基于单片机的电阻电容电感测试仪.doc

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 在系统硬件设计中 以 MCS 51 单片机为核心的电阻 电容 电感测试仪 将电阻 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 其中电阻和电容是采用 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 将振荡频率送入 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被测参数 在系统的软件设计是以 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 包括主程序模块 显示模块 电阻测试模块 电容测 试模块和电感测试模块 最后 实际制作了一台样机 在实验室里进行了测试 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 With the development of electronic industry electronic components rapidly increased the scope of electronic components widely up gradually in applications we often measured resistors capacitors inductors size Therefore the design of reliable safe convenient resistance capacitance inductance tester of great practical necessity In the system hardware design take the MCS 51 monolithic integrated circuit as the core resistance the electric capacity the inductance reflectoscope reflector the resistance the electric capacity the inductance the use correspondence s oscillating circuit transforms for the frequency realizes each parameter survey And the resistance and the electric capacity are use 555 multiresonant circuits to produce but the inductance is produces according to the electric capacity bikini the oscilation frequency will send AT89C52 the counting to be neat through and fixed time counts may calculate by the frequency measurement rate figures out again through this frequency meter is measured the parameter In system s software design is take Keil51 as the simulation platform used the C language and the assembly language mix programming has compiled the system application software including master routine module display module resistance test module electric capacity test module and inductance test module Finally the actual production of a prototype tested in the laboratory results show that the prototype of the functions and indicators are the design requirements KEY WORDS Single slice of machine 555 resonance swings circuit LED dynamic display module Capacitance three point shock 目 录 1 前言 1 1 1 设计的背景及意义 1 1 2 电阻 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 3 1 4 本论文的结构安排 3 2 电阻 电容 电感测试仪的系统设计 5 2 1 电阻 电容 电感测试仪设计方案比较 5 2 2 系统的原理框图 5 3 电阻 电容 电感测试仪的系统硬件设计 7 3 1 MCS 51 单片机电路的设计 7 3 2 LED 数码管电路与键盘电路的设计 9 3 3 测量电阻 电容电路的设计 13 3 3 1 555 定时器简介 13 3 3 2 测量电阻电路的设计 15 3 3 3 测量电容电路的设计 16 3 4 测量电感电路的设计及仿真 17 3 4 1 测量电感电路的设计 17 3 4 2 测量电感电路的仿真 18 3 5 多路选择开关电路的设计 20 4 电阻 电容 电感测试仪的软件设计 22 4 1 I O 口的分配 22 4 2 主程序流程图 22 4 3 频率参数计算的原理 24 5 PCB 板的设计与系统的调试 26 5 1 PROTEL99SE 的介绍与 PCB 板的设计 26 5 2 系统调试与系统测试 28 5 2 1 系统软件调试 28 5 2 2 系统硬件调试 28 5 2 3 系统测试 32 6 结论与展望 34 致谢 36 参考文献 37 附录 38 附录一 系统原理图及 PCB 38 附录二 源程序 40 1 前言 1 1 设计的背景及意义 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 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 感在线测量方法及装置等电位隔离方法 用于对在线的电阻 电容 电感元件 实行等电位隔离 其特征在于 1 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 2 将基准精密电阻 R 的一端与被隔离的在 线元件 Z x 的一端通过导线连接 基准精密电阻 R 的另一端与信号源 V i 或者地连接 被隔离的在线元件 Z x 的另一端通过导线与地或者 信号源 V i 连接 基准精密电阻 R 与被隔离的在线元件 Z x 连接的 一端同时与运算放大器的同相输入端连接 3 通过导线将运算放大器的输出端 与线路板上所有的隔离点 C 连接 隔离点 C 的确定方法是 在线路板上凡是 与被隔离的在线元件 Z x 靠近信号源 V i 的一端 A 相连的电阻 电 容 电感元件的另一端均为隔离端 C 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 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 3 缺乏标准件的材料配套体系 由于历史的原因 中国仪器配套行业的企 业多为良莠不齐的小型企业 标准化的研究也没有跟上需求的快速发展 从而 导致仪器的材料配套行业的技术水平较低 虽然目前已有较大的改观 但距离 整个产业的要求还有一定距离 所以 还应把标准化和模块化的研究放到重要 的位置 还有 在技术水平没有达到的条件下 一味地追求精度或追求高指标 而没有处理好与稳定性之间的关系 上述这些都是制约本土仪器发展的因素 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 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 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 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 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 设计测量电阻 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 9 完成英文翻译 1 4 本论文的结构安排 本论文的结构安排为 第 1 章 前言 第 2 章 电阻 电容 电感测试仪的 系统设计 第 3 章 电阻 电容 电感测试仪的系统硬件设计 第 4 章 电阻 电容 电感测试仪的软件设计 第 5 章 PCB 板的设计与系统的调试 第六章 结论与展望 2 电阻 电容 电感测试仪的系统设计 2 1 电阻 电容 电感测试仪设计方案比较 电阻 电容 电感测试仪的设计可用多种方案完成 例如利用模拟电路 电阻可用比例运算器法和积分运算器法 电容可用恒流法和比较法 电感可用 时间常数发和同步分离法等 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 相结合等等来实现 在设计前对各种方案进行了比较 1 利用纯模拟电路 虽然避免了编程的麻烦 但电路复杂 所用器件较多 灵活性差 测量精 度低 现在已较少使用 2 可编程逻辑控制器 PLC 应用广泛 它能够非常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 但是用 PLC 实 现价格相对昂贵 因而成本过高 3 采用 CPLD 或 FPGA 实现 应用目前广泛应用的 VHDL 硬件电路描述语言 实现电阻 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 并下载到 CPLD 或 FPGA 可编程逻辑器件中 完成系统的控制作用 但相对而言规模大 结构复杂 4 利用振荡电路与单片机结合 利用 555 多谐振荡电路将电阻 电容参数转化为频率 而电感则是根据电 容三点式电路也转化为频率 这样就能够把模拟量近似的转换为数字量 而频 率 f 是单片机很容易处理的数字量 一方面测量精度高 另一方面便于使仪表 实现自动化 而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应用系统 且应用系统有较高的软 硬件利用系 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 而且设计时 间短 成本低 可靠性高 综上所述 利用振荡电路与单片机结合实现电阻 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 本设计中 考虑到单片机具有物美价廉 功能强 使用方便灵活 可靠性 高等特点 拟采用 MCS 51 系列的单片机为核心来实现电阻 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 2 1 如下所示 图 2 1 系统设计框图 框图各部分说明如下 1 控制部分 本设计以单片机为核心 采用 89C51 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 电阻 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 单片机包含中央处理器 程序存储器 ROM 数据存储器 RAM 定时 计数器 并行接口 串行接口和中断系统等几大单元 以及数据总线 地 址总线和控制总线等三大总线 现在分别加以说明 1 中央处理器 中央处理器 CPU 是整个单片机的核心部件 是 8 位数据宽度的处理器 能处理 8 位二进制数据或代码 CPU 负责控制 指挥和调度整个单元系统协调 的工作 完成运算和控制输入输出功能等操作 2 数据存储器 RAM 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元 它们是统 一编址的 专用寄存器只能用于存放控制指令数据 用户只能访问 而不能用 于存放用户数据 所以 用户能使用的 RAM 只有 128 个 可存放读写的数据 运算的中间结果或用户定义的字型表 3 程序存储器 ROM 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM 用于存放用户程序 原始数据或表格 4 定时 计数器 ROM 有两个 16 位的可编程定时 计数器 以实现定时或计数产生中断用于控制 程序转向 5 并行输入输出 I O 口 共有 4 组 8 位 I O 口 P0 P1 P2 或 P3 用于对外部数据的传输 6 全双工串行口 内置一个全双工串行通信口 用于与其它设备间的串行数据传送 该串行 口既可以用作异步通信收发器 也可以当同步移位器使用 7 中断系统 具备较完善的中断功能 有两个外中断 两个定时 计数器中断和一个串口 中断 可满足不同的控制要求 并具有 2 级的优先级别选择 8 时钟电路 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路 用于产生整个单片机运行的脉冲时序 本设计中单片机的设计电路如下图 3 1 所示 图 3 1 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 3 1 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 在电阻 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 与小白炽灯泡和氖灯相比 LED 的特点是 工作电压很低 有的仅一点 几伏 工作电流很小 有的仅零点几毫安即可发光 抗冲击和抗震性能好 可靠性高 寿命长 通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱 由于有这些特点 发光二极管在一些光电控制设备中常常用作光源 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 2 所示 图 3 2 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 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示 出我们要的数字 因此根据数码管的驱动方式的不同 可以分为静态式和动态 式两类 1 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每一 个段码都由一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进制译 码器译码进行驱动 静态驱动使编程简单 显示亮度高 2 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显 示方式之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同 名端连在一起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选 通由各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相 同的字形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显 示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每 位数码管的点亮时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效 应 尽管实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的 印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是 一样的 能够节省大量的 I O 端口 而且功耗更低 经过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 示方式能够节省大量的 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 5 P2 6 单片机片选电路如图 3 3 所示 图 3 3 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 5 P2 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 3 4 所示 图 3 4 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 C000H DFFFH 位码片选地址为 A000H BFFFH 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 3 5 按键电路所示 图 3 5 按键电路 控制R 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 测量电阻 电容电路的设计 3 3 1 555 定时器简介 555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件 它性能 优良 适用范围很广 外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发 器和多谐振荡器 以及不需外接元件就可组成施密特触发器 因此集成 555 定 时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换 测量与控制等方面 1 555 定时器内部结构 555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路 其内部结 构如图 3 6 A 部分及管脚排列如图 B 部分所示 图 3 6 定时器内部结构 它由分压器 比较器 基本 R S 触发器和放电三极管等部分组成 分压器 由三个 5K 的等值电阻串联而成 分压器为比较器 A1 A2提供参考电压 比 较器 A1的参考电压为 加在同相输入端 比较器 A2的参考电压为 加 2 3 1 3 在反相输入端 比较器由两个结构相同的集成运放 A1 A2组成 高电平触发信 号加在 A1的反相输入端 与同相输入端的参考电压比较后 其结果作为基本 R S 触发器端的输入信号 低电平触发信号加在 A2的同相输入端 与反相输 入端的参考电压比较后 其结果作为基本 R S 触发器端的输入信号 基本 R S 触发器的输出状态受比较器 A1 A2的输出端控制 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 3 7 C 部分所示 其中 R1 R2和电 容 C 为外接元件 其工作波如图 D 部分所示 图 3 7 震荡器工作原理 设电容的初始电压 Uc 0 t 0 时接通电源 由于电容电压不能突变 所 以高 低触发端 VTH VTL 0 比较器 A1输出为高电平 A2输出为低电 1 3 平 即 1 0 1 表示高电位 0 表示低电位 R S 触发器置 1 定时器输 出 u0 1 此时 定时器内部放电三极管截止 电源 Vcc经 R1 R2向电容 C 0 充电 uc逐渐升高 当 uc上升到时 A2输出由 0 翻转为 1 这时 1 3 1 R S 触发顺保持状态不变 所以 0 t t1期间 定时器输出 u0为高电 平 1 时刻 uc上升到 比较器 A1的输出由 1 变为 0 这时 1 2 3 0 1 R S 触发器复 0 定时器输出 u0 0 期间 放电三极管 T 导通 电容 C 通过 R2放电 uc按指数 1 2 1 规律下降 当时比较器 A1输出由 0 变为 1 R S 触发器的 1 Q 2 3 的状态不变 u0的状态仍为低电平 时刻 uc下降到 比较器 A2输出由 1 变为 0 R S 触发器的 2 1 3 1 0 触发器处于 1 定时器输出 u0 1 此时电源再次向电容 C 放电 重复上述过程 通过上述分析可知 电容充电时 定时器输出 u0 1 电容放电时 u0 0 电容不断地进行充 放电 输出端便获得矩形波 多谐振荡器无外部信号输入 却能输出矩形波 其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能 3 振荡周期 由图 D 可知 振荡周期 T T1 T2 T1为电容充电时间 T2为电容放电时 间 充电时间 3 2 1 1 2 ln2 0 7 1 2 放电时间 3 3 2 2 ln2 0 7 2 矩形波的振荡周期 3 4 1 2 ln2 1 2 2 0 7 1 2 2 因此改变 R1 R2和电容 C 的值 便可改变矩形波的周期和频率 对于矩形波 除了用幅度 周期来衡量外 还有一个参数 占空比 q q 脉宽 tw 周期 T tw指输出一个周期内高电平所占的时间 图 C 所 示电路输出矩形波的占空比 3 5 1 1 1 2 1 2 1 2 2 3 3 2 测量电阻电路的设计 定时器 555 是一种用途很广的集成电路 只需外接少量 R C 元件 就可 以构成多谐 单稳及施密特触发器 电阻的测量采用 脉冲计数法 由 555 电 路构成的多谐振荡电路 通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小 555 接成多谐振荡器的形式 其振荡周期为 3 6 1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 得出 3 7 1 ln2 1 2 1 即 3 8 1 ln2 1 1 2 电路分为 2 档 1 100Rx 1000 按下电阻测试建 Sr 闭合开关 Srd R2 330 C2 0 22uF 3 9 6 56 6 2 330 2 2 1000Rx 1M 按下电阻测试建 Sr 闭合开关 Srg R1 20K C3 103pF 3 10 1 443 8 2 4 电阻测试电路见图 3 8 所示 图 3 8 电阻测试电路 3 3 3 测量电容电路的设计 电容的测量同样采用 脉冲计数法 由 555 电路构成的多谐振荡电路 通 过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小 555 接成多谐振荡器的形式 其振荡周期为 3 11 T1 t1 t2 ln2 R1 R2 CX ln2 R2 CX 我们设置 R1 R2 得出 3 12 1 3 ln2 1 即 3 13 1 3 ln2 1 电路分为 1 档 R4 510K R4 R6 3 14 0 94 6 电容测试电路见图 3 9 所示 图 3 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 电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的 电容三点式振荡电路又 称考毕兹振荡电路 三点式振荡电路是指 LC 回路中与发射极相连的两个电抗 元件必须是同性质的 另外一个电抗元件必须为异性质的 而与发射级相连的 两个电抗元件同为电容式的三点式振荡电路 也就是 射同基反 的构成原则成 为电容三点式振荡电路 其振荡频率为 3 15 1 2 即 3 16 1 4 3 17 38 6 2 电感测试电路见图 3 10 所示 图 3 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 这次设计中主要用到 Pspice 软件中的电路原理图编辑程序 Schematics 模 块和输出结果绘图程序 Probe 模块 其中在电路原理图编辑程序 Schematics 模块中 PSPICE 的输入有两种形式 一种是网单文件 或文本文 件 形式 一种是电路原理图形式 相对而言后者比前者较简单直观 它既可 以生成新的电路原理图文件 又可以打开已有的原理图文件 电路元器件符 号库中备有各种原器件符号 除了电阻 电容 电感 晶体管 电源等基本 器件及符号外 还有运算放大器 比较器等宏观模型级符号 组成电路图 原理图文件后缀为 sch 图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件 以提供给模拟计算程序运行仿真 而在 输出结果绘图程序 Probe 模块中 Probe 程序是 PSPICE 的输出图形后处理软件包 该程序的输入文件为用户 作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为 dat 的数据文件 它可 以起到万用表 示波器和扫描仪的作用 在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲 线 随着计算机图形功能的不断增强 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 3 11 双击 XSC1 后可查看仿真波形 仿真波形如图 3 12 所示 图 3 11 仿真原理图 图 3 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 3 1 所示 表 3 1 多路选择开关控制 P1 4 P1 3 测量类别 00Y0 R 01Y1 C 10Y2 L 11 表 3 1 中 表示未定义此功能 多路选择开关硬件电路如图 3 13 所示 图3 13 多路选择开关 4 电阻 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 4 1 所示 图 4 1 按键主程序流程图 4 2 主程序流程图 在电阻 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 4 2 所示 开始 结束 初始化 执行键功能 有无按键操 作 有 无 图 4 2 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 开始 初始化 键扫描 健分析 置状态 R 测 试 状 态 C 测 试 状 态 L 测 试 状 态 开中断 定时器设置 通道及指示灯的设置 采值并计算 显示 结束 No Yes 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 1 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 4 3 所示 图 4 3 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 1 1 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 4 4 所示 图 4 4 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 5 PCB 板的设计与系统的调试 5 1 PROTEL99SE 的介绍与 PCB 板的设计 Protel99SE 是应用于 Windows9X 2000 NT 操作系统下的 EDA 设计软件 采用设计库管理模式 可以进行联网设计 具有很强的数据交换能力和开放性 及 3D 模拟功能 是一个 32 位的设计软件 可以完成电路原理图设计 印制电 路板设计和可编程逻辑器件设计等工作 可以设计 32 个信号层 16 个电源 地 层和 16 个机加工层 一 Protel 99 SE 的系统组成 按照系统功能来划分 Protel99se 主要包含以下两大部分和 6 个功能模块 1 电路工程设计部分 1 电路原理设计部分 Advanced Schematic 99 电路原理图设计部分包 括电路图编辑器 简称 SCH 编辑器 电路图零件库编辑器 简称 Schlib 编辑器 和各种文本编辑器 本系统的主要功能是 绘制 修改和编辑电路原理图 更 新和修改电路图零件库 查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表 2 印刷电路板设计系统 Advanced PCB 99 印刷电路板设计系统包括印 刷电路板编辑器 简称 PCB 编辑器 零件封装编辑器 简称 PCBLib 编辑器 和 电路板组件管理器 本系统的主要功能是 绘制 修改和编辑电路板 更新和 修改零件封装 管理电路板组件 3 自动布线系统 Advanced Route 99 本系统包含一个基于形状 Shape based 的无栅格自动布线器 用于印刷电路板的自动布线 以实现 PCB 设计的 自动化 2 电路仿真与 PLD 部分 1 电路模拟仿真系统 Advanced SIM 99 电路模拟仿真系统包含一个数 字 模拟信号仿真器 可提供连续的数字信号和模拟信号 以便对电路原理图进 行信号模拟仿真 从而验证其正确性和可行性 2 可编程逻辑设计系统 Advanced PLD 99 可编程逻辑设计系统包含一 个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器 Waveform 本系统的主要功能 是 对逻辑电路进行分析 综合 观察信号的波形 利用 PLD 系统可以最大限 度的精简逻辑部件 使数字电路设计达到最简化 3 高级信号完整性分析系统 Advanced Integrity 99 信号完整性分析系 统提供了一个精确的信号完整性模拟器 可用来分析 PCB 设计 检查电路设计 参数 实验超调量 阻抗和信号谐波要求等 二 Protel 99 SE 的功能特性 1 开放式集成化的设计管理体系 2 超强功能的 修改与编辑功能 3 强大的设计自动化功能 本设计中 PCB 的设计如图 5 1 所示 图 5 1 PCB 板的设计电路 5 2 系统调试与系统测试 5 2 1 系统软件调试 单片机开发中除必要的硬件外 同样离不开软件 汇编语言源程序要变 为 CPU 可以执行的机器码有两种方法 一种是手工汇编 另一种是机器汇 编 目前已极少使用手工汇编的方法了 机器汇编是通过汇编软件将源程序 变为机器码 用于 MCS 51 单片机的汇编软件有早期的 A51 随着单片机 开发技术的不断发展 从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发 单片 机的开发软件也在不断发展 Keil 软件是目前最流行开发 MCS 51 系列单 片机的软件 这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil 即可看出 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真 调试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uVision 将这些部 份组合在一起 运行 Keil 软件需要 Pentium 或以上的 CPU 16MB 或更多 RAM 20M 以上空闲的硬盘空间 WIN98 NT WIN2000 WINXP 等操 作系统 5 2 2 系统硬件调试 本设计的硬件部分通过调试 在调试过程中遇到很多问题 由于本单路是 由面包板搭成的 所以电路不稳定 刚开始数码管全亮但是单片机供电出现问 题 用万用表测试后发现单片机地线连接断路 问题解决后在显示测试过程中 数码管显示不变 然后发现一片 573 芯片发热 断电后用万用表测试发现连接 该 573 芯片的数据口出现断路 再次更换面包板后 测试显示部分基本正常 有时会出现数码管 g 段显示不稳定 分析后可能因上次 g 段数据断路导致 573 芯片发热有损坏 更换新的 573 后显示正常 其调试内容为 1 面包板接通电源 程序在 KEIL4 0 软件上运行后 调试数码管全亮显示 效果 数码管调试结果如图 5 2 所示 图 5 2 数码管调试 2 被测电阻的调试 按下 Sr 键后 闭合开关 Srg 数码管显示被测电阻 20K 的阻值 电阻调试经修正后的结果如图 5 3 所示 图 5 3 电阻调试 3 被测电容的调试 按下 Sc 键后 数码管显示被测电容 103 的示值 电容调试经修正后的结果如图 5 4 所示 图 5 4 电容调试 5 2 3 系统测试 1 测试原理 在系统设计中 以 MCS 51 单片机为核心的电阻 电容 电 感测试仪 将电阻 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 其中电阻和电容是采用 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 将振荡频率送入 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被测参数 以 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 包括主程序模块 显示 模块 电阻测试模块 电容测试模块和电感测试模块 2 测试方法 在测试时将被测参数通过本系统测量出来的示值与参数的标 称值进行对比 进而可以知道本系统的测试精度 3 测试仪器 示波器 万用表 稳压电源 计算机 4 测试结果 通过按键 实现其按键所对应的功能 并观察测试结果 对 设计进一步的进行校正和对实现功能的可靠性的确认 并记录观察结果 测试结果如下 a 电阻测试数据如表 5 1 所示 表 5 1 电阻测试数据 标称值 振荡频率 Hz 系统测量 相对误差 33069293330 9 20095012052 5 53049815280 4 4700503648924 1 200002596192163 9 4700001574646831 1 b 电容测试数据如表 5 2 所示 表 5 2 电容测试数据 读取示值 pF 振荡频率 Hz 标称值 pF 相对误差值 103316101051 0 10429962063 8 224161995839 2 c 由于电感制作复杂本次测试暂未对电感进行测试 4 测试分析 在实际测量中 由于测试环境 测试仪器 测试方法等都 对测试值有一定的影响 都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值 为 了减小本设计中误差的大小 主要利用修正的方法来减小本测试仪的测量误差 所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中 求取某类系统误差的修正值 在 测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键 修正值的获得有三种途径 第一种途径是从相关资料中查取 第二种途径是通过理论推导求取 第三种途 径是通过实验求取 本测试修正值选取主要通过实验求取 对影响测量读数的各种影响因素 如温度 湿度 电源电压等变化引起的系统误差 通过对相同被测参数的多次 测量结果和不同被测参数的多次测量选取平均值 最后确定被测参数公式的常 数 K 值 从而达到减小本设计系统误差的目的 由于振荡电路外围器件由电容 电阻分立元件搭接而成 所以由振荡电路产生的被测参数对应的频率有一定的 误差 所以只能通过多次实验测量 选取合适的修正值来尽可能的减少本测试 系统的误差 6 结论与展望 毕业论文是一次非常好的将理论与实际相结合的机会 通过对电阻 电容 电感测试仪的课题设计 锻炼了我的实际动手能力 增强了我解决实际工程问 题的能