数字式R、L、C测量仪的设计毕业设计.doc

陕西理工学院毕业设计 I 数字式 R L C 测量仪的设计 任浩伟 陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业 20011 级 1 班 陕西 汉中 723003 指导教师 梁芳 摘要 本设计以 AT89C52 单片机为核心 利用 555 多谐振荡原理 设计并制作了一个电阻 电感 电容测试 仪 把模拟量转换成频率用单片机测量频率 易测量 且便于使仪表实现自动化 测量精度也高 单片机构成的应 用系统有较大的可靠性 在电阻 电容 电感测试系统中 用 LED 来显示测量结果 既简单又显而易见 该设计不 仅能够快速 自动测量 而且能够在 LED 上显示结果 经测试 该系统性能稳定 测量精度高 符合设计要求 关键词 AT89C52 555 定时器 频率计 陕西理工学院毕业设计 II Design of Digital Resistance Inductance Capacitance Tester Ren Haowei Grade 11 Class 1 Major electronics and information engineering School of physics and electrical engineering Shaanxi University of Technology Hanzhong 723003 Shanxi Tutor Liang Fang Abstract This design takes the AT89C52 microcontroller as the core uses the 555 multi harmonic oscillation principle designs and makes a resistance inductance the capacitance tester The analog quantity is converted into the frequency of the frequency measurement easy to measure and easy to make the instrument automatic and the measurement accuracy is also high The application system of the monolithic integrated circuit has the big reliability In the resistance capacitance and inductance of the test system LED is used to display the results which is simple and obvious The design can not only be quick and automatic but also can display the results on LED After testing the system performance is stable the measurement accuracy is high and it accords with the design requirement Key words 555 Timers AT89C52 Frequency meter 陕西理工学院毕业设计 III 目录 引言 1 1 任务分析与方案确定 2 1 1 任务分析 2 1 2 方案论证 2 1 2 1 方案一 2 1 2 2 方案二 3 1 2 3 方案确定 4 2 系统硬件设计 5 2 1 电阻测量部分 5 2 1 1 原理分析 5 2 1 2 具体电路 7 2 2 电容测量部分 9 2 2 1 原理分析 9 2 2 2 具体电路 9 2 3 电感测量部分 10 2 3 1 原理分析 10 2 3 2 具体电路 11 2 4 通道选择部分 13 2 5 显示部分 13 2 6 单片机控制部分 15 3 系统软件设计 18 3 1 总体流程图 18 3 2 测频模块 19 4 系统安装与测试 21 4 1 系统安装 21 4 2 测试与分析 22 陕西理工学院毕业设计 IV 5 结论 23 致谢 24 参考文献 25 附录 A 英语科技文献原文及其翻译稿 26 附录 B 电路总图 35 附录 C 元器件清单 36 附录 D 源程序 37 陕西理工学院毕业设计 第 0 页 共 47 页 引言 随着电子技术的发展 电子元器件急剧增加 在应用中我们常常要测定电阻 电容 电感的大 小 另外 随着测量技术的飞速发展 测量仪器的已趋向于小型化和智能数字化 而且采用微控制 器技术构成的电子系统比传统测量方式有无法比拟的优越性 目前教学实验中普遍采用的数字式万 用表对于阻抗的测量却无能为力 因此设计可靠 安全 便捷的电阻 电容 电感测试仪具有广泛 的使用价值和应用前景 本课题要求采用最新的技术设计并制作出快速 准确 自动检测系统并数字显示的 RLC 测试仪 测试 RLC 的方法比较多 例如传统的阻抗法 Q 表 电桥平衡法等 这些都不够智能 而且体 积笨重 价格昂贵 测试操作过程中需要调节很多参数 对初学者来说很不方便 所以要综合考虑 选择合理的方案 这里我们根据任务书的要求结合当前国内外在仪器仪表测试方面的发展状况 采 用 555 多谐震荡原理将电阻 电容 电感的值转换成频率进行测量 这样就将模拟信号转换成了数 字信号便于进行据处理和计算 其次 要求快速准确和自动检测 这就要求采用 MCU 来实现 这里我 们采用最常见的 STC89C52 单片机 利用单片机处理信号和控制 简单快速而且性能稳定不容易出 错 最后采用廉价的 7 段数码管显示测量值并且采用发光二极管显示元件类型和单位 确定好方案后就要进行具体电路的设计 硬件方面首先利用 Proteus 软件进行分步仿真 一步 步验证并找出存在的问题进行分析解决 然后进行总体仿真 仿真没有问题后就做实物 软件方面 利用 Keil 工具采用我们熟悉的 C 语言编写单片机程序 调试 编译后生成 HEX 文件烧进单片机 然后在和 Proteus 级联进行调试 如果出现问题就逐个模块检查 找出问题在解决问题 最后完成 任务 制作过程中遇到了很多问题 仿真后硬件并不像我想的那样理所当然的可以直接工作 但是 经过我不断的努力最后终于找出了问题的原因 并且想到了解决的办法 最后终于成功的完成了作 品 对于这次毕业设计 我很认真的做好每一步 但是由于能力有限错误在所难免 希望老师同学 提出批评 陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 47 页 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 47 页 1 任务分析与方案确定 1 11 1 任务分析任务分析 本设计要求采用最新的技术设计并制作出快速 准确 自动测量系统并数字显示的 RLC 测试仪 指标要求 1 测量范围 电阻 1 10M 误差 1 2 电感 10uH 10mH 误差 1 3 电容 100PF 10000PF 误差 1 4 用四位数码管显示各参数值 5 用发光二极管显示所测元件类型及单位 从任务书中可以看出 此次设计要求首先要快速准确自动测量 其次测量范围广 精度要高 所以要找出合理的方案进行论证 目前 测量电阻 电容 电感的方法多种多样 例如电阻可用串联分压法 直流电桥法 比例 运算器法和积分运算器法 电容可用电桥法 恒流法和比较法 电感可用震荡电路 时间常数法和 同步分离法等 由于这些测量方法差别都比较大 能同时测量三种参数的方法却很少 所以本次主 要选择两种比较全面的方法进行论证 最后选择出比较合适的方法进行设计 1 21 2 方案论证方案论证 1 2 11 2 1 方案一方案一 电桥法是根据比较原理所提出的一种测量电参数的方法 最简单的电桥如图 1 1 所示 四个支 路是电桥的四个臂 1 图 1 1 电桥原理 假如上图 4 个参数固定 若满足则中间电表 G 的读数为零 利用这个原理 3221 ZZZZ 当等式两边四个量中的一个为未知量的时候 如果调节其余三个量的值能使等式成立 也就是让中 间电表读数为零 那么就能计算出所求的未知量 这也就是我们平常所说的 平衡电桥 的概念 电桥有直流电桥和交流电桥之分 对于电阻我们采用直流电桥但是对于电感和电容这些电抗元 件就必须使用交流电桥 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 47 页 直流电桥就是其电源采用直流 是我们最常见的 如一开始就接触到的惠斯通电桥 原理就不 再熬述 电桥的平衡条件为 3241 RRRR 则被测电组 241 RRRRx 交流电桥就是电源采用交流 交流电桥的线路虽然和直流单臂电桥线路具有同样的结构形式 但因为它的四个臂是阻抗 所以它的平衡条件 线路的组成以及实现平衡的调整过程都比直流电桥 复杂 平衡条件为 12 12 nx jj nx ZZeZZe 通过调节阻抗 使电桥平衡 根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可以求出被测参 1 Z 2 Z 数 用这种测量方法 参数的值还可以通过联立方程求解 1 2 21 2 2 方案二方案二 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 R L C 转换成频率信号 f 然后测量频率就能算出所求参数 本方案从 555 出发 电阻电容采用 RC 积分电路和 555 构成多谐振荡器 电感部分采用电感的 充放电原理也同样利用 555 最后产生方波信号 这样就把模拟的电参数转化成了单片机可以识别的 频率信号 再用单片机测量频率 然后再进行分析和计算 就可以得出被测量 系统构成框图如下 被测电阻 被测电容 被测电感 555 振荡器 555 振荡器 555 振荡器 通道选择 51 单片机 按键 控制 数码管 显示 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 47 页 图 1 2 方案二系统框图 该系统以 51 单片机为核心 可分为五个模块 控制模块 测量模块 选通模块 显示模块 2 1 控制模块 采用 89C52 扫描键盘值 制选择测量类型和量程切换 2 测量模块 又分为三个小模块 分别是电阻测量模块 电容测量模块和电感测量模块 电阻测量模块和电容测量模块以 RC 振 荡电路和 555 组成 电感测量模块由电感充放电和 555 构 成 该整体模块的功能是将电参数转换成频率 3 通道选择模块 采用 CD4052 芯片 其实质是一个多路选择器 选择送入单片机的频率信 号 4 显示模块 采用 6 个七段数码管显示优点是操作容易价格低廉 5 按键控制模块 其实就是三个键盘 选择当前将测试那一个 1 2 31 2 3 方案确定方案确定 方案 1 采用电桥法虽然精度高 但是调节电桥平衡一般只能手动 电桥的平衡判别亦难用简单 电路实现 而且电路复杂 实现起来较为困难 不易实现自动测量 方案 2 把模拟量转换成频率用单片机测量频率 一方面容易测量 另一方面便于使仪表实现自 动化 测量精度也高 而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性 系统扩展性强 配置灵活 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 所以 综合以上分析 本次设计采用方案 2 进行设计 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 47 页 2 系统硬件设计 2 12 1 电阻测量部分电阻测量部分 2 1 12 1 1 原理分析原理分析 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 3 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 其 内部结构如图 2 1 所示 1 3 5 6 7 8 84 3 2 6 74 A1 3 2 6 74 A2 1 2 3 G2 12 G4 5K 5K 5K Uo Vco TH TR Vod VccRd 1 2 13 12 G1 1 2 3 G3 图 2 1 定时器内部结构 它由分压器 比较器 基本 RS 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 2 3Vcc 加在同相 输入端 比较器 A2 的参考电压为 1 3Vcc 加在反相输入端 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 RS 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 D R 电压比较后 其结果作为基本 RS 触发器端的输入信号 基本 RS 触发器的输出状态受比较器 D S A1 A2 的输出端控制 由 555 定时器组成的多谐振荡器如图 2 2 所示 其中 R1 Rx 和电容 C1 为外接元件 其工作波 如图 2 3 所示 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 47 页 R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 A 555 R1 RX C2C1 VCC Vo 图 2 2 555 多谐振荡器工作原理图 图 2 3 波形图 设电容的初始电压 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 C U 0 1 3Vcc 比较器 A1 输出为高电平 A2 输出为低电平 即 1 0 RS 触发器 TH V TL V D R D S 置 1 定时器输出 1 此时 0 定时器内部放电三极管截止 电源 Vcc 经 R1 向电容 C 充 C UQ x R 电 逐渐升高 当上升到 1 3Vcc 时 A2 输出由 0 翻转为 1 这时 1 RS 触发顺 C U C U D R D S 保持状态不变 所以 0 t t1 期间 定时器输出为高电平 1 C U t t1 时刻 上升到 2 3Vcc 比较器 A1 的输出由 1 变为 0 这时 0 1 RS 触发 C U D R D S 器复 0 定时器输出 0 C U t t1 t2 期间 1 放电三极管 T 导通 电容 C 通过放电 Uc 按指数规律下降 当Q x R 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 47 页 Uc 2 3Vcc 时比较器 A1 输出由 0 变为 1 RS 触发器的 1 Q 的状态不变 的状态仍为 D R D S C U 低电平 t t2 时刻 下降到 1 3Vcc 比较器 A2 输出由 1 变为 0 RS 触发器的 1 0 触 C U D R D S 发器处于 1 定时器输出 1 此时电源再次向电容 C 放电 重复上述过程 C U 通过上述分析可知 电容充电时 定时器输出 1 电容放电时 0 电容不断地进行 C U C U 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 4 电容 C1 的充电所需的时间 即脉冲维持时间 2ln 111 CRxRt 放电所用时间 即脉冲低电平时间 2ln 12 RxCt 输出信号的占空比为 x x RR RR t t q 2 1 1 2 1 所以脉冲周期时间为 2 2ln 1121 RxRCttT 输出脉冲频率为 2 2ln 1 11x RRC f 被测电阻为 2ln 1 2 1 1 1 R Cf Rx 所以只要已知 R1 C1 和震荡电路的频率就能求出 R 的值 2 1 22 1 2 具体电路具体电路 具体电图以及参数如图 2 4 FR srl srh R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 A 555 R11 1k RX C11 0 1u C12 5u 5v D 12 Q 9 CLK 11 Q 8 S 10 R 13 U1 B 74LS74 C13 1n SW11 SW DPST SW12 SW DPST 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 47 页 图 2 4 电阻测量电路 电路中使用定时器为 NE555 为了提高测量精度 基准电阻 R1 选择精度为 0 1 的精密电阻 电容 C3 C4 选择高精度的聚苯乙烯电容 由于电阻的测量范围较广 定时器输出的波形的占空比 变化范围较大 为了防止占空比过大或过小 单片机难以捕捉到波形的边沿变化 设计中在定时器 输出端接上一个 D 触发器将输出信号 2 分频同时将信号整形为 50 占空比的方波 整形前后波形如 图 2 5 所示 图 2 5 整形前后仿真波形 由于单片机的晶振频率为 12M 所以单片机能识别的频率信号上限为 500kHz 而在 10Hz 到 150kHz 的范围内反应最灵敏 精度最高 所以设计中参数要合理让频率落在 10Hz 到 150kHz 的范 围内 因此设电阻测量分为两档 图中两个双联开关控制量程选择 当按下开关 SW11 时单片机选 择小量程 当按下开关 SW12 时单片机选择大量程 1 小量程 电容 C1 选择 5uF R1 1k 此时 1000 1052ln 1 2 1 6 f Rx 21000 1052ln 1 6 x R f 当 Rx 0时 26 23Hz f 当 Rx 5k时 288 6Hz f 满足单片机的频率要求 所以小量程的测量范围为 0 5k 2 大量程 电容 C1 选择 1nF R1 1k 此时 1000 1012ln 1 2 1 9 f Rx 21000 1012ln 1 9 x R f 当 Rx 5k时 131 2kHz f 当 Rx 10M时 721Hz f 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 47 页 满足单片机的频率要求 所以大量程的测量范围为 5k 1M 2 22 2 电容测量部分电容测量部分 2 2 12 2 1 原理分析原理分析 电容测量原理和电阻的相同在次就不再重复论述 5 由于已在电阻原理部分推导出输出脉冲频率为 2 2ln 1 21 RRCx f 所以待测电感为 2 2ln 1 21 RRf Cx 所以只要已知 R1 R2 和频率就能计算出电容的值 2 2 22 2 2 具体电路具体电路 由于设计要求测量得电容容值在 100pF 到 10000pF 之间 容值较小 要由 RC 振荡产生较低频 率的信号就必须将电阻的参数选很大 但一般大电阻都难以保证很高的精度 本设计中定时器选用 TLC555 作为定时器 相对 NE555 TLC555 具有更高的速度 和温度特性 能工作在更高的频率下产 生稳定的输出信号 同电容测量一样 为了在电阻测量范围内保证震荡频率落在 10Hz 到 150kHz 的 范围内 设计中分为两档 通过按键选择量程切换 电路具体参数如图 2 6 所示 FC schscl R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U2 555 CXC21 0 1uf R21 10k R23 10k 5V R22 510k R24 510k SW22 SW DPST SW21 SW DPST 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 47 页 图2 6 电容测量电路 1 小量程 选择 R1 R2 510k 此时 101 52101 5 2ln 1 55 Cx f 101 52101 5 2ln 1 55 f Cx 当 100pF 时 9 49kHzCxf 当 1000pF 时 949HzCxf 满足单片机对频率要求 所以小量程的测量范围为 100pF 1000pF 2 大量程 选择 R1 R2 10k 此时 1012101 2ln 1 44 Cx f 1012101 2ln 1 44 f Cx 当 1000pF 时 48 1kHzCxf 当 10000pF 时 4 81kHzCxf 满足单片机对频率要求 所以小量程的测量范围为 1000pF 10000pF 2 3 电感测量理部分电感测量理部分 2 3 12 3 1 原理分析原理分析 电感测量原理图如图 2 7 所示 6 R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U3 555 VCC C1 R1 D31 DIODE LX Vo 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 47 页 图 2 7 电感测量原理图 用 555 定时器和被测电感构成多谐振荡器 通过频率值来确定被测电感 R1 Lx D1 为电路 的定时元件 3 脚输出为 TTL 电平频率随 L1 而变化的方波信号 通电后 Lx 中的电流不能突变 R1 和 Lx 中的流从无到有 Lx 中的磁通也随之变化 从而产生变化的电动势 2 6 脚电压 V 2 6 VCC 3 脚的电压为低电平 555 内部放电管导通 7 脚与地联通 为低电平 是 L1 R1 回路电流 按指数规律上升 R 上压降 VR V 2 6 当 V 2 6 1 3VCC 时 电路翻转 3 脚输出高电 平 7 脚与地断开 电感 L1 的反电动势按指数规律减小 VR 也随之减小 V 2 6 开始上升 当 V 2 6 2 3VCC 时 电路再次翻转 3 脚出现低电平 7 脚又与地接通 Lx 再次充电 重复上述过 程 从而实现自振荡 VR 波形及最终输出波形如图 2 8 所示 电路输出波形高低电平时间分别为 2ln 3 1 3 2 ln VCC VCC TPL 2ln 3 2 3 1 ln VCCVCC VCCVCC TPH 1 R Lx 所以输出频率为 Lx R TTT f PLPH 2ln2 11 1 即可求出电感量 f R Lx 2ln2 1 图 2 8 电感测量波形 2 3 22 3 2 具体电路具体电路 鉴于题目要求测量电感的范围 由理论分析可知电路的输出频率很高 必须对输出信号做分频 单片机才能处理 设计中 同电容测量模块采用高速定时器 TLC555 由于电感测量时输出频率最 高能达到 3 6M 超出单片机识别范围 所以采用计数器 74LS160 对信号做 10 分频 不仅满足测量要 求还扩大了测量的范围 电路中放电二极管采用高速肖特基二极管 1N4148 以提高电路的阶跃响应 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 47 页 所以必须采用分频电路具体参数如图 2 9 所示 10 分频后波形如图 2 10 所示 7 FL R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U3 A 555 5v C31 0 1uf R31 50 D31 DIODE LX D0 3 Q0 14 D1 4 Q1 13 D2 5 Q2 12 D3 6 Q3 11 RCO 15 ENP 7 ENT 10 CLK 2 LOAD 9 MR 1 U3 B 74LS160 图 2 9 电感测量具体电路 图 2 10 分频前后仿真波形 电感测量时电阻 R1 选择 50 因为 f R Lx 2ln2 1 所以 Lx R f 2ln2 1 当 Lx 10uH 时 3 6MHz 十分频后 360kHZ ff 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 47 页 当 Lx 10MH 时 3 6kHz 十分频后 360Hz ff 满足单片机频率要求 所以电感测量只有一个量程 10uH 10MH 2 42 4 通道选择部分通道选择部分 本设计中将模拟信号转换成频率信号后通过单片机的 T0 口测量频率值 应为有电阻 电感 电容三个对于频率信号 8 所以需要对 3 路信号进行选择 最后只有一路信号送至单片机 T0 口进 行频率测量 在此采用模拟开关 8 选 1 的多路模拟开关 CD4052 做为 3 路通道作选择 有单片机控 制到底选择哪一个信号进行测量 具体电路如图 2 11 所示 图 2 11 通道选择电路 CD4052 是差分四通道数字控制模拟开关器件 有 A 和 B 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 2 1 所示 表 2 1 多路选择开关控制 P3 0 P3 1 测量类别 00X0 01X1 10X2 11X3 2 5 显示部分显示部分 显示部分如下图 2 12 所示 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 47 页 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U4 AT89C52 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 1k 5v 图 2 12 显示部分电路 在电阻 电容 电感测试系统中 9 用 LED 来显示测量结果 既简单又显而易见 LED 选用六个七段数数码管 七位数码管以共阴极的方式与单片机连接 单片机 P0 口接数码管段 选端 P2 口接位选端 通过给 P0 P2 口赋值就能控制数码管的显示 由于单片机 P0 口需要上拉 电阻所以选用 1K 的排阻 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 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 47 页 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 2 62 6 单片机控制部分单片机控制部分 图 2 13 52 单片机管脚图 上图为单片机管脚图 AT89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的 可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 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 处理器和 Flash 存储单元 功能强大的 AT89C52 单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合 AT89C52 有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 2 个读写口线 AT89C52 可以按照常规方法进 行编程 但不可以在线编程 S 系列的才支持在线编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合 在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本 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 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 47 页 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 本设计中单片机的控制部分电路图如图 2 14 scl sch srl srhFR FL FC XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U4 AT89C52 D43 LED BIBY D42 LED BIBY D41 LED BIBY SW1 SW SPST SW2 SW SPST SW3 SW SPST 5v R42 1k R43 1k R44 1k X0 12 X1 14 X2 15 X3 11 Y0 1 Y1 5 Y2 2 Y3 4 A 10 B 9 INH 6 X 13 Y 3 U5 4052 D45 LED BIBY D44 LED BIBY R45 1k R46 1k 图 2 14 单片机控制部分电路 接口说明 P0 口 数码管段选 陕西理工学院毕业设计 第 17 页 共 47 页 P2 口 数码管位选 P1 0 口 电阻测量选择位 P1 1 口 电容测量选择位 P1 2 口 电感测量选择位 P1 3 口 电阻低量程选择位 P1 4 口 电阻高量程选择位 P1 4 口 电容低量程选择位 P1 5 口 电容高量程选择位 P3 6 口 单位 K 指示位 P3 7 口 单位 1 指示位 XTAL1 XTAL2 外接 12M 晶振接口 RST 复位电路接口 本系统设计控制部分由单片机完成 其中 P0 口接数码管段选 P2 接数码管位选 控制数码管显 示 P3 4 口为定时 计数器 T0 口主要接受频率信号 这里 T1 口工作为计数方式 由于要实现自动测量所以需要按键也比较少 上图中 SW3 SW2 SW1 为类型选择按键 按下 SW3 表示当前测量的元件是电阻 按下 SW2 表示当前测量的是电感 按下 SW1 表示当前测量的是电 容 同时用三个不同颜色的发光二极管来表示待测元件类型 D4 D5 位单位指示 D4 表示单位为 K 其实也就是大量程 D5 表示单位为 1 也就是小量程 P3 5 和 P3 6 接两个 LED 灯用来显示单位 陕西理工学院毕业设计 第 18 页 共 47 页 3 系统软件设计 3 13 1 总体流程图总体流程图 总体软件流程图如下 定时器初始化 L 测试 C 测试 R 测试 按键分析设置状态 单片机数据处理 显示 开始 有键按下 Y N 图 3 1 软件总流程图 软件部分采用 C 语言编写 程序简单明了 单片机上电后先系统初始化 然后进入按键扫描子 程序扫描按键 当有按键时先判断按键类型 然后把相应的单片机接口变成低电平 单片机接收到 低电平信号后 决定测量类型 然后开启定时器测量频率 频率测量完毕后进行数据分析处理 最 后在数码管上显示 程序主要包括一下几部分 1 频率测量部分 这部分利用测频法测量频率 定时计数器工作在方式 1 T1 做定时器 T0 做计数器 2 显示部分 陕西理工学院毕业设计 第 19 页 共 47 页 采用动态扫描方式 P0 口送段选 P2 口送位选 循环显示结果 3 延时部分 4 按键控制部分 5 中断处理部分 计数中断用来计数从而得出所测频率 定时中断定时 40us 通过计数从而定出 1S 定时 3 2 测频模块测频模块 频率测量部分是本次设计的核心 主要用单片机通过软件方式实现 单片机测量频率主要有两 种方法 测频法和测周法 下面对着两种方法进行简要说明 测周法 该方法是将标准频率信号 fx1 送到计数器输入端 而让被测频率信号 fx2 控制计数器的技术时 间 所得的计数值 N2 与 fx2 有如下关系 fx2 fx1 N2 原理图如下 图 3 2 测周法原理图 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 测频法 测频法就是将被测信号加到计数器的输入端 计数器在标准时间 Tt 内进行技术所得的计数 值 N1 与被测信号的频率 fx 有如下关系 fx N1 Tt 如果我们选择 Tt 1S 那么计数值 N 就是所测频率值 从上面的分析可以看出测周法适用与低频信号 测频法适用于高频信号 本次设计中频率主要 集中在高频段 为了满足测量精度达到要求 所以本次测量采用测频法 测量时单片机利用 T0 定 时 利用 T1 计数 首先单片机先初始化定时计数器 设置初值开中断 定时器计数器以中断的方 式工作 定时时设置 40us 时发生中断 这样中断 250 次刚好是 1S 此时计数器的中断值就是当前 陕西理工学院毕业设计 第 20 页 共 47 页 所测得的频率值 然后单片机就进行数据分析和处理 最后控制数码管显示测量值 软件流程图如下 定时器初始化 TR1 0 TR0 0 停止定时计数 数据处理 显示 开始 定时 1S 到否 TR1 1 TR0 1 T1 开始定时 T0 开始计数 N Y 图 3 3 测频部分流程图 陕西理工学院毕业设计 第 21 页 共 47 页 4 系统安装与测试 4 14 1 系统安装系统安装 首先按照一般的设计步骤 现在软件里面仿真 仿真成功后再做出实物验证 调试 10 本次设计采用 Proteus 进行仿真 仿真时采用分步仿真 遇到问题就逐个解决 最后在整体仿真 在仿真过程中遇到了不少问题 不过经过老师和同学的帮助最后终于成功仿真出来 硬件部分也采取类似的方法 图 4 1 实物电路图 陕西理工学院毕业设计 第 22 页 共 47 页 4 24 2 测试与分析测试与分析 1 电阻的测量 电阻的一组测量数据如下表 4 1 所示 表 4 1 电阻测量 电阻标值万用表读数本仪表读数相对误差 10 9 9 11 24 13 5 100 101 2 102 4 1 1 1K 1000 998 54 0 14 1M 999 5k990 2k0 9 2 电容的测量 电容的一组测量数据如下表 4 2 所示 表 4 2 电容测量 电容标值本仪表读数相对误差 100pF90 12pf9 8 1000pf980 34pf1 9 10000pf9750 2pf2 5 3 电感的测量 电感的一组测量数据如下表 4 3 所示 表 4 3 电感测量 电感标值本仪表读数相对误差 100uH95 98uH4 2 1mH1 02mH2 4 系统误差分析 相对误差计算公式 100 RR R 万仪 万 由表可知当测量元件参数过大或过小时测量误差将随之增大 通过分析知 本设计采用的是谐振频率法测量元件 当元件参数过大时其谐振频率较小 反之 其谐振频率较大 由于振荡电路产生的频率不太稳定 而程序中的参数都是基于理论值的 最后通过几个测量将程序 中的数据处理参数矫正 但是只能通过取点式的找几个特殊值 所以参数的设定不能做到很精确 加之单片机的性能所限 频率过低或过高时测量精度将随之降低 同时系统中各元件自身的精度也 将影响该仪器的精度 这些因素都形成了器件测量的误差和限制了测量范围 11 5 系统改进 由以上分析知 各测量模块选择更精密的元件 增加各测量模块的档位以限制输出频率或选用 更好的单片机 通过更多的测量让程序中的参数更加精确 合理的布局实物中的电路避免问题 这 些都将增大该仪器的测量范围 提高系统的测量精度 对于量程转换部分可以采用继电器实现自动 转换 5 结论 陕西理工学院毕业设计 第 23 页 共 47 页 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 增强了我解决实际问题的能力 也为将来的工作打下了基础 本设计的硬件电路图简单 可降低生产成本 采用单片机可提高系统的可靠性和稳定性 缩小系 统的体积 调试和维护方便 而且以 MCS 52 单片机最小系统为核心的设计能够满足了整个系统的工 作需求 555 振荡器实现了被测电阻和被测电容参数的频率化 被测频率通过 CD4052 模拟开关送 入单片机计数 再经过显示电路显示被测参数的测量值 软件用 C 语言编程 根据具体情况控制启 动被测参数的相应程序 能灵活控制被测参数的档位切换 经过测试 完成了设计设计要求 但其 中仍然存在着很多需要改进的地方 作品实测中 由于时间的关系和自己的能力有限 所以测量误 差比较大 希望在之后的设计之中能够得到进一步解决 在人机交换方面 显示部分可以改用显示 效果更好的液晶屏显示 使系统工作状态和数据显示更加清晰 更加人性化 总体来说 本次设计是成功的 致谢 在本次论文的撰写中 我得到了梁芳老师的精心指导 不管是从开始查资料准备还是中间设计 陕西理工学院毕业设计 第 24 页 共 47 页 制作的过程中 一直都耐心地给予我指导和意见 使我在专业知识和撰写论文方面都有了较大提高 同时也显示了老师高度的敬业精神和责任感 在此 我对梁芳表示诚挚的感谢以及真心的祝福 四年大学生活即将结束 回顾几年的历程 老师们给了我们很多指导和帮助 他们严谨的治学 优良的作风和敬业的态度 为我们树立了为人师表的典范 在此 我对所有的老师表示感谢 祝你 们身体健康 工作顺利 参考文献 1 阎石 数字电子技术基础 第 5 版 M 北京 高等教育出版社 2006 陕西理工学院毕业设计 第 25 页 共 47 页 2 华成英 童诗白 模拟电子技术基础 第 4 版 M 北京 高等教育出版社 2006 3 闫玉德 单片机原理与应用 C 语言版 M 北京 机械工业出版社 2004 80 112 4 牛百齐 基于单片机的电容测量仪设计 J 仪器仪表用户 2005 12 4 29 30 5 刘明亮 振荡器的原理和应用 M 北京 高等教育出版社 1983 6 刘军 李智 基于 单片机 的高精度电容电感测量仪 J 国外电子测量术 2007 26 6 48 51 7 Aldutcher 使用少量元件的廉价易用电感测试仪 J 电子设计技术 2007 7 108 111 8 陈江华 杨霓清 梁村梅 一种实用的电容 电感和电阻自动测量仪 J 计量与测试技术 2002 29 1 21 26 9 韦以明 基于传感中低Q 电感的测量 J 现代电子技术 2007 1 11 138 140 10 A High Accuracy Automated Resistance Bridge for Measuring Quantum Hall Devices Publication Year 1985 Page s 320 322 11 Yang Zhizhong Digital electronic technology Second Edition higher education press 2004 2 附录 A 英语科技文献原文及其翻译稿 陕西理工学院毕业设计 第 26 页 共 47 页 Based on virtual instrument RLC parameter automatic measuring system 1 Introduction RLC parameter measuring instrument is used for component concentration measurement RLC parameter mutual inductance and capacitance M C and quality factor Q measuring instrument Traditional RLC parameter measurement instrument such as various communication bridge in measuring resistor inductor bridge when need artificial elements such as parameters a