基于单片机的RLC测量仪.doc

学校代码 1 11 10 05 59 9 学 号 0 06 60 05 50 06 61 10 01 11 1 本本科科毕毕业业论论文文 BACHELOR DISSERTATION 论论文文题题目目 简简 易易 R R L L C C 测测 量量 仪仪 学学位位类类别别 工工 学学 学学 士士 学学科科专专业业 作作者者姓姓名名 导导师师姓姓名名 完完成成时时间间 简简易易 R R L L C C 测测量量仪仪 中中 文文 摘摘 要要 在本设计里 采用单片机 89S52 做为设计的控制核心 89S52 单片机是一款八位 单片机 它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评 由于单片机在频率计数时 计数的误差值非常的小 所以在本设计中 单片机的最主要的一个作用就是完成频率 的计数 通过搭建外围的电路 把所要求的 电阻 电容 电感 参数转换成频率信号 f 转换的原理分别是利用 RC 振荡电路和 LC 电容三点式振荡电路 用 89S52 单片机 计数得出被测频率 通过一定软件编程 把该频率计算出各个参数值 将数据处理后 送显示部分显示 如果测量值不在频率范围内 通过软件控制端口 通过继电器形成量 程转换 通过该电阻 电容 电感测量仪器的设计 本人基本了解和掌握 了怎样运用 单片 机硬件和软件 技术来完成一些小设计 对于本人来说 这是一次极为 宝贵的经验 关关键键词词 R RC C 振振荡荡电电路路 L LC C 电电容容三三点点式式 8 89 9S S5 52 2 单单片片机机 测测量量 R L C measure instrument Abstract In this design use of SCM 89S52 as the core design of control SCM 89S52 is a 8 bit single chip computer Its easily using and multi function suffer large users As SCM in frequency count the count of error is very little So in this design SCM is the most important a role the frequency of complete count Through the external structures of the circuit the resistance the inductance and the capacitance are translated into frequency on account of RC surging circuit and LC surging circuit Single chip was measured frequency and computed each parameter value from this frequency Through the software programming to calculate the frequency of various parameters data processing sent to show that some if not measured frequency range by software control port through the formation of the relay range conversion I know and grasp how to use 89S52 single chip computer technology to develop the R L C measure instrument through this practice It s an extremely valuable experience to me KEY WORD RC surging circuit LC surging circuit 89S52 single chip computer measure instrument 目 录 第一章 系统的设计 1 1 1 设计背景 1 1 2 设计要求 1 1 2 1 设计任务 1 1 2 2 技术要求 2 1 3 方案比较 2 1 4 方案论证 4 1 4 1 总体思路 4 1 4 2 设计方案 5 1 5 各模块方案论证 5 1 5 1 电阻 电容振荡模块 5 1 5 2 电感振荡模块 5 1 5 3 显示模块 5 1 5 4 开关 6 1 5 5 中央控制器模块 6 1 5 6 系统各模块最终方案 6 第二章 主要电路设计与说明 7 2 1 555 芯片简介 7 2 1 1 芯片各引脚的功能 7 2 1 2 芯片的等效功能方框图及工作原理 7 2 2 74LS161 芯片的简介 9 2 3 AT89S52 单片机硬件结构 9 2 4 继电器的工作原理 11 2 4 1 继电器的定义 11 2 4 2 电磁继电器的工作原理和特性 11 2 4 3 继电器的工作环境 11 2 5 LCD 的引脚功能 12 2 6 测 RX的 RC 振荡电路 12 第三章 设计电路 15 3 1 测量电阻的电路模块 15 3 2 测电容的 RC 振荡电路 16 3 3 测电感的电容三点式振荡电路 17 第四章 软件设计 20 第五章 系统测试 22 5 1 测试仪器 22 5 2 指标测试及误差分析 23 5 2 1 电阻的测量 23 5 2 2 电容的测量 23 5 2 3 电感的测量 24 第六章 总结 25 参考文献 26 致谢 27 附 录 28 附录 1 元器件清单 28 附录 2 电路原理框图 29 附录 3 电路实物图 30 附录 4 程序 31 简易 R L C 测量仪 1 第第一一章章 系系统统的的设设计计 1 1 1 1 设设计计背背景景 在历届全国电子大赛和省内电子大赛中几乎每次都有仪表类系统设计方面的题目 全国各高校也都很重视该题目的研究 本设计就是在这样的背景下提出的 制作一台 简易电阻 电容 电感测量仪器具有相当强的实际意义 随着电子技术的迅速发展 电子产品已经渗透到我们生活的方方面面 人们对电子不再感到陌生 对电路基础以 及电子元器件的了解也开始慢慢普及 在一些小家电维修或检测中 通常对电路比较 了解人们会使用万用表对未知电阻进行测量 而对于未知的电容电感 则需要通过辅 助电路 对其进行辅助测量 既烦琐 准确度又低 而对于那些电路基础相对薄弱的 人们 那只能是望而兴叹了 于是 设计一台简易的数字智能便携式电容 电阻 电 感测量仪器成为必要 本设计如果直接运用外围电路通过计算来求得所要求的参数 过程复杂 准确率低 关键是不能实现量程的自动转换 新一代单片机为外部提供了 相当完善的总线结构 为系统的扩展与配置打下了良好的基础 于是本设计采用了比 较先进的 89S52 为控制核心 89S52 单片机功耗很低 价格便宜 更重要的是单片 机在测量频率时的误差非常的小 在设计中 将所要求的参数通过振荡电路转化为频 率信号 作为单片机的时钟源 再通过单片机软件的编程来实现其量程转换以及各 模块参数的显示 这就为该设计的低误差率 易操作性提供了必要的条件 从而使得 本设计才能够顺利完成 1 1 2 2 设设计计要要求求 1 2 1 设计任务 要制作一台数字显示的电阻 电容 电感测量仪 必须涉及到测量部分 控制部 分与数字显示三大部分 其中 在测量部分中 由于测量的是电阻 电容 电感三种 不同的参数 所以 必须将测量部分在进一步划分 测量模块与显示模块都是围绕单 片机进行 所以具体简易设计框图1 所示 简易 R L C 测量仪 2 图 1 简易设计框图 1 2 2 技术要求 基本要求 1 测量范围 电阻 100 1M 电容 100 pF 10000 pF 电感 100 H 10 mH 2 测量精度 5 3 制作 4 位数码管显示器 显示测量数值 并用发光二极管分别指示所测元 件的类别和单位 发挥部分 1 扩大测量范围 2 提高测量精度 3 测量量程自动转换 1 1 3 3 方方案案比比较较 目前 测量电子元件集中参数电阻 电容 电感的仪表种类较多 方法也各不相 同 这些方法都有其优缺点 电阻 R 的测试方法最多 最基本的就是根据R 的定义式来测量 在如图 2 中 分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和通过电阻的电压 根据公式 简易 R L C 测量仪 3 求得电阻 这种方法要测出两 个模拟量 不易实现自动化 而指针式 万用 RU I 表欧姆档是把被测电阻与电流一一 对应 由此就可以读出被测电阻的阻值 如 图 3 所示 这种测量方法的精度变化大 若需要较高的精度 必须要较多的量程 电路复 杂 图 2 由定义法测量 图 3 万用表测量法 当然 还可以通过普通分压电路 如图1 3 3 所示为电压源分压法 将 Rx 所 分的电压 通过 A D 转换器转换 通过单片机端口将数字信号并行输入单片机 再通 过软件编程 将数字信号还原 通过公式计算出Rx 的值 该方法准确度较高 但 A D 转换模块的程序编写实现较困难 所以 实现起来比较困难 图 4 电压源分压法 能同时测量电器元件电阻 电容 电感的最典型的方法是电桥法 如图5 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 图 5 电桥平衡法 电桥的平衡条件为 简易 R L C 测量仪 4 12 12 nx jj nx ZZeZZe 通过调节阻抗 使电桥平衡 这时电表读数为零 根据平衡条件以及一些 1 Z 2 Z 已知的电路参数就可以求出被测参数 用这种测量方法 参数的值还可以通过联立方 程求解 调节电阻值一般只能手动 电桥的平衡判别亦难用简单电路实现 这样 电 桥法不易实现自动测量 Q 表是用谐振法来测量 L C 值 如图 6 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 这种测量方法要求频率连续可调 直至谐振 因 此它对振荡器的要求较高 另外 和电桥法一样 调节和平衡判别很难实现智能化 图 6 谐振法测量 用阻抗法测电阻 电容 电感有两种实现方法 用恒流源供电 然后测元件电压 用恒压源供电 然后测元件电流 由于很难实现理想的恒流源和恒压源 所以它们适 用的测量范围很窄 很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量 基于 此思想 我们把电子元件的集中参数电阻 电容 电感转换成频率信号f 然后用 单片机计数后在运算求出电阻 电容 电感的值 并送显示部分显示 转换的原理分 别是 RC 振荡和 LC 三点式振荡 其实 这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量 频率 f 是单片机很容易处理的数字量 这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化 另一方面也避免了由指针读数引起的误差 1 1 4 4 方方案案论论证证 1 4 1 总体思路 在本设计中 把电阻 电容 电感转换成频率信号f 转换的原理分别是 RC 振荡电路和 LC 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 通过公式 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 把电阻 电容 电感的值送显示部分显示出相应的参数值 利用 编程实现量程自动转换 简易 R L C 测量仪 5 1 4 2 设计方案 该设计方案的总体方框图如图7 所示 图 7 设计的总体方框图 1 1 5 5 各各模模块块方方案案论论证证 1 5 1 电阻 电容振荡模块 采用 555 组成多谐振荡电路 通过单片机P3 4 口对振荡电路产生的频率进行计 数 通过软件对振荡电路产生的频率进行判断 利用继电器自动进行对电阻 电容参 数量程的选择 取得更好的频率范围 从而进行量程的自动切换 电容的振荡电路在 原理方面基本上与电阻相同 1 5 2 电感振荡模块 采用电容三点式振荡电路来产生不同的频率 由于单片机的计数能力有限 所以 振荡电路产生的频率必须经过分频后再送单片机P3 4 口计数 同样通过软件实现 参数计算 计算公式中要考虑到所测量的频率是分频后的频率 计算时要将频率还原 然后测出频率再计算出电感值 送显示部分显示 1 5 3 显示模块 可以采用 LCD 进行显示 液晶显示屏具有低耗电量 无辐射危险 以及影像不闪 简易 R L C 测量仪 6 烁等优势 可视面积大 画面效果好 分辨率高 抗干扰能力强等特点 价格 有点 昂贵 但很实用 本设计因为测量 的是三个模块 如果用数码管加LED 显示的话 LED 不但要显示所显示的是哪一个模块 而且设计中 要用其来显示所测量单位的大 小 这使得软件实现起来相对困难 所以 采用LCD 显示 同时显示参数的大小和 所测量的类别 简洁而又清晰 1 5 4 开关 单片机的开关可以采用优良的行列4 4 矩阵式键盘 此方法操作简单 节省单 片机资源 且价格便宜 但在本设计中 涉及的键盘很少 只需要用键盘完成三个模 块的切换即可 所以只需要采用普通的开关即可 价格便宜 功能单一 但很实用 1 5 5 中央控制器模块 中央控制器为整个系统的核心 通过接受外部信息 按照控制算法驱动执行机构 对中央处理器的选择多种多样 但我们熟练掌握8051 系列单片机的控制原理和设 计方法 所以我们选择 AT89S52 作为系统控制器 该单片机运算功能强 软件编程 灵活 自由度大 并且其功耗低 体积小 技术成熟 完全适合在本系统中应用 1 5 6 系统各模块最终方案 通过分析和论证 我们最终各模块选择方案如下 1 电阻和电容振荡模块 采用555 组成多谐振荡 利用继电器自动进行对电阻 电容参数量程的选择 取得更好的频率范围 从而进行量程的自动切换 2 电感振荡模块 采用电容三点式振荡电路来产生不同的频率 然后测出频率再 计算出电感值 3 显示模块 采用 LCD 显示 4 输入模块 采用三个普通开关加三个LED 小灯 5 中央控制器模块 采用 AT89S52 单片机进行控制 6 电源 单片机及各芯片都使用 5V 直流电源 只有 LC 振荡回路使用 12V 直流电源 简易 R L C 测量仪 7 第第二二章章 主主要要电电路路设设计计与与说说明明 2 2 1 1 5 55 55 5 芯芯片片简简介介 在本设计方案选择中 测量电阻和电容参数的RC 振荡电路采用 555 定时器电 路组成 集成定时器 555 电路是一种数字 模拟混合型的中规模集成电路 2 1 1 芯片各引脚的功能 表 1 555 定时器的引脚及功能 2 1 2 芯片的等效功能方框图及 工作原理 555 时基电路等效功能方框图如图8 所示 引脚编号符号功能说明 1GND 地线 2TR 触发 3OUT 输出 4RES 复位 5CV 控制电压 6TH 阀值 7DIS 放电 8VCC 电压 简易 R L C 测量仪 8 图 8 555 时基电路等效功能方框图 芯片的工作原理 1 555 的等效功能框图中包含两个COMS 电压比较器 A 和 B 一个 RS 触发器 一 个反相器 一个 P 沟道 MOS 场效应管构成的放电开关 SW 三个阻值相等的分压电阻 网络 以及输出缓冲级 三个电阻组成的分压网络为上比较器A 和下比较器 B 分别 提供 2 3Vcc 和 1 3Vcc 的偏置电压 当上比较器 A 的同相输入端 R 高于反相输入端 电位 2 3Vcc 时 A 输出为高电平 RS 触发器翻转 输出端 Vo 为逻辑 0 电平 即当 VTH 2 3Vcc 时 Vo 为 0 电平 处于复位状态 而当置位触发端的电位 S 即 VS 1 3Vcc 时 下比较器 B 的输出为 1 RS 触发器置位 输出端 Vo 为 1 电平 即当 VS 1 3Vcc 时 Vo 为 1 电平 处于置位状态 可见 该555 的等效功能框图相当一个置位 复位触发器 在 RS 触发器内 还设置了一个强制复 位端 即不管阈值端 R 和置位触发端处于何种电平 只要使 0 则 MRSMR RS 触发器的输出必为 1 从而使输出 Vo 为 0 电平 从芯片的等效功能方框 图得出各功能端的真值表 如表2 所示 表 2 555 芯片各功能端的真值表 强制复位 MR 置位触发 S R 复位触发 Vo 输出 0 0 10 1 1110 110 保持原电平 注 0 电平 1 3Vcc 1 电平 2 3Vcc 表示任意电平 简易 R L C 测量仪 9 2 2 2 2 7 74 4L LS S1 16 61 1 芯芯片片的的简简介介 74161 是 4 位二进制同步加计数器 表3 为 74161 的功能表 表 3 74161 的功能表 清零 RD 预置 LD 使能 EP ET 时钟 CP 预置数据输入 A B C D 输出 QA QB QC QD L L L L L HL 上升沿 A B C DA B C D HHL 保 持 HH L 保 持 HH H H 上升沿 计 数 其中 RD 是异步清零端 LD 是预置数控制端 A B C D 是预置数据输入端 EP 和 ET 是计数使能端 RCO ET QA QB QC QD 是进位输出端 它的设置为多片集 成计数器的级联提供了方便 计数过程中 首先加入一清零信号RD 0 使各触发 器的状态为 0 即计数器清零 RD 变为 1 后 加入一置数信号 LD 0 即信号需要 维持到下一个时钟脉冲的正跳变到来后 在这个置数信号和时钟脉冲上升的共同作用 下 各触发器的输出状态与预置的输入数据相同 这就是预置操作 接着EP ET 1 在 此期间 74161 一直处于计数状态 一直到EP 0 ET 1 计数器计数状态结束 2 2 3 3 A AT T8 89 9S S5 52 2 单单片片机机硬硬件件结结构构 本设计是以 AT89S52 单片机为控制核心的 AT89S52 单片机是把那些作为控制 应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上 如果按功能划分 它由如下功能部件组成 即微处理器 数据存储器 程序存储器 并行I O 口 串 行口 定时器 计数器 中断系统及特殊功能寄存器 它们都是通过片内单一总线连 接而成 其基本结构依旧是CPU 加上外围芯片的传统结构模式 但对各种功能部件 的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式 1 微处理器 该单片机中有一个 8 位的微处理器 与通用的微处理器基本相同 同样包括了运 算器和控制器两大部分 只是增加了面向控制的处理功能 不仅可处理数据 还可以 进行位变量的处理 简易 R L C 测量仪 10 2 数据存储器 片内为 128 个字节 片外最多可外扩至64k 字节 用来存储程序在运行期间的 工作变量 运算的中间结果 数据暂存和缓冲 标志位等 所以称为数据存储器 3 程序存储器 由于受集成度限制 片内只读存储器一般容量较小 如果片内的只读存储器的容 量不够 则需用扩展片外的只读存储器 片外最多可外扩至64k 字节 4 中断系统 具有 5 个中断源 2 级中断优先权 5 定时器 计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 计数器 具有四种工作方式 6 串行口 1 个全双工的串行口 具有四种工作方式 可用来进行串行通讯 扩展并行 I O 口 甚至与多个单片机相连构成多机系统 从而使单片机的功能更强且应用更广 7 P1 口 P2 口 P3 口 P4 口 为 4 个并行 8 位 I O 口 8 特殊功能寄存器 共有 21 个 用于对片内的个功能的部件进行管理 控制 监视 实际上是一些 控制寄存器和状态寄存器 是一个具有特殊功能的RAM 区 由上可见 AT89S52 单片机的硬件结构具有功能部件种类全 功能强等特点 特 别值得一提的是该单片机 CPU 中的位处理器 它实际上是一个完整的1 位微计算机 这个一位微计算机有自己的CPU 位寄存器 I O 口和指令集 1 位机在开关决策 逻辑电路仿真 过程控制方面非常有效 而8 位机在数据采集 运算处理方面有明 显的长处 MCS 51 单片机中 8 位机和 1 位机的硬件资源复合在一起 二者相辅相承 它是单片机技术上的一个突破 这也是MCS 51 单片机在设计的精美之处 在本设计 里 单片机的最主要的一个作用就是完成频率的计数 通过外围电路与单片机 P3 4 口相连接 通过单片机 P3 4 口进行计数 将定时器的时间设定在1 秒 1 秒 P3 4 所记次数就是外围电路的频率 由于频率f 是单片机很容易处理的数字量 单 片机在计数时误差值非常小 所以 对提高测量的精度很有帮助 简易 R L C 测量仪 11 2 2 4 4 继继电电器器的的工工作作原原理理 在本设计中 实现量程的自动转换成为设计的重点和难点 本设计通过软件对其 量程进行控制 通过对其电路产生的频率 如果频率不在所选的范围内 通过单片机 端口输出高低电平 来控制继电器工作 从而实现硬件的量程转换 所以 继电器的 使用好 坏直接影响了设计的质量好坏 2 4 1 继电器的定义 为了实现弱电对强电的控制 或者实现被控负载的隔离 电子系统通常通过控制 继电器来实现对负载的控制 继电器是 当输入量 或激励量 满足某些规定的 条 件时 能在一个或多个输入电路中产生跃变的一种器件 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 通常应用于自动 控制电路中 它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种 自动开关 故在 电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 2 4 2 电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两端加 上一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而产生电磁效应 衔铁就会在电磁力 吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与静触点 常开 触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸力也随之消失 衔铁就会在弹簧的反作用力返 回原来的位置 使动触点与原来的静触点 常闭触点 吸合 这样吸合 释放 从而 达到了在电路中的导通 切断的目的 对于继电器的 常开 常闭 触点 可以这 样来区分 继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点 称为 常开触点 处于 接通状态的静触点称为 常闭触点 本设计中 使用的是固体继电器 利用电子 元件实现继电器的功能而无机械运动构件 同时其输入和输出电路相互隔离的一种继 电器 固体继电器的输入电路 单片机的端口 是为输入控制信号提供一个回路 使 之成为固体继电器的触发信号源 固体继电器的驱动电路给输出器件提供触发信号 在触发信号信号控制下 其输出电路实现固体继电器的通断切换 2 4 3 继电器的工作环境 固体继电器是一种无触点电子开关 主要由输入 控制 电路 驱动电路和输入 电路三部分组成 其原理图如图9 所示 简易 R L C 测量仪 12 图 9 原理图 2 2 5 5 L LC CD D 的的引引脚脚功功能能 本设计采用 1602 作为显示模块 1602 采用标准的 16 脚接口 其中 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 电源 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地接地电源 时对比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器 调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平选择指令寄存器 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平进行读操作 低电平时进行写操作 当RS 和 RW 共同为低电平时 可以写入指令或者显示地址 当RS 为低电平 RW 为高电平 时可以读忙信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 16 脚 空脚 2 2 6 6 测测 R Rx x 的的 R RC C 振振荡荡电电路路 在电路中采用 RC 振荡电路来测量电阻 R 电容 C 的值 用 555 时基电路构成 RC 振荡器 如图 10 所示 将 555 与三个阻 容元件如图连接 便构成无稳态多谐振 简易 R L C 测量仪 13 荡模式 图 10 电路图 图 11 波形图 当加上电压时 由于上端电压不能突变 故 555 处于置位状态 输出端呈 CC V C 高电平 1 而内部的放电 COMS 管截止 通过和对其充电 触发电平电位 CA R B R 随上端电压的升高呈指数上升 波形如图11 所示 C 当上的电压随时间增加 达到2 3Vcc 阈值电平时 上比较器 A 翻转 使 RS C 触发器置位 经缓冲级倒相 输出呈低电平 0 此时 放电管饱和导通 O V 上的电荷经至放电管放电 当放电使其电压降至 1 3Vcc 触发电平时 下比 CB R C 较器 B 翻转 使 RS 触发器复位 经缓冲级倒相 输出呈高电平 1 以上过程 O V 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上的电 1 t C 压从 1 3Vcc 充电到 2 3Vcc 所需的时间 故两端电压的变化规律为 C 简易 R L C 测量仪 14 1 1 3 ABAB tRRCtRRC CCCCC UtVeVe 设 则上式简化为 1 AB RR C 1 2 1 3 t CCC UtVe 从上式中求得 111 1 ln0 6932 2 t 一般简写为 1 0 6932 AB tRR C 电路间歇期就是两端电压从 2 3Vcc 充电到 1 3Vcc 所需的时间 即 2 t C 2 3 B t R C CCC UtV e 从上式中求得 并设 则 2 t 2B R C 222 1 ln0 693 2 t 一般简写为 2 0 693 B tR C 那么电路的振荡周期为 T 1212 0 693 0 693 2 AB TttRR C 振荡频率 1 fT 1 443 2 AB fRR C Hz 输出振荡波形的占空比为 1 2 ABAB DtTRRRR 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 2 振荡波的占空比与的大小 CA R B R C 无关 而仅与 的大小比值有关 A R B R 简易 R L C 测量仪 15 第第三三章章 设设计计电电路路 3 3 1 1 测测量量电电阻阻的的电电路路模模块块 图 12 是一个由 555 时基电路构成的多谐振荡电路 由该电路可以测出量程在 100 1M 的电阻 该电路的振荡周期为 12 2 2 2 2 xxx TttInRR CInR CInRR C 其中为输出高电平的时间 为输出低电平的时间 则 1 t 2 t 1 2 2 x RR InCf 为了使振荡频率保持在这一段单片机计数的高精度范围内 需选择合 10100kHz 适的 C 和 R 的值 第一个量程选择 第二个量程选择 200 0 22RCuF 这样 第一个量程中 时 20 1000RkCpF 100 X R 6 1 2 2 1 443 0 22 10 200200 16 4 X f InC RR kHZ 第二个量程中 时 1 X RM 936 1 2 2 1 443 1 10 20 102 10 714 X f InC RR kHZ 因为 RC 振荡的稳定度可达 10 3 单片机测频率最多误差一个脉冲 所以用单片 机测频率引起的误差在百分之一以下 在电路中之所以选用可调电位器是因为继电器的内阻并不清楚 在进行测量之前 需要进行校准 把标准电阻插在插接口上 调节电位器 使数码管显示标称阻值 在 以后的测量过程中 便可直接测量电阻 利用单片机端口通过软件编程的方法来控制 继电器的改变 实现量程的转换 简易 R L C 测量仪 16 图 12 测量电阻的电路 3 3 2 2 测测电电容容的的 R RC C 振振荡荡电电路路 测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路基本上一样 其电路图如图13 所 示 若 R1 R2 则 1 3 ln2 X f RC 三个量程的取值分别为 第一量程 R1 R2 510 K 第二量程 R1 R2 300K 第三量程 R1 R2 10K 其分析过程如测量电阻的方法一样 这里就不在赘述了 简易 R L C 测量仪 17 图 13 测量电容的电路 3 3 3 3 测测电电感感的的电电容容三三点点式式振振荡荡电电路路 在本设计中 电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的 如图 14 所示 三点式电路是指 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 而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电 路 成为电容三点式电路 在这个电容三点式振荡电路中 C4 C5 分别采用 1000pF 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 振荡公式 其中 1 2 f LC 45 45 C C C CC 则电感的感抗为 22 1 4 L f C 在测量电感的时候 发现电感起振频率非常的高 大致到达3MHz 左右 而单 片机的最大计数频率大约为500KHz 在频率方面达不到测量电感频率 于是我们把 测电感的电容三点式电路得出的频率经过由两片74LS161 组成八位计数器作为分频 电路对该频率进行分频 有3000000 64 46875 满足单片机计数要求 简易 R L C 测量仪 18 图 14 测量电感的电路 在分频器方面 采取两块 74LS161 芯片并行进位方式 具体连接方式如图16 所示 在第一片 74161 中 采取 16 倍分频 每产生一个进位 第二片74161 计数 一次 当 QaQbQcQd 1101 也即当第二块芯片计数到 4 次 产生一次进位 使得第 二块芯片从 1100 重新开始计数 即 16 4 64 倍分频 RCO 就是分频后所需要的频 率 第二块芯片工作状态图如图15 所示 图 15 第 2 块 74LS161 芯片工作状态图 简易 R L C 测量仪 19 图 16 74LS161 分频原理 简易 R L C 测量仪 20 第第四四章章 软软件件设设计计 在本设计中 采取的是以 AT89S52 单片机为控制核心 在程序中 涉及到按键 的选择 频率的计数 量程的切换 将频率转换成所要求的参数 以及将所计算出的 参数 送到 LCD 显示等等 所以 软件的编写变得尤其主要 开始工作的时候 初始 化系统 LCD 显示 WELCOME 本系统软件设计的主流程图如图17 所示 对系统初始化之后 判断是否有按键 按下 以测电阻为例 测量的电阻经RC 振荡电路转换为频率 f 根据测电阻的换算 公式 利用单片机软件编程 测量出其阻值并送显示 如果量程不够大 系统将量程 自动转换为大量程 进行测量 图 17 软件设计的主流程图 以电容测量为例 其量程转换的过程方框图如图18 所示 简易 R L C 测量仪 21 图 18 电容测量流程图 电阻的测量与电容不相同 由于在实际设计频率程序编写的很成功 在电阻测量 电路中 单片机计数测量精度很高 基本不需要量程转换 就可以达到预期的效果 在电感测量中 由于设计中采取了64 倍分频 所以 也不需要对其进行软件切换量 程 直接测量 基本可以完成设计指标中电感 100 H 10 mH 的要求 在设计中 电路中存在着许多客观原因 使得设计存在着一定的测量误差 在软 件中 需要对各个量程进行或多或少的软件补偿 通过对测量频率的调整来达到改善 的目的 在设计测试中 只有经过大量的测试 才能找到合适的补偿值 在计数中 为了减少计数误差 本设计采用了取其三秒钟的频率 然后取其平均值的方法 这样 测得的频率就误差就很小 简易 R L C 测量仪 22 第第五五章章 系系统统测测试试 5 5 1 1 测测试试仪仪器器 为了确定系统与题目要求的符合程度 验证设计是否达到要求 我们对系统中的 关键部分进行了实际的测试 1 设计与测试使用的仪器和软件 计算机 KEIL C51 编程器 STC 下载器 PROTEL99SE 数字万用表 示波器 频率器 直流稳压电源等 KEIL C51 编程器 用来编写和编译单片机相关的程序 STC 下载器 将编译中的程序下载到单片机中 PROTEL99SE 用来画电路的电路图 数字万用表 用来测量标准电阻 电容 电感的标准值 这样用设计的仪器测量 的实际值有一个比较 可以计算出其误差 示波器 用来观察振荡电路产生的波形是否正确 频率器 测量振荡电路产生的频率 对单片机所计的频率有一定了解 直流电源 5V 为电容电阻测量仪以及单片机提供工作电源 12V 为 LC 测 量仪器提供工作电源 2 测试方法 首先 连接好硬件电路 将直流电源接入电路 检查无误后 在KEIL C51 编 程器中编写本设计的程序 编译无误后 通过STC 下载器到单片机中 选择合适的 电阻 电容及电感 其次 将标准值的电阻插入接插件上 复位单片机后 按下电阻 开关 在 LCD 上观察测量值 记录下来 用相似的方法测量电感与电容 一一做下记 录 简易 R L C 测量仪 23 5 5 2 2 指指标标测测试试及及误误差差分分析析 5 2 1 电阻的测量 电阻的一组测量数据如下表4 所示 表 4 电阻测量结果记录与分析 电阻标值万用表读数本仪表读数相对误差 430 429 417 3 00 2 4 K 2 36 K 2 32 K 1 69 47 K 47 3 K 46 8 K 1 05 100K 97 9 K 96 K 1 94 220 K 217 K 213 K 1 84 1M 0 993 M 0 965 M 2 81 误差分析 相对误差计算公式 100 RR R 万仪 万 从上面的一组数据上来看 在测量低于1 K 阻值和接近 1M 阻值的电阻时 相对误差会大一些 造成这个现象的主要原因是在设计中存在的内阻较大 这样在测 量电阻值小的电阻时 它的内阻就不能忽略 造成测量误差的增大 当然 用万用 表测量电阻本身也存在一些的误差 者就无形中 提高了误差率 5 2 2 电容的测量 电容的一组测量数据如下表5 所示 表 5 电容测量结果记录与分析 电容标值万用表读数本仪表读数相对误差 33uF28 3uf28 8uF1 76 100uf101 4uf99 0uf2 36 680uF621Uf585uf5 79 简易 R L C 测量仪 24 30Pf31pF29pF6 45 误差分析 相对误差计算公式 100 RR R 万仪 万 从上面的数据可以看出 电容的标称值与用万用表测出的容值有较大的误差 其 可能性原因 一是万用表本身存在着一定误差 二是元件本身也存在一定误差 受所 用仪器 元器件的限制 测量精度并没有做的很高 注意 由于建立 RC 稳定振荡的时间较长 在测量电阻和电容时 应在显示稳定 后再读出数值 5 2 3 电感的测量 电感的一组测量数据如下表6 所示 表 6 电感测量结果记录 电感标值本仪表读数 10mH9 8mH 简易 R L C 测量仪 25 第第六六章章 总总结结 经过长达一个月的努力 本设计基本完成题目所给的设计任务 制作了一台数字 显示的电阻器 电容器和电感器参数测试仪 满足题目的基本要求 在发挥部分中 运用了更加先进 LCD 显示 使显示更加简洁明朗 使用起来更加方便 在测量电容模 块中 使用了继电器实现量程转换 使测量变得相当简单 本设计运用单片机作为中 央控制器和计算核心 使仪表有性能可靠 体积小 电路简单的特点 但是这种把元 件参数转换成频率后测量的方法也有一些不足之处 1 主要是必须保证电路起振 并且振荡要稳定 否则会增加误差 尤其在电感测 量上 还存在一些缺陷 2 在各模块硬件连接上 没有用PCB 制作以及存在一些经验上的不足 使设计外 观不是很美观 布局偏乱 3 在设计中 由于设计到高频振荡 电路的稳定性有待提高 4 在软件补偿方面很难做到准确 所以在实验方面 要做很多次测量 5 在 R L C 测量模块转换上 没有实现利用继电器自动转换 而是通过人工转换 每切换一次 需要将每一个模块都分别与P3 4 口相连一次 相对比较繁琐 虽然本设计还存在很多不足之处 但基本设计任务还是可以完成的 简易 R L C 测量仪 26 参参考考文文献献 1 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 2006 年 2 全国大学生电子设计竞赛组委会 第一届 1994 年 第六届 1999 年 全国学 生电子设计竞赛题目 M 北京 北京理工大学出版社 2000 年 3 全国大学生电子设计竞赛组委会 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 2001 M 北京 北京理工大学出版社 2003 年 4 李念强 刘亚 经亚枝 一种新型 RLC 数字电桥的研究 J 南京 南京航空航天 大学学报 2001 No 5 25 27 5 余锡丰 曹国华 单片机原理及接口技术 M 西安 西安电子科技大学出版社 2000 07 6 汤元信 电子工艺及电子工程设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 1999 年 7 美 Michael John Sebastian Smith 著 专用集成电路 M 北京 北京电子工业出 版社 2003 11 8 高吉祥 黄智伟 丁文霞 数字电子技术 M 北京 北京电子工业出版社 2003 年 9 高吉祥 模拟电子技术 M 北京 北京电子工业出版社 2004 年 10 田良 综合电子设计与实践 M 南京 南京东南大学出版社 2002 年 11 Robert Rostohar Implementing u Vision2 DLL s for Advanced Generic Simulator Interface M Jun 12 Munich Germany 简易 R L C 测量仪 27 致致谢谢 历时三个月的毕业设计已经告一段落 经过自己不断的搜索努力以及胡敏老师 的耐心指导和热情帮助 本设计已经基本完成 在这段时间里 XX 老师严谨的治 学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩 他的指导使我受益非浅 同时本系主楼实验 室的开放也为我的设计提供了实习场地 创新实验室的许多同学给予我很大帮助 在 此对 XX 老师和实验室指导老师以及实验室同学表示深深的感谢 通过这次毕业设计 使我深刻地认识到学好专业知识的重要性 也理解了理论联 系实际的含义 并且检验了大学期间的学习成果 虽然在这次设计中对于知识的运用 和衔接还不够熟练 但是我将在以后的工作和学习中继续努力 不断完善 这三个月 的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程 为今后的发展打下了良好的基础 由于自身水平不高 设计能力有限 设计中一定还存在很多不足之处 敬请各位 老师批评指正 XXX 2008 年 6 月与 XX 学院 简易 R L C 测量仪 28 附附 录录 附附录录 1 1 元元器器件件清清单单 序号元件数量序号元件数量 1AT89S52114 12v 电源 1 2 晶振 12M 115 独石电容 222 1 3555216 独石电容 102 1 4 继电器 817 电容 104 7 51N4007818 电容 30pF 4 674LS161219 电解电容 22uF 2 7 发光二极管 420 电容 0 1uF 1 8 晶振 12M 121 电阻 1K 2 99014222 电阻 2K 2 108050823 电阻 100K 14 11LCD124 万能板 2 12 轻触开关 425 插接件 3 13 5V 电源 126 电源插接件 2 简易 R L C 测量仪 29 附附录录 2 电电路路原原理理框框图图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 29 May 2008Sheet of File C Documents and Settings zhouchen 入入 MyDesign ddbDrawn By 22uF 0 1uF C1 1000pF C2 2200pF 0 1uF Lx 9014 NPN 9014 NPN 12V 12V GND GND 100K 100K 2K 1K 1kf CLR 1 CLK 2 P1 3 P2 4 P3 5 P4 6 PE 7 LD 9 TE 10 Q4 11 Q3 12 Q2 13 Q1 14 CO 15 U 74LS161A CLR 1 CLK 2 P1 3 P2 4 P3 5 P4 6 PE 7 LD 9 TE 10 Q4 11 Q3 12 Q2 13 Q1 14 CO 15 U 74LS161A GND 1 1 U NOT f TRIG 2 OUT 3 4 CVOLT 5 THOLD 6 DISCHG 7 8 1 RESETVCC GND 555 TRIG 2 OUT 3 4 CVOLT 5 THOLD 6 DISCHG 7 8 1 RESETVCC GND 555 0 01uF0 01uF GND 5V RA 51K RB 22K f vcc 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 VPP 31 ALE 30 PSEN 29 P2 7 28 P2 6 27 P2 5 26 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 10 P3 1 11 P3 2 12 P3 3 13 P3 4 14 P3 5 15 P3 6 16 P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 AT89C52 27pF 27pF 12M GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 LCD GND VCC VCC GND GND VCC GND 1K 1K 0 1uF 8050 NPN 1k GND 0 01uF Cx RB RES2 RB RES2 RA RES2 RB RES2 入入入 入入入 入入入 入入入 IN4007 入入 5V 入入入 D 入入入 D 入入入 D R RES2 R RES2 R RES2 R RES2 简易 R L C 测量仪 30 附附录录 3 电电路路实实物物图图 简易 R L C 测量仪 31 附附录录 4 4 程程序序 顶层文件程序 include include 电容模块 include 电感模块 include 电阻模块 include 显示模块 sbit pl P0 1 定义测量电感端口 sbit pc P0 2 定义测量电容端口 sbit pr P0 3 定义测量电阻端口 main pc 1 pl 1 pr 1 Lcd Init DisplayString 4 1 welcome TMOD 0 x15 EA 1 ET0 1 ET1 1 while pc if pc 0 dianrong if pr