[电子电路]单片机电阻、电容、电感测试仪.doc

简易电阻 电容和简易电阻 电容和 电感测试仪设计电感测试仪设计 作者 祝荣山作者 祝荣山 1020610315 1020610315 欧阳金信 欧阳金信 1020610261 殷浩 殷浩 1020610363 论文类型 应用型论文类型 应用型 日期 日期 2012 年年 11 月月 15 日日 2012 年年 11 月月 23 日日 2 摘摘 要要 近几年来 电子行业的发展速度相当快 电子行业的公司企业数目也不断 增多 这个现象带来的直接结果是电子行业方面的人才需求不断增多 所以 现在大多数高校都开设与电子类相关的专业及课程 为社会培养大量的电子行 业的人才 做过电路设计的工作人员或者学生大多数使用万用表来测量一些元 件参数或者电路中的电压电流 然而万用表有一定的局限性 它只能测量有限 种类的元器件的参数 对于电容和电感等一些电抗元件就无能为力了 所以制 作一种简便的电容电感测量仪显得尤为重要 方便电路设计人员或者高校电子 类专业的学生测量电路中需要用到的电容及电感的具体值 本次设计的思想是基于以上原因提出来的 该系统以 stc89c52 单片机为 控制核心 搭配必要的外围电路对电阻 电容和电感参数进行测量 系统的基 本原理是将电阻阻值 电容容值 电感感值的变化均转换成方波脉冲频率的变 化 利用计数器测频后通过单片机做运算 最后计算出待测元件的各个参数并 显示在 1602 液晶屏幕上 系统使用按键选择被测元件类型 使用 1602 液晶屏 作为显示部分 测量时 只需将待测元件引脚放在测试仪的输入端 用按键操 作需要测量的参数 便可以很快测出被测元器件的参数 简便易用 实验测试 结果表明 本系统性能稳定 测量精度高 关键词 stc89c52 单片机 电阻测量电容测量电感测量 目录目录 摘 要 2 目录 3 1 设计的背景及意义 5 1 1 设计背景 5 1 2 电阻 电容 电感测试仪的发展历史及研究现状 5 2 电路方案的比较与论证 7 2 1 电阻测量方案 7 2 2 电容测量方案 8 2 3 电感测量方案 10 3 核心元器件介绍 12 3 1 ne555 的介绍 12 3 4 ne5532 的介绍 14 3 5 stc89c52 的介绍 15 3 4 1602 液晶的介绍 17 4 单元电路设计 19 4 1 直流稳压电源电路的设计 19 4 2 电源显示电路的设计 20 4 3 电阻测量电路的设计 21 4 4 电容测量电路的设计 21 4 5 电感测量电路的设计 22 4 6 电阻 电容 电感显示电路的设计 23 5 程序设计 24 5 1 主程序流程图 24 4 5 2 中断程序流程图 25 6 仿真结果 26 6 1 电阻测量电路仿真 26 6 2 电容测量电路仿真 26 6 3 电感测量电路仿真 27 7 调试过程 29 7 1 电阻 电容和电感测量电路调试 29 7 2 液晶显示电路调试 29 8 心得体会 30 9 参考文献 31 10 附件 32 附件 1 电路图 32 附件 2 元件清单 33 附件 3 程序代码 34 1 设计的背景及意义设计的背景及意义 1 1 设计背景 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 6 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 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 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 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 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 7 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 2 电路方案的比较与论证电路方案的比较与论证 2 1 电阻测量方案 方案一 串联分压原理 v rx r0 串联电路原理图 根据串联电路的分压原理可知 串联电路上电压与电阻成正比关系 测量 待测电阻 rx和已知电阻 r0上的电压 记为 ux和 u0 0 0 r u u r x x 方案二 利用直流电桥平衡原理的方案 根据电路平衡原理 不断调节电位器 r3 使得电表指针指向正中间 再测量电 位器电阻值 1 32 r rr rx 方案三 利用 555 构成单稳态的方案 9 555 定时器构成单稳态电路图 根据 555 定时器构成单稳态 产生脉冲波形 通过单片机读取高低电平得 出频率 通过公式换算得到电阻阻值 由 crr f x 2 2ln 1 1 得 2ln 1 2 1 1 r cf rx 上述三种方案从对测量精度要求而言 方案一的测量精度极差 方案二需 要测量的电阻值多 而且测量调节麻烦 不易操作与数字化 相比较而言 方 案三还是比较符合要求的 由于是通过单片机读取转化 精确度会明显的提高 故本设计选择了方案三 2 2 电容测量方案 方案一 利用串联分压原理的方案 通过电容换算的容抗跟已知电阻分压 通过测量电压值 再经过公式换算 10 得到电容的值 原理同电阻测量的方案一 方案二 利用交流电桥平衡原理的方案 2 21 221x j x j ezzezz 通过调节 z1 z2 使电桥平衡 这时电表的读数为零 通过读取 z1 z2 zn 的值 即可得到被测电容的值 方案三 利用 555 构成单稳态原理的方案 555 定时器构成单稳态电路图 根据 555 定时器构成单稳态 产生脉冲波形 通过单片机读取高低电平得 出频率 通过公式换算得到电容值 由 x crr f 2 2ln 1 21 若 r1 r2 得 1 2ln3 1 rf cx 上述三种方案从对测量精度要求而言 方案一的测量精度极差 方案二需 要测量的电容值多 而且测量调节麻烦 电容不易测得准确值 不易操作与数 11 字化 相比较而言 方案三还是比较符合要求的 由于是通过单片机读取转化 精确度会明显的提高 故本设计选择了方案三 2 3 电感测量方案 方案一 利用交流电桥平衡原理的方案 原理图同图 2 2 方案二 利用电容三点式正弦波震荡原理的方案 电容三点式正弦波震荡电路图 由 x l cc cc f 2 1 21 21 得 12 21 21 2 2 1 cc cc f lx 上述两种方案从对测量精度要求而言 方案二需要测量的电感值多 而且 测量调节麻烦 电感不易测得准确值 不易操作与数字化 相比较而言 方案 二还是比较符合要求的 由于是通过单片机读取转化 精确度会明显的提高 故本设计选择了方案二 3 核心元器件介绍核心元器件介绍 3 1 ne555 的介绍 555 集成电路开始是作定时器应用的 所以叫做 555 定时器或 555 时基电路 但后来经过开发 它除了作定时延时控制外 还可用于调光 调温 调压 调 速等多种控制及计量检测 此外 还可以组成脉冲震荡 单稳 双稳和脉冲调 制电路 用于交流信号源 电源变换 频率变换 脉冲调制等 它由于工作可 靠 使用方便 价格低廉 目前被用于各种电子产品中 555 集成电路内部有 几十个元器件 有分压器 比较器 基本 r s 触发器 放电管以及缓冲器等 电路比较复杂 是模拟电路和数字电路的混合体 555 集成电路内部结构图 引脚图 14 管脚介绍 555 集成电路是 8 脚封装 双列直插型 如图 a 所示 按输入输出的排 列可看成如图 b 所示 其中 6 脚称阈值端 th 是上比较器的输入 2 脚 称触发端 是下比较器的输入 3 脚是输出端 vo 它有 0 和 1 两种状态 由 输入端所加电平决定 7 脚是放电端 dis 它是内部放电管的输出 有悬空 和接地两种状态 也是由输入端的状态决定 4 脚是复位端 mr 加上低电 平时可使输出为低电平 5 脚是控制电压端 vc 可用它改变上下触发电平值 8 脚是电源端 1 脚是接地端 典型应用 555 震荡器电路 由 555 构成的多谐振荡器如图 a 所示 输出波形如图 b 所示 15 接通电源后 电源 vdd 通过 r1 和 r2 对电容 c 充电 当 uc 2 3vdd 后 振荡器输出 vo 翻转成 0 此时放电管导通 使放电管 dis 接地 电容 c 通过 r2 对地放电 使 uc 下降 当 uc 下降到 1 3vdd 后 振荡器输出 vo 又翻转成 1 此时放电 管又截止 使放电端 dis 不接地 电源 vdd 通过 r1 和 r2 又对电容 c 充电 又使 uc 从 1 3vdd 上升到 2 3vdd 触发器又发生翻转 如此周而复始 从 而在输出端 vo 得到连续变化的震荡脉冲波形 脉冲宽度 tl 约为 0 7r2c 由 电容 c 放电时间决定 th 0 7 r1 r2 c 由电容 c 充电时间决定 脉冲周期 t 约为 th tl 3 4 ne5532 的介绍 ne5532 是一种双运放高性能低噪声运算放大器 相比较大多数标准运算放 大器 如 1458 它显示出更好的噪声性能 提高输出驱动能力和相当高的小信 号和电源带宽 这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备 仪器和控 制电路和电话通道放大器 如果噪音非常最重要的 因此建议使用 5532a 版 因为它能保证噪声电压指标 ne5532 特点 小信号带宽 10mhz 输出驱动能力 600 10v 有效值 输入噪声电压 5nv hz 典型值 直流 电压增益 50000 交流电压增益 2200 10khz 功率带宽 140khz 转换速率 9v s 大的电源电压范围 3v 20v 单位增益补偿 16 ne5532 引脚图 ne5532 内部原理图 3 5 stc89c52 的介绍 stc 单片机的优点 加密性强 很难解密或破解 超强抗干扰 1 高抗静电 esd 保护 2 轻松过 2kv 4kv 快速脉冲干扰 eft 测试 3 宽电压 不怕电源抖动 4 宽温度范围 40 85 5 i o 口经过特殊处理 17 6 单片机内部的电源供电系统经过特殊处理 7 单片机内部的时钟电路经过特殊处理 8 单片机内部的复位电路经过特殊处理 9 单片机内部的看门狗电路经过特殊处理 超低功耗 1 掉电模式 典型功耗 0 1 a 2 空闲模式 典型功耗 2ma 3 正常工作模式 典型功耗 4ma 7ma 4 掉电模式可由外部中断唤醒 适用于电池供电系统 如水表 气表 便携设备等 在系统可编程 无需编程器 可远程升级 可送 stc isp 下载编程器 1 万片 人 天 可供应内部集成 max810 专用复位电路的单片机 stc89c52 单片机最小系统原理图 18 3 4 1602 液晶的介绍 本设计使用的 1602 液晶为 5v 电压驱动 带背光 可显示两行 每行 16 个 字符 不能显示汉字 内置含 128 个字符的 ascii 字符集字库 只有并行接口 无串行接口 1602 与单片机接口 接口说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1vss 电源地 9d2 数据口 2vdd 电源正极 10d3 数据口 3vq 液晶显示对比度调节 11d4 数据口 4rs 数据 命令选择端 12d5 数据口 5r w 读写选择端 h l 13d6 数据口 6e 使能信号 14d7 数据口 7d0 数据口 15bla 背光灯电源正极 8d1 数据口 16blk 背光灯电源负极 19 基本操作时序 读状态 输入 rs l r w h e h输出 d0 d7 状 态字 读数据 输入 rs h r w h e h输出 无 写指令 输入 rs l r w l d0 d7 指令码 e 高脉冲输出 d0 d7 数据 写数据 输入 rs h r w l d0 d7 指令码 e 高脉冲输出 无 1602 写操作时序图 4 单元电路单元电路设计设计 系统方框图 4 1 直流稳压电源电路的设计 本系统采用双电源供电 故应设计正 负两路直流稳压电源 stc89c52 单片机 测频及显示 v cc v ee 21 4 2 电源显示电路的设计 由于 tlc549 输入电压范围不超过 5v 而要测的直流电源电压达 15v 可 用变阻器分压 将电源电压缩小为 1 4 后输给 tlc549 又由于 tlc549 只能输 入正电压 对于负电压 可用一 ne5532 构成的反相器先将负电压转成正电压 再加到 tlc549 的输入端 其中 ne5532 采用双电源供电效果比较理想 vee由 icl7660 构成的电源极性转换电路提供 将 5v 转换为 5v tlc549 采集的数 据通过 1602 液晶显示 负电 源输入 正电 源输入 22 4 3 电阻测量电路的设计 p1 5 接一独立按键 当其按下时 ne555 的 3 引脚输出方波 3 脚与 p1 2 相接 可通过程序测出其频率 进而求出 rx的值 显示在 1602 液晶屏上 150 2 0 2ln 1000000 f rx 4 4 电容测量电路的设计 p 1 5 p 1 2 p 1 6 p 1 3 23 p1 6 接一独立按键 当其按下时 ne555 的 3 引脚输出方波 3 脚与 p1 3 相接 可通过程序测出其频率 进而求出 cx的值 显示在 1602 液晶屏上 510000 2ln3 0001000000000 pf f cx 4 5 电感测量电路的设计 由于电容三点式震荡电路产生的信号较小 所以先加一级单管放大 在跟 比较器将正弦波转化成方波 p1 4 接一独立按键 当其按下时 运放输出口输 出方波 该口与 p1 3 相接 可通过程序测出其频率 进而求出 lx的值 显示 在 1602 液晶屏上 1 0 0001000000000 22 uh f lx 24 4 6 电阻 电容 电感显示电路的设计 采用 1602 液晶显示 耗能低 显示数值范围较大 5 程序设计程序设计 5 1 主程序流程图 开始 单片机时钟初始化 单片机端口初始化 液晶初始化显示开机界面 开启总中断 定时器初始化 进入低功耗模式 26 5 2 中断程序流程图 测试电阻并显 示 按键中断入口 判断按键 值 ok 键键值 1 进入选择档位界 面 档位键值 变化 电阻档电容档电感档 ok 键键值 0 显示主界 面 测试电容并显 示 测试电感并显 示 y n y n n 6 仿真结果仿真结果 6 1 电阻测量电路仿真 仿真电路图 输出波形 6 2 电容测量电路仿真 仿真电路图 28 输出波形 6 3 电感测量电路仿真 仿真电路图 29 输出波形 7 调试过程调试过程 7 1 电阻 电容和电感测量电路调试 接通电源 用示波器观察输出波形 若为方波 则电路焊接无误 否则检 查电路 在调试过程中发现 若改变电源电压 输出方波的频率会发生变化 计算 出的数值存在一定误差 当 vcc为 3 25v 左右时误差较小 7 2 液晶显示电路调试 将测量电路的输出分别与单片机的 p1 5 p1 6 p1 7 相接 观察液晶是否 显示测量结果 在调试过程中发现 电阻 电容的测量误差较小 由于电容三点式震荡电 路的频率不稳定 电感测量的误差较大 8 心得心得体会体会 这次设计是我这大学期间干的最有意义的事之一 从最初的选题 开题到 写论文直到完成论文 其间 查找资料 老师指导 与同学交流 反复修改论 文 每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实 通过这次实践 我了解了 简易电阻 电容和电感测试仪的用途及工作原理 熟悉了其的设计步骤 锻炼 了设计实践能力 培养了自己独立设计能力 这次课程设计收获很多 比如学 会了查找相关资料相关标准 分析数据 提高了自己的制作能力 这么一次锻 炼可以学到书本里许多学不到的知识 坚韧 独立 思考等 但是课程设计也 暴露出自己专业基础的很多不足之处 比如缺乏综合应用专业知识的能力 对 材料的不了解等等 由于能力有限 未能做到准确测量电阻 电容和电感 某 些测量结果误差 测量范围较小 感到有点儿遗憾 这次实践是对自己模电所 学的一次大检阅 使我明白自己知识还很不全面 本设计是在老师的精心指导和鼓励下完成的 在此 谨向老师和帮助我的 同学表示衷心的感谢 此外 我还要感谢在我的论文中所有被援引过的文献的作者们 他们是我 的知识之源 最后 再次向所有给予我帮助和鼓励的同学和老师致以最诚挚的谢意 9 参考文献参考文献 1 吴友宇主编 模拟电子技术基础 北京 清华大学出版社 2009 2 康华光主编 电子技术基础 数字部分 模拟部分 第 5 版 北京 高等教育出版社 1998 3 郭天祥主编 51 单片机 c 语言教程 入门 提高 开发 拓展全攻略 北京 电子工业出版社 2009 4 聂典 丁伟 multisim 10 计算机仿真 在电子电路设计中的应用 北京 电子工业出版社 2009 5 铃木雅臣 晶体管电路设计 北京 科学出版社 2012 6 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 m 北京 北京航空大学 出版社 2006 年 7 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 8 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 9 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2006 5 第四版 10 阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社 2006 5 10 附件附件 附件 1 电路图 34 附件 2 元件清单 元件型号位号数量 单片机stc89c52rcu11 排阻a103jr31 电位器 10k r2 r13 r17 r1 8 4 晶振11 0592mx11 电解电容25v 10ufc31 瓷片电容103 0 01uf c1 c2 c113 电阻 10k r1 r13 r183 按键j1 j2 j3 j44 液晶1602u21 555 定时器ne555a1 a22 电阻 300 r41 电阻 510k r5 r62 瓷片电容104 0 1uf c4 c5 c6 c7 c8 c9 6 电阻 100k r7 r92 电解电容50v 22ufc101 三极管s9018 npn 型 q1 q2 q33 电阻 2k r101 电阻 1k r8 r11 r143 电解电容50v 47ufc12 c132 电阻 39k r12 r192 35 电阻 51 r15 r162 电解电容25v 470ufc141 运放ne5532u31 36 附件 3 程序代码 include define uint unsigned int define uchar unsigned char define ulong unsigned long define pi 3 1415926 uchar table1 8 welcome uchar table2 16 f hz uchar table3 16 r ohm uchar table4 16 c pf uchar table5 16 l uh uchar num a th0 tl0 uint c l ulong f r sbit lcden p2 4 液晶使能端 sbit lcdrs p2 5 液晶数据命令选择端 sbit key r p1 5 测量电阻按键 sbit key c p1 6 测量电容按键 sbit key l p1 7 测量电感按键 sbit r out p1 2 测量电阻信号输入 sbit c out p1 3 测量电容信号输入 sbit l out p1 4 测量电感信号输入 37 声明子函数 void delayms uint xms 延时函数 void write com uchar com 液晶写命令函数 void write data uchar date 液晶写数据函数 void led init 液晶初始化函数 void t init 定时器 0 初始化函数 void keyscan 键盘检测函数 确定被测元件 为电阻 电容或电感 void display f ulong f 频率显示函数 void display r ulong r 电阻显示函数 void display c uint c 电容显示函数 void display l uint l 电感显示函数 主函数 void main led init t init keyscan write com 0 x01 while 1 display f f switch a case 1 r ulong 5000000 0 0 6931472 f 150 0 5 display r r break case 2 c int 100000000 0 153 0 6931472 f 0 5 display c c break case 38 3 l int 1000000000000 0 0 1 pi pi f f 0 5 display l l break 中断函数 void