，T0） 、 （R1，T1）（Rn，Tn） ，则有(i=0,1,n)bkTRii测量未知电阻 Rx 时，测得的周期为 T，若,则1iiTTTbkTRiibkTRii11bkTRx联立以上三式，得（2）)(11iiiiiixTTTTRRRR用式（2）计算 Rx 时，结果与电路中的元件参数无关，这样可以避免电路元件带来的误差。通过选用高精度的基准电阻和增加基准点的个数，便可使测量结果的误差在允许的范围内。长春工程学院毕业设计（论文）7图 3-1 测电阻 Rx 的 RC 振荡电路3.2 测量电容 Cx 的 RC 振荡电路如图 7 所示，测量 Cx 的 RC 振荡电路与测 Rx 的振荡电路完全一样。取 R1=R2，则kTTRCx1)2(ln31式中。1)2(ln31Rk 与测量电阻的过程相似，通过标准电容的测量可以得到基准点，00,TC11,TC，当测量未知电容得到相应的脉冲周期为 T 时，有nnTC ,xC （3）)(11iiiiiixTTTTCCCC长春工程学院毕业设计（论文）8图 3-2 测量电容 Cx 的 RC 振荡电路3.3 测量电感 Lx 的电容三点式振荡电路 如图 8 所示，在电容三点振荡电路中，C1、C2 分别采用 1000pF 和 2200pF 的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。这样根据振荡频率公式: (4)CLfx21其中2121CCCCC对于 10uH 的电感MHzf92. 110*6875. 0*102195由于单片采用 12MHz 晶振晶,最快只能计几百 kHz 的频率,因此在测电感这一档时,应分频后再送单片机计数。由式(4)得,其中22241kTCfLxCk241通过对一些标准电感的测量,可得到一些基准点,，当测量),(200TL),(211TL),(2nnTL未知电容得到相应的脉冲周期的平方为时，由直线插值法可得xL2T（5）)(222211iiiiiixTTTTLLLL长春工程学院毕业设计（论文）9C60.1uFC7C22200pFC11000pF22uFLR8100kR71kR171kR9100kR162k+12V+12Vf 图 3-3 测量电感 Lx 的电容三点式振荡电路3.4 模拟开关模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。3.41 模拟开关的电路组成及工作原理 图 3-4 模拟开关的电路组成长春工程学院毕业设计（论文）10模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成，如图一所示。模拟开关的真值表如下表 3-1 模拟开关的真值表EAB10011100高阻状态01高用状态模拟开关的工作原理如下： 当选通端和输人端同为 1 时，则 S2 端为，1 端为，这时1 导通，2 截止，输出端输出为，=，相当于输入端和输出端接通。 当选通为 0 时，而输人端为时，则 S2 端为 1，S1 端为，这时1 截止，VT2 导通，输出端为，也相当于输人端和输出端接通。 当选通端为时，这时1 和2 均为截止状态，电路输出呈高阻状态。 从上面的分析可以看出，只有当选通端为高电平时，模拟开关才会被接通，此时可从向传送信息；当输人端为低电平时，模拟开关关闭，停止传送信息。 3.42 常用的 CMOS 模拟开关集成电路 根据电路的特性和集成度的不同，模拟开关集成电路可分为很多种类。现将常用的模拟开关集成电路的型号、名称及特性列入表 3-2 中。表 3-2 常用的模拟开关类别型号名称特点模拟开关CD4066四双向模拟开关四组独立开关，双向传输CD40518 选 1 模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4052双 4 选 1 模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4053三路 2 组双向模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4067单 16 通道模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4097双 8 通道电路模拟开关电平位移，双向传输，地址选择多路模拟开关CD4529双四路或单八路模拟开关电平位移，双向传输，地址选择3.43 单八路模拟开关 CD4051根据设计需求我们选用的是 CD4051 模拟开关长春工程学院毕业设计（论文）11X62X41X3X74VCC16X55EN6X013VEE7GND8X312C9B10A11X215X114U?CD4051BC图 3-5 CD4051CD4051 相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的 3 位地址码 ABC 来决定。其真值表见表 1。 “INH”是禁止端，当 “INH”=1 时，各通道均不接通。此外，CD4051 还设有另外一个电源端 VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS 电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达 15V 的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源 VDD=5V， VSS=0V，当 VEE=5V 时，只要对此模拟开关施加 05V 的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V 的模拟信号。 表 3-3 输入状态与接通通道INH000000001C00001111B00110011输入状态A01010101接通通道01234567均不接通在设计中我们只需用 3 个通道即可。3.5 89C51 单片机3.51 单片机综述微处理器 CPU 微处理器是微型电子计算机的心脏或指挥中心，所以人们又称这个关键部件叫中央处理器，简称为 CPU。现在人们可以把 CPU、存储器、I/O 接口等功能部件都集长春工程学院毕业设计（论文）12成到，一块芯片上。这神芯片能够完成微机相应部分的功能，人们称它为单片微型计算机，简称单片机。单片机目前还没有一个确切的定义。普遍以为单片机是将 CPU，RAM，ROM、定时器/计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等计算机主要部件集成在一块芯片上，这样所组成的芯片级微型计算机称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer） ，简称为单片机微型机或单片机。由于单片机的硬件结构与指令系统都是按工业控制要求设计的，常用于工业的检测、控制装置中、因而也称为微控制器（Micro-Cotroller）或嵌入式控制器（Ebeddsed-Controller） 。AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM )，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51 单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。本设计选用的单片机是 Intel 公司生产的 AT89C51，其具备微型化、低功耗、高速化、集成资源多、性能优异而且价格便宜等优点。在本设计中利用单片机主要目的是为了，实现广告灯的智能闪烁，从而实现多种花样显示，同时也用于控制固态继电器的开通与关断。利用单片机实现的有利条件是价格便宜，而且容易实现便于修改。3.52 AT89C51 单片机功能特性概述AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51 单片机引脚图 3.3 如下所示：长春工程学院毕业设计（论文）13 P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.2/ECI3P1.3/CEX04P1.4/CEX15P1.5/CEX26P1.6/CEX37P1.7/CEX48RST9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119VSS20P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC40U?P89C51RC2BN/01图 3-6 AT89C51 单片机引脚图AT89C51 单片机引脚功能说明：Vcc：电源电压GND：地P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/0 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低 8 位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。Pl 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻时把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8 位地址。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口“1” ，通过内部的上拉电阻把端口长春工程学院毕业设计（论文）14拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器(例如执行 MOVX DPTR 指令)时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器(如执行 MOVX RI 指令) 时，P2 口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR )区中 R2 寄存器的内容)，在整个访问期间不改变 Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控制信号。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阳输出电流(IIL)。P3 口除了作为一般的 I/0 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 3-4 所示:表 3-4 P3 引脚的第二功能表P3.0 RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断 0）0INTP3.3（外中断 1）1INTP3.4T0（定时/计数器 0）P3.5T1（定时计数器 1）P3.6（外部数据存储器写选通）WRP3.7（外部数据存储器读选通）RDRST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出PROG脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(FRZG)如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置长春工程学院毕业设计（论文）15ALE 无效。：程序储存允许()输出是外部程序存储器的读选通信号，当 PSENPSENAT89C51 由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次 T 触发下有效，即输出两个脉冲。在此期间，访问外部数据存储器，这两次有效的信号不PSEN出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外程序存储器(地址为 0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平(接 VCC 端)，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp,，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。XTAL1：振荡器反相放人器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放人器的输出端3.53 部分模块介绍（1）时钟振荡器：AT89051 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图 3.7。外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容 C1, C2 接在放人器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 C1, C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用 30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pFl0F。 用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图 3.7 右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟，发生器的输入端，XTAL.2 则悬空。长春工程学院毕业设计（论文）16 内部振荡电路 外部振荡电路 石英晶体时：C1，C2=30pF10pF 陶瓷谐振器：C1，C2=40pF10pF图 3-7 振荡器电路图由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。（2）空闲节电模式： AT89C51 有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器 PCON(即电源控制寄存器)中的即(PCON. 1)和 IDL. (PCON.0)位来实现的。即是掉电模式，当 PD=1 时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL.是空闲等待方式，当IDI=1,激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即 PD 和 IDL 同时为 1，则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内 RAM 和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复负位终止。（3）终止：空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL. ( PCON. 0)被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随 RETI， （中断返回)指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后而的一条指令。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止需要注意的是，当硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU 通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期(24长春工程学院毕业设计（论文）17个时钟周期)有效，在这种情况下，内部禁止 CPU 访问片内 RAM，而允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。（4）掉电模式： 在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内 RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件负位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变 RAM 中的内容，在 Vcc 恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。空闲和掉电模式外部引脚状态如下表 3-5 所示：表 3-5 空闲和掉电模式外部引脚状态模 式程序存储器ALEPSENP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据(5) 定时/计数器在单片机应用系统中，常需要对外部脉冲进行计数或者每隔特定时间执行某一操作，因此定时/计数器是单片机控制系统重要的外设部件之一，几乎所有的单片机控制系统均有一个到数个定时/计数器。51 系列单片机内置了三个 16 位的定时/计数器，分别称为T0,T1,T2。 定时/计数器的核心部件是一个加法（或减法）计数器，可工作在定时方式或计数方式，因此称为定时/计数器。不过这两种工作方式没有本质的区别，只是计数脉冲来源不同而已：如果计数脉冲是频率相对稳定的系统时钟信号（一般是系统时钟的分频信号）时，则称为定时方式；反之，当计数脉冲取自 CPU I/O 引脚的外部信号时，称为计数方式。单片机内定时/计数器属于可编程部件，除了加法计数器（部分单片机芯片采用减法计数器 ）外，尚有工作方式控制寄存器，一般具有如下特点：工作方式寄存器。定时/计数器有多种定时或计数方式，使用前必须初始化工作方长春工程学院毕业设计（论文）18式寄存器，设置定时/计数器的工作方式（定时还是计数；硬件启动还是软件启动；计数长度-即作为 16 计数器使用还是 8 位计数器使用等）可以从 0 开始计数，也可以从特定值开始计数，因此定时/计数器是一个可读写的寄存器，使用前一般需要设置定时/计数器的初值。对于每来一个脉冲加 1 的定时/计数器，当计数器溢出时，可向 CPU 发出中断请求（定时时间到） ，以便 CPU 处理。(6) 寄存器 通用寄存器 R0R7，分成四组，共占据 32 个单元（片内 RAM），由程序状态字 PSW 的第 4、第 3 位选择。表 3-6 RS1、RS0 对工作寄存器的选择RS1、RS0R0R7 组号地址00100H07H01208H0FH10310H17H11418H1FH 专用寄存器 SFR（a）累加器 A（Accumulator）：地址 EOH,运算指令的目标寄存器，存放操作数和运算结果：也是用于访问外部存储器的唯一寄存器。（b）B 寄存器（B Register）：地址 FOH,专用于乘除法指令，存储数据、乘/除数；亦用作通用寄存器。（c）程序状态字 PSW：又称为标志寄存器，地址 DOH，可位寻址。定义为：长春工程学院毕业设计（论文）19Cy: 进位标志：有进/借位时，Cy=1.亦为位操作累加器。Ac：半进位标志。FO: 用户标志，由用户自行设置，在程序运行中标识某种状态。OV: 溢出标志：指示是否溢出，用于判断 A 中运算结果是否正确。最高进位 CP=0，次高位进位 CS=1,OV=CPCS=1,溢出（D7=1 为负数，于事实不符） P: 奇偶标志（标识 Acc 中当前奇偶状态，为 A 中 1 的个数之和，P1 为奇）。 RS1、RS0：当前工作寄存器组编号值，可在程序中设定。F0，RS1，RS0 均由用户设定。复位后 PSW0。若执行前 F0=0，RS1=0，RS0=0，则上例 PSW(CyACF0RS1RS0OVP)=0100 0100B(d) 堆栈指针 SP（Stack Pointer ）： 地址 81H。复位后 SP07H，占用了通用寄存器堆Rn 的位置。主要作用，保存断点地址。 注意： 数据压栈前 SPSP1，先入后出。PUSH ACC；SP=SP+1， (SP)ACC。 表 3-7 MCS-51 堆栈特点 堆栈特性 MCS-51 8086 内部/外部 内部 外部 堆栈指针位数 8 位 16 位 操作方式 单字节操作 字操作 堆栈方向 上堆式 入栈 SP+1，出栈 SP-1 下推式 入栈 SP-2，出栈 SP+2 栈指针复位状态 07H(建议设置为 60H) (e) 数据指针 DPTR(Data Pointer)： 16 位寄存器，由两个八位寄存器 DPH（82H）和DPL（83H）组成。作用：保存访问外部数据存储器或 I/O 端口的地址。 DPH 与 DPL 可作为通用寄存器使用。 (f)程序计数器 PC(Program Counter)：又称程序指针。16 位寄存器，为 CPU 提供当前待取指令的地址。 CPU 每读取一个字节的指令内容，PC 即自动加 1（PCPC+1）。 复位后 PC0。不能在程序中直接读或修改 PC 的内容。(g)端口 03 锁存器（P0P3）: 地址：80H,90H,AOH,BOH.(h)串口数据缓冲器 SBUF(Serial Data Buffer)：地址：99H长春工程学院毕业设计（论文）20(i)其它控制寄存器： 中断优先 IP，中断允许 IE，定时器方式 TMOD，定时器控制TCON，串口控制 SCON，电源控制 PCON 等 6 个。(7)MCS51 时序 时钟（主频）振荡器产生的方波脉冲信号，是 CPU 工作时序中最小的时间单位。标准频率为12MHz，即 T0。083S。 机器周期实现特定功能（如一条指令）所需时间。一个机器周期12 个时钟（振荡）周期，分成 6 个状态（ S1S6），每个状态分成 P1、P2 两拍： S1P1，S1P2，S6P1，S6P2； 指令周期执行一条指令所需时间，随指令不同而变。如单周期指令，双周期指令等。上图为单字节单周期读指令波形示意图。 指令时序单字节单周期指令时序：一个机器周期完成一条指令，读一次操作码。双字节单周期指令时序：一个机器周期完成一条指令，读两次。单字节双周期指令时序：两个机器周期完成一条指令，读一次。(a) 访问片外 ROM/RAM 时序：读片外 ROM 时序MOVC A, A+DPTR 准备（无效状态）， 操作码地址送 P0、P2 口，锁存低 8 位地址, CPU 读指令码， 译码，发控制命令， 操作数地址送 P0、P2 口，锁存低 8 位地址， 读操作数，送至 A。(b) 读片外 RAMMOVX A, DPTR 操作码(MOVX)地址送 P0、P2 口，锁存低 8 位地址； CPU 读指令码，译码，发控制命令； 操作数地址( 存于 DPTR 中)送 P0、P2 口，锁存低 8 位地址；长春工程学院毕业设计（论文）21 读 RAM 中操作数（低有效），送至 A。3.6 LED 数码管显示器LED 数码管是单片机控制系统中最常用的显示器件之一，LED 数码管在单片机系统中的地位类似于 CRT（阴极射线管）显示器在台式微机系统中的地位。在单片机系统中，常用一只到数只，甚至十几只 LED 数码管现实 CPU 的处理结果、输入/输出的状态或大小。LED 数码管的外观、引脚及笔段排列如图 13（a）所示，其中 a 到 g 段用于显示数字、字符的笔画，dp 显示小数点，而 3、8 引脚连通，作为公共端。一英寸以下的 LED 数码管内，每一笔段含有一只 LED 发光二极管，导通压降为 1.2 到 2.5V；而一英寸及以上 LED 数码管的每一笔段由多个 LED 发光二极管以串、并联方式连接而成，笔段导通电压与笔段内包含的 LED 发光二极管的数目和连接方式有关。在串联方式中，确定电源电压 VCC 时，每个 LED 工作电压通常以 2.0V 计算，根据 LED 数码管内各笔段 LED 发光二极管的连接方式，可以将 LED 数码管分为共阴极个共阳极两大类。在共阴极 LED 数码管中，所有笔段的 LED 发光二极管的负极连在一起，而在共阳极 LED 数码管中，所有笔段的 LED 发光二极管的正极连在一起。如图 3.8(b)(c)依据显示驱动方式的不同，可将 LED 数码显示电路分为静态显示方式和动态显示方式。f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8（a）abcdefgdpCOM桌3.8桌(b)长春工程学院毕业设计（论文）22abcdefgdpCOM桌3.8桌(c)图 3-8 数码显示管4 软件设计4.1 主程序流程图 初始化 开始 调用电阻测量模块测量电阻 刷新显示 测量电阻? 测量电容? N N Y Y 调用电感测 量模块测量电感 调用电容测量模块测量电容 图 4-1 主程序流程图长春工程学院毕业设计（论文）23不管是电阻、电容还是电感，都是转为频率后再测量的，因此频率或周期的测量是本软件的核心，其精度会直接影响到本测试仪的精度。频率或周期的测量可以利用单片的计时和计数功能来实现。4.2 频率的测量方法和误差分析设在时间 t 内检测到 n 个脉冲，则脉冲周期 (6)ntT T 对 t 和 n 的全微分 (7)dnntndtdnnTdttTdT2T 的相对误差 (8) ndntdtTdT测量脉冲周期的测量，有定时计数和定数计时两种方法，利用 AT89C51 单片机里的 T0和 T1 两个定时器/计数器可以实现，下面分别讨论这两种方法的测量精度。4.21 定时计数法 定时计数法的具体做法是：a. 将 T0 设为定时器，T1 设为计数器。b. 设定 T0 的定时中断时间 t 并允许中断，将 T1 清 0。c. 同时启动 T0 和 T1，等待 T0 中断。d. 在 T0 的中断服务子程序中读出 T1 的计数值 n。e. 将 t 和 n 代入式(6)求出脉冲周期 T。采用定时计数法时，计时误差 t 可忽略，可认为 dt=0,最大计数误差为一个脉冲，即，代入式(8)得，1maxdn (9)nndnTdT1maxmax若要保证其相对误差不超过 0.1%，即，则有%1 . 0TdT 或 (10)%1 . 01n1000n若 T0 设为 50ms 中断，则由式(6)得 或 (11) usmsntT50100050KHzTf201长春工程学院毕业设计（论文）24上式表明，定时计数法宜用在被测频率较高的场合。4.22 定数计时法a. 将 T0 设为定时器，T1 设为计数器。b. 设定 T1 的计数中断次数 n 并允许中断，将 T0 清 0。c. 同时启动 T0 和 T1，等待 T1 中断。d. 在 T1 的中断服务子程序中读出 T0 的计时值 t。e. 将 t 和 n 代入式(6)求出脉冲周期 T。采用定数计时法时，计数误差 dn=0,最大计时误差为一个机器周期，本系统采用了 12M 晶振，机器周期为 1us，故 us，代入式(8)得，1maxdt (12)ttdtTdT1maxmax若要保证其相对误差不超过 0.1%，即，则有%1 . 0TdT 或us=1ms (13)%1 . 01t1000t由式(6)得 (ms)或(KHz) (14)nntT1nTf1上式表明，定数计时法宜用在被测频率较低的场合。为了增大本设计的测量范围，应尽量增大频率的测量范围，本设计将频率测量范围定在 1Hz-200KHz。为保证测量精度和缩短测量时间，应将频率测量范围进行分量程，在不同的量程内采用不同的测量方法。根据式(11)和式(14)，可将频率测量的范围分为以下几量程量程 1：1Hz-1KHz，采用 1 次定数计时法测量量程 2：1KHz-20KHz,采用 20 次次定数计时法测量量程 3：20KHz-200KHz，采用 50ms 定时计数法测量长春工程学院毕业设计（论文）25频率的测量主要由 T0 中断和 T1 中断来完成，其流程图分别如图 4-2 和图 4-3 所示。图 4-2 T0 中断子程序流程图 图 4-3 T1 中断子程序流程图量程自动转换原理：单片机在某次测量频率后，若发现频率不在本次测量的量程内，就根据所测量到的频率所在的范围选择相应的测量方法，达到自动转换量程的目的。4.3 稳定读数 要使振荡器输出的频率绝对不变是很难做到的，这将会使在测量的过程中读数不停地跳动而影响读数，待别是在某个整数附近跳动时（比如在 5000跳动时，读数就会在14999 至 5001 中不停地跳动，每一位数字都是在变化的）读数就更难看清楚了，因此很有需要去使读数稳定下来。 在模拟电路中，用 RC 低通滤波电路可以使输出信号的波动减小，若用软件的方法模拟RC 低通滤波电路，同样可以使输出的数值变得稳定一些，这就是数字惯性滤波法。RC 低通滤波电路如图 4-4 所示，为输入信号，为输出信号。iuou T0 中断 现场保护 以定时计数方式测量周期或超过最大闸门时间 Y 关 T0、T1 计算周期 根据周期选择下一次测量方式 启动 T0、T1 N 恢复现场 中断返回 T1 中断 现场保护 关 T0、T1 计算周期 根据周期选择下一次测量方式 启动 T0、T1 恢复现场 中断返回 长春工程学院毕业设计（论文）26(16)图 4-4 RC 低通滤波电路建立图 4-4 的微分方程得， ioouRCuRCdtdu11将上式离散化，得 ikokkookuRCuRCtuu11)1(或 ikkookutRCtutRCRCu )1(令得tRCRC (15)ikkookuuu)1 ()1(由上式可知，