电路的RLC测量.doc

摘要 本科毕业设计论文 题 目： 工频电路的RLC测量 系 别： 电气与信息工程系 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气102 学 号： 学生姓名： 李 佑 辰 指导老师： 申 2015 年 6月摘 要 随着智能科技的不断发展，电子器件的需求急剧增加，应用范围也逐渐广泛了，在日常工作和学习中常常要检测电阻，电容，电感的大小。另外，随着测量技术和手段的飞速发展，人们对于器件参数的测量精度提高了要求，现在教学实验中普遍使用的万用表已不能满足人们需求的测量精度，因此设计可靠，安全，便捷，测量精度更高的电阻，电容，电感测试仪具有广泛的使用价值和应用前景。本文以51单片机为核心。测量电阻和电容以NE555芯片为核心构建震荡电路，再根据电容的充放电过程，使得电路输出矩形波。测量电感的测量是采用电容三点式振荡电路，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，射同基反的原则成为电容三点式振荡电路，同时也输出矩形波，这样把所得的波形送给单片机，通过51单片机的定时、计数功能计算出矩形波的频率，再通过公式计算出电阻、电容、电感的数值，并送于LCD1602显示。关键词：RLC测量仪，NE555，51单片机，LCD1602ABSTRACTABSTRACTWith the development of intelligent science and technology, the demand of electronic devices are increasing sharply ,its application much wider,and we need to detect resistance, capacity and inductance in our daily life and study. Besides, as the measurement technology and method developing fast, the measurement accuracy of block parameters are higher, the widely used multi-meter in teaching experiment can not meet the setting measurement accuracy.Therefore,it will have practical use and prospects to design reliable ,safer convenient, and higher accuracy measurement devices to detect resistance, capacity and inductance. The paper is focused on 51 Microcontrollers,building oscillation circuit based on NE555 chip to measure resistance and capacity,making circuit exporting rectangle wave via the process of the charging and discharging of electric capacity.The detect of inductance adopt three point type oscillation circuit electric capacity,exporting rectangle wave at the same time.thus transmitting the wave to Microcontrollers, figuring out the frequency of rectangle wave through setting,counting function of 51 Microcontrollers,and then gets the figures of the three above by formula,conveys to the LCD1602 to display.KEY WORDS： RLC measuring device，NE555，MCS-51，LCD1602III绪论1目录摘 要ABSTRACT第1章.绪论11.1 课题的背景及意义11.2 课题的国内外研究现状11.3 本章小结2第2章.系统的总体设计32.1 设计要求及任务32.1.1 主要任务32.2.2 技术要求32.2 方案比较42.3 方案论证52.3.1 总体思路52.4 本章小结5第3章.电路的硬件设计与说明73.1 芯片的介绍73.1.1 芯片的引脚功能73.1.2 的工作原理83.2 测量电阻的电路设计93.2.1 用时基电路构成多谐振荡器93.2.2 测量电阻的电路模块113.3 测量电容的电路设计123.4 测量电感的电路设计133.5 51单片机系统的硬件电路设计143.5.1 单片机结构介绍143.5.2 单片机的特点153.5.3 总线结构183.5.4 51单片机最小系统的设计183.5.5 显示电路的设计203.5.6 键盘电路的设计223.5.7 多路选择开关的设计233.6 本章小结24第4章.电路的软件设计与说明254.1 I/O口的分配254.2主程序流程图264.3 本章小结27第5章.系统的仿真与调试295.1 Protues的介绍295.2 系统的仿真及数据分析305.3 Altium Designer的介绍355.4 电路的PCB绘制355.5 本章小结37结 论39致 谢41参考文献：43附 录：45外文翻译53第1章.绪论1.1 课题的背景及意义 随着智能科技的不断发展，电子器件的需求急剧增加，应用范围也逐渐广泛了，在日常工作和学习中常常要检测电阻，电容，电感的大小。另外，随着测量技术和手段的飞速发展，人们对于器件参数的测量精度提高了要求，现在教学实验中普遍使用的万用表已不能满足人们需求的测量精度，因此设计可靠，安全，便捷，测量精度更高的电阻，电容，电感测试仪具有广泛的使用价值和应用前景。 现在的工作学习中,数字RLC阻抗测量仪因其测量性能稳定可靠,与传统的手动交流电桥相比,不需要多次复杂的手动平衡,还能降低测量误差和结果计算,故已被越来越多地被应用于交流阻抗参数的测量。要保证RLC测量仪测量准确度,对其性能的考核就显得尤为重要。1.2 课题的国内外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。国内外电阻、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。1.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。2.电容的测量分为谐振法和电桥法两种。谐振法电路简单，速度快，但精度低；电桥法测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量精度和上速度有较大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。3.电感测量依据交流电桥法，这虽然可以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。早在我国1997年05月21日中国航空工业总公司研究出一种电阻、电容、系统的总体设计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。 纵览目前国内外的RLC测试仪，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。例如传统的用阻抗法、Q表、电桥平衡法等测试RLC的过程中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调很多参数，对初学者来说很不方便，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，本系统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。1.3 本章小结 本章首先介绍了在现在电子工业迅速发展的当下，RLC测量仪具有广泛的使用价值和应用前景，然后分别介绍了电阻、电容、电感现在的测量方法，分析了国内外的测量现状，描述了RLC测量仪的发展进程，通过这样简单的介绍，使这次的设计工作能够很顺利的完成。第2章.系统的总体设计2.1 设计要求及任务2.1.1 主要任务 1.工频电路的基本参数是电阻、电感和电容的测量。 2.本题是学生全面掌握电气专业基础理论和现代测试技术的重要组成成分。 3.选用MCS-51单片机组建系统结构的方法，对培养学生具有深远的意义。 4.选择合理芯片设计调理放大电路，应用仿真技术初步确定设计参数。 5.该类型的题目对应用技术型的学生，基本是在设计建议下的移植复现；如果有部分改进设计就可以认为是创新。2.2.2 技术要求 原始数据： 1.电阻测试范围：10欧姆1兆欧， 2.电容测试范围：0.1F-1000F， 3.电感测试范围：10微亨-100毫亨 技术要求： 1.测量准确度：0.1 2.分辨率要求：电阻1欧姆，电容0.1F，电感1微亨 工作要求 1.组建采用MCS51系列单片机为核心组建硬件系统， 2.选择合适的传感器、设计相应的调理电路并用仿真技术确定参数， 3.按照精度要求选择合适的ADC，根据操作功能要求，确定键盘控制功 能，按位数设计显示接口电路，。 4.采用C语言编写应用程序并调试通过，3 5.对系统进行测试和结果分析， 6.写出论文。2.2 方案比较 目前，测量电子元件集中参数RLC的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。有许多方法可以被运用至电阻、电容、电感测试仪的设计中来。譬如比例运算器法、利用模拟电路和积分运算器法在测试电阻中起到很大作用；恒流法和比较法对于电容的测试作用也占重要地位；可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合以及同步分离法种种手段来达到测量电感的目的。 各种方案比较： 1)采用FPGA或实现CPLD 三大电子元件的设计可以使用VHDL硬件电路，这一硬件所制造的途径是这一设计的主要语言。除此之外， MAXPLUSII这一软件所模拟的环境对于设计有极大的帮助，这一环境模拟的环境对上述语言进行仿真处理并且下载至可编辑器件中进行进一步处理，现在大多使用CPLD或FPGA这些可编程逻辑器件，最终得以实现系统的目的，得以较好的控制。不过，相对而言规模大，结构复杂。 2)利用纯模拟电路 纯模拟电路尽管去除了程序编写这一大问题，但是所使用的器件繁多，灵活性大大降低，测量精度也大不如前，因此这一效率极低的方法已被市场淘汰。 3)可编程逻辑控制器(PLC) PLC这一方法深受市场欢迎，目前的运用也较为普遍。其凭借高速、高精度以及高效率等优势成为占据市场大多数的测量方法，也是笔者对硬件实施控制所运用的选择。然而，PLC的没有实现经济最低化，在成本上是市场的一大难题。 4)利用振荡电路与单片机结合 相比于上述方法，单片机可谓是本次设计的最佳选择。首先单片机的软硬件系统利用度较高这一特点使得其应用系统的规模各异，除此之外，硬件与软件的实施性完全不存在冲突性，其软件可完美显示其硬件的功能表达。其次，单片机所具备的系统配置具有极高的灵活性，其编程功能完善，系统完备，为本次设计奠定良好基础。再者，较低的成本以及较高的可靠性为本次设计的成功保障。振荡电路可成功地将模拟量与数字量相互转换，并且具有极高的精度，除此之外，这一电路的优点更是能实现自动化，大大减少了人力资源，降低成本，提高效率。综上所述，本次设计是单片机和振荡电路共同完成的，这不仅降低研究成本，更为设计的成功提供有效保障。2.3 方案论证2.3.1 总体思路本设计中把转换成频率信号，转换的原理分别是振荡电路和电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。 该设计方案的总体方框图如图2-3-1所示。图2-3-1设计的总体方框图2.4 本章小结本章首先介绍了这次毕业设计的技术要求，针对此要求进行了方案比较，最终确定了本次设计是单片机和振荡电路共同完成的，这不仅降低研究成本，更为设计的成功提供有效保障，同时对总体方案做出了设计。5电路的硬件设计与说明第3章.电路的硬件设计与说明3.1 芯片的介绍3.1.1 芯片的引脚功能芯片的引脚功能如图所示图 芯片的引脚功能（比正文小一号） 如图中所示： （脚）：接正电源。一般为。 （脚）：接地。 （脚）：复位端。当此端接低电平时，电路不工作，这时不管TH是何电平，电路输出为“0。这个端在不用的时候，应该接高电平。 （脚）：高电平触发端。当此引脚的电压大于的时候，触发器复位，那么输出端处于“0”电平。 （脚）：低电平触发端。当此引脚的电压小于的时候，触发器处于置位状态，那么输出端就处于“”电平。 （脚）：控制电压端。此端与分压点相连，如果在这个端加入外部电压，可以改变上下触发电位。所以此端如果不用，就串入一只的电容，并接地，防止引入干扰。 （脚）：放电端。此脚与放电管相连，用作定时电容的放电。 或者（脚）：输出端。电路连接负载端，通常此脚为低电平，但在定时的时候是高电平。若测电阻，此脚与相连；若测电容，此脚与相连。3.1.2 的工作原理的工作原理如图3-1-2所示图3-1-2 定时器的原理电路含有两个比较器、。参考电压为2/3Ucc，参考电压为。当时，输出为；当时，,输出为，则使触发器置。当时，输出为；当时，输出为，使触发器置。端为电压控制端，通过外接一个参考电源，可以改变上、下触发电位值，不用时，可通一个旁路电容接地。端为触发器复位端，不用时应接高电平。总之，相当于一个可用模拟电压来控制翻转的触发器。7电路有无稳态、单稳态和双稳态三种基本工作方式。用这三种方式中的一种或多种组合起来可以组成各种实用电子电路(用得最多的是前两种方式)。3.2 测量电阻的电路设计3.2.1 用时基电路构成多谐振荡器 在电路中采用RC振荡电路来测量电阻、电容的值，用时基电路构成RC振荡器。如图3-2-1(a)所示，将与三个阻、容元件如图连接，便构成稳态多谐振荡模式。如图3-2-1(a)所示：图3-2-1(a)电路图图3-2-1(b)波形图 当加上电压时，由于上端电压不能突变，故处于置位状态，输出呈高电平“”，而内部的放电管截止，通过和对其充电，脚电位随上端电压的升高呈指数上升，波形如图3-2-1(b)所示。 当上的电压随时间增加，达到阈值电平(脚)时，上比较器翻转，使触发器置位，经缓冲级倒相，输出呈低电平“”。此时，放电管饱和导通，上的电荷经至放电管放电。当放电使其电压降至触发电平(脚)时，下比较器翻转，使触发器复位，经缓冲级倒相，输出呈高电平“”。以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间就是C上的电压从充电到所需的时间，故两端电压的变化规律为: ()设 ()则上式简化为: ()从上式中求得: ()一般简写为: ()电路间歇期就是两端电压从电到所需的时间，即: ()从上式中求得，并设，则 ()一般简写为: ()那么电路的振荡周期为:9 ()振荡频率，即: () 输出振荡波形的占空比为: ()从上面的公式推导，可以得出(1)振荡周期与电源电压无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅、的值有关。振荡波的占空比与的大小无关，而仅与、的大小比值有关3.2.2 测量电阻的电路模块 图是一由电路构成的多谐振荡电路如图3-2-2所示。它的振荡周期为： ()即 () 图3-2-2 测电阻的振荡电路为了使振荡频率保持在以内这一频率计计数的高精度范围内，需选择合适的值和值。同时不使电阻功耗太大，选择：=, =； 当=时： () 当=时： ()3.3 测量电容的电路设计 如图3-3，测量的振荡电路与测的振荡电路完全一样。若 ,则 ()图3-3 测量电容的振荡电路 选择=，当=时：11 () 当=时： ()3.4 测量电感的电路设计电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。三点式振荡电路是指：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： () 即： ()电感测试电路见图3-4所示。图3-4 测量电感的电路3.5 51单片机系统的硬件电路设计3.5.1 单片机结构介绍单片机通常是指芯片本身,在它上面集成是一些作为基本组成部分的运算器电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，如组成谐振电路和复位电路的石英晶体、电阻、电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。13 图3-5-1 的结构框图3.5.2 单片机的特点 是一种带字节闪烁可编程可擦除只读存储器（Erasabley）的低电压，高性能位微处理器，俗称单片机。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能位和闪烁存储器组合在单个芯片中，的是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 主要特性： 1. 与兼容 2. 字节可编程闪烁存储器 3. 寿命：写/擦循环 4. 数据保留时间：年 5. 全静态工作：- 6. 三级程序存储器锁定 7. 位内部 8. 可编程线 9. 两个位定时器/计数器 10. 个中断源 11. 可编程串行通道 12. 低功耗的闲置和掉电模式 14. 片内振荡器和时钟电路 管脚说明： ：供电电压。 ：接地。 口：口为一个位漏级开路双向口，每脚可吸收门电流。当口的管脚第一次写时，被定义为高阻输入。能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在编程时，口作为原码输入口，当进行校验时，输出原码，此时外部必须被拉高。 口：口是一个内部提供上拉电阻的位双向口，口缓冲器能接收输出门电流。口管脚写入后，被内部上拉为高，可用作输入，口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在编程和校验时，口作为第八位地址接收。 口：口为一个内部上拉电阻的位双向口，口缓冲器可接收，输出个门电流，当口被写“”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。口当用于外部程序存储器或位地址外部数据存储器进行存取时，口输出地址的高八位。在给出地址“”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，口输出其特殊功能寄存器的内容。口在编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 口：口管脚是个带内部上拉电阻的双向口，可接收输出个T15TL门电流。当口写入“”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，口将输出电流（）这是由于上拉的缘故。 口也可作为的一些特殊功能口，如下所示： 1）P3.0RXD（串行输入口） 2）P3.1TXD（串行输出口） 3）P3.2/INT0（外部中断0） 4）P3.3/INT1（外部中断1） 5）P3.4T0（记时器0外部输入） 6）P3.5T1（记时器1外部输入） 7）P3.6/WR（外部数据存储器写选通） 8）P3.7/RD（外部数据存储器读选通） 9）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.5.3 总线结构 的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口部分P3外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。这些管脚构成了三总线形式，即：1.地址总线(AB)：地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接地址外围为64K字节。16位地址总线由P0经地址锁存器提供低8位地址(A0A7)；P2口直接提供高8位地址(A8A15)。2.数据总线(DB)：数据总线宽度为8位，由P0口提供。3.控制总线(CB)：由部分P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、/EA、ALE、/PSEN组成。3.5.4 51单片机最小系统的设计单片机它本身只是一个芯片，要自动工作，还必须加上外围电路。这就是复位电路和震荡电路。这两个电路是固定的其组成见原理图。要使单片机工作起来，最基本的电路的构成为下图所示：17图3-5-4-1 单片机最小系统1)电源电路 AT89S52单片机的工作电压范围：4.0V5.5V， 所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为VCC(40脚)：接电源+5V端VSS(20脚)：接电源地端。2） 时钟电路 单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。AT89S51单片机时钟频率范围：0 33MHz。 时钟电路连接方式如下：图3-5-4-2 时钟电路3） 复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。 复位电路连接方式如下：图3-5-4-3 复位电路 单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。 通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”。3.5.5 显示电路的设计 这次设计中，选用的是LCD1602显示器。它与单片机相连，电路比较简单，而且它的体积比较小，重量比较轻，功耗还很低，能很容易的显示出各阻抗的单位。因为AT89C52的P1口、P2口和P3口都是带内部上拉电阻的I/O口，所以如果液晶与三个I/O口中任一个相连，就可以不用接上拉电阻。具体电路如图3-5-5所示。19图3-5-5 液晶显示电路 因为AT89C52的P1口、P2口和P3口都是带内部上拉电阻的I/O口，所以如果液晶与三个I/O口中任一个相连，就可以不用接上拉电阻，但是P0口却没有带内部上拉电阻， LCD1602液晶显示器是字符型液晶显示模块，可以显示字母、数字、符号等。LCD1602模块由控制器HD44780、驱动器HD44100和液晶板组成。它的显示缓冲区有80个单元，但是第一行只用00H0FH单元，第、二行只用40H4FH单元。 它的主要技术参数为： 1）显示容量：162个字符。 2）芯片工作电压：4.55.5V。 3）工作电流：2.0mA(5.0V)。 4）模块最佳工作电压：5.0V。 5）字符尺寸：2.954.35。 采用的是标准的14脚（无背光）接口，各引脚功能如下： Vss：地电源。 VDD：接+5V电源。 VEE：液晶显示器对比度调整端。接地时，对比度最高；接正电源时，对比度最弱。 RS：寄存器选择。高电平时，选择数据寄存器；低电平时，选择指令器。 R/W：读写信号线。高电平时，进行读操作；低电平时，进行写操作。当RS=0且R/W=0时，写入指令或者是显示地址；当RS=1且R/W=0时，写数据；当RS=1且R/W=1时，读数据。 E：使能端。当E=1变为E=0时，液晶模块执行命令。 D0D78： 位双向数据线，此处与单片机的P0.0P0.7分别相连。 LCD1602模块使用前，要先进行初始化，初始化的内容就是你希望它能怎样的去工作。这个电路图，液晶显示这块，希望字符能从最后一个开始显示，依次往前推，光标依次向左移动，字符不动，而且是8位接口，双行显示，5*7点阵。所以此次初始化的内容是： 1） 清屏：光标回到屏幕左上角，数据为0x01。 2） 功能设置：8位接口，双行显示，5*7点阵，数据为0x38。 3） 显示与不显示设置：开显示，有光标，而且光标闪烁，数据为0x0f。 4） 输入模式设置：光标左移一格，地址计数器减1，数据为0x04。 5） 光标或屏幕内容移位选择：移光标，向左移，数据为0x10。3.5.6 键盘电路的设计由于键盘的个数很少，再加上我们设计的电子钟结构简单，所用单片机的资源很少P1口没有被使用。所以我们可以做成独立式，而不要矩阵式。只要把四个键A、B、C、D直接一P1口相接，另一端接地，就可以了,电路原理图如下。图3-5-6 键盘接口213.5.7 多路选择开关的设计单片机的口线是有限的,为了节约口线,选择了多路开关来选择需要的的一路信号。CD4051引脚功能见图3-5-7-1。CD4051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。图3-5-7-1 CD4051引脚输入状态接通通道INH000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1均不接通 表3-5-7-2 CD4051逻辑控制表233.6 本章小结 本章对总系统电路进行设计说明，分别对于电阻、电容、电感测量电路进行搭建，用时基电路构成RC振荡器对R和C进行测量，采用电容三点式振荡电路来实现电感的测量，对于系统的整体电路做出了规划。随后对于51单片机系统的硬件电路设计做出了说明，分别对51单片机最小系统、显示电路、键盘电路、多路选择开关进行了设计说明，从而能够达到本次设计的要求。25电路的软件设计与说明第4章.电路的软件设计与说明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P2.3-P2.4多路选择开关控制选择P2.0、P2.1和P2.2按键输入及测量指示灯模块是以单片机为核心，然后通过按键控制测量的被测参数在LCD显示。按键主程序流程图如下开始按键初始化有无按键按下执行按键功能LCD显示结束 图4-1 按键主流程图4.2主程序流程图 被测参数的各个选择和详细数据都会以一定方式得以呈现，具有极高的直观价值。在三键互换的高便捷化的步骤中，首先是被测元件的植入，其次开启开关，SET键的作用使得数据恢复至原始状态，最后对其操作选择项，其种类是被测参数的重要指标。参数测试程序的启动必须由按键实现，着重注意的是单片机按键的种类，总之，最终LCD会表达出所测结果。开始是L键否是C键否是R键否键盘扫描程序调显示程序显示0000初始化测量电感的程序测量电容的程序测量电阻的程序LCD显示结束 图4-2-1 主程序流程图 本设计频率的计算采用单片机外部中断，然后对外触发电路产生的脉冲频率的测量，重要的是仔细对其进行测量，接着对于测量数据进行有效处理。 单片机对频率测量的原理如下图4-2-2所示。图4-2-2测频率原理图示说明：图4.2.1中t1时刻检测到高电频开定时器1，开始计数；t2时刻等待检测低电频；t3时刻第二次检测到高电频时关定时器停止计数。利用高电频的讯号传来，则其检测器便工作使得定时器感应便得以计数，接着检测低电频，因为在感应到低电频时，脉冲的脉宽已经被记下，然而这是频率，因此，我们必须再次重复上述过程，在等到下一个高电频时，应该及时终止计数，最终的触发电路的周期=此计数值*机器的周期数，输入信号的频率只需要稍作处理便可轻易获得。程序流程图如图4-2-3所示。根据电源给定的输入电压、输出电压、额定工作频率和占空比直接求取变压器的初、次级匝数，一次设计就能确定变压器所有参数，解决了高频变压器设计中需要反复设计与验证的问题。基于该方法设计了一台5V10A的开关电源，并对电源的工作频率、占空比等参数进行了验证。在附录中列出了本次设计的程序。4.3 本章小结 本章主要介绍了电路的软件设计与说明。首先分别做出了I/O的分配，对按键流程做出说明，然后介绍了RLC测量的整个主流程，通过三按键实现分别对于R、L、C进行测量，最终的触发电路的周期=此计数值*机器的周期数，输入信号的频率只需要稍作处理便可轻易获得。最后在LCD1602上显示出来所测数值，达到本次设计的需求。27系统的仿真与调试图4-2-3 频率计算程序流程图 第5章.系统的仿真与调试5.1 Protues的介绍 Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。 Proteus特点： 1）互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 2）仿真处理器及其外围电路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。本次设计选用Proteus主要原因就是处理器模型支持8051单片机，对于本设29系统的仿真与调试计的RLC测量仪，正好用Proteus可以进行仿真模拟。5.2 系统的仿真及数据分析利用Proteus画出本次设计的系统电路图，如图5.2，同时利用Keil将编译的程序添加到8051单片机中。图5.2 系统电路图本设计的测量范围如下：1. 电阻的测量范围100100K。2. 电容的测量范围1000pF1。3. 电感的测量范围1mH1000mH。 1）.电阻测试数据如表5.2.1所示。电阻原值（R）测得电阻值(Rx)误差值(R)1001066500510101000101717150015252550005086861000010171171表5-2-1 电阻测试数据图5-2-1 电阻测试数据 2）.电容测试数据如表5-2-2所示。电容原值（C）测得电容值(Cx)误差值(C)1000pF1005pF5pF2000pF2010pF10pF8000pF7992pF8pF10000pF10033pF33pF表5-2-2 电容测试数据31 图5-2-2 电容测试数据3）.电感测试数据如表5-2-3所示。电感原值（L）测得电感值(Lx)误差值(L)100mH81H19H300mH271H29H600mH564H36H800mH759H41H1000mH984H16H表5-2-3 电感测试数据图5-2-3 电感测试数据数据分析：仿真最主要的一步就是计算频率，频率测量的方法有很多，有谐振法、外差法、示波法、电子计数器法，我的这个设计中用的是电子计数器法，因为单片机的T0和T1可以直接用于测频率，不需要接其它的电路，只要程序写好就行了，这也是单片机的一大优点。电子计数器法的原理是，某一信号在一定时间T内重复变化了N次，而它的频率f就是N除以T。利用单片机的定时/计数测频，就是让单片机按照一定的程序，自己完成操作，当然，这其中会存在一定的误差。单片机测频的时候，把T0用作定时器，T1用作计数器，定时是已知的，我定时是10ms，所需要知道的就是这10ms内计数器计的个数。单片机对送入的脉冲进行计数，这一定会产生误差的，因为主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间是没有关系的，单片机有可能会多计一个脉冲，也有可能少计一个，这是不能确定的。书上称这种误差为量化误差。我的测量电路最终输出的是高低电平矩形波，那么单片机在计数时，误差最大时不超过一个周期，可以尽量缩小误差，如果所33测矩形波的频率越大，那么这种误差就会越小。相对的，低频的时候，这种误差就会很大，那这种时候就不能用测频的方法了，但可以改为测周期，因为周期和频率互为倒数。这就涉及到了一个量，那就是中界频率。中界频率的定义为，当对某一个信号使用测频法和测周法时，两者引起的误差相等，小于中界频率时，采用测周法，再把周期转换为频率；大于中界频率时，直接测频。此设计中，不考虑小于中界频率的，因为所测频率都比较大，所以用的是直接测频法。 单片机的定时器本质上是一个计数器，对时钟的十二分之一分频的每一跳加一来到达计时的目的，所以它的精度主要就取决于晶振精度了。在这个设计中，我所用的晶振是12MHz的，虽然指令的执行速度提高了，但是功耗和噪声却增加了，也加大了测量的误差。测量时，因为我的定时/计数方式选择的是方式1，所以计数的范围为：165536，定时范围为：165ms。如果所测波的频率太大，计数的值就会超过65536，就超出了测量范围，所以我的测量电阻的电路所能测的电阻范围为：1300千欧姆，电容的范围为：1250nF。我的这个测量电路所测量的频率是有范围的，必须小于300KHz，当大于这个数时，液晶显示乱码。这些都是我经过验证得到的，而且每次测的时候，数据就有可能不一样，这是因为稳定度不大，但是数据相差不大。其它的情况，这里就不考虑了。误差分析： 从上面这些表格可以看出，测量时的误差其实挺大的，除了我上面提到的那几个造成误差的原因外，其实，误差产生的最主要的原因还是我所用的测量电路。测量电阻和电容时，电路是由555芯片和外接的电阻电容组成的。555是根据电源的精度和外围阻容元件的精度来决定输出频率精度的，如果你外围精度很高并且温度变化不大，那么555的精度是足够的，但是以目前的情况来看，电阻值和电容值都有10%以上的偏差，这就直接导致了测量电路的精确性不是很好，所以就造成了现在上面这种状况。其实555定时器还有一个很大的缺点，那就是不能产生频率很低的信号，所以我的测量范围比较小，这和555本身的内部结构有关，这里就不讨论了。 还有一点就是，我的测量电路必须要保证起振，并且