【《基于单片机的电子元件测量系统的总体设计方案概述》2900字】

基于单片机的电子元件测量系统的总体设计方案概述1.1电子元件的概念以电子元件（electroniccomponent）为基本元素构成的系统统称为电路，伴随着不同种类的电子元件，封装是针对这个元件特有的，并且各个电子元件之间通常通过铜芯的导线或者焊锡来实现链接，以使其正常工作。将电子元件连接成电子电路的常见方法之一是将电子元件焊接到印刷电路板上。有些电子元件有独立的封装，如电阻、电容、电感、晶体管、二极管等，还有一些复杂程度不同的电路组，如集成电路组(运算放大器、电阻、逻辑门等)。在本课题中，我们主要是对日常生活中使用的电阻、电容、电感进行准确测量并自适应量程，在此仅介绍电阻、电容和电感。在导体中，最基本的一种性质就是电阻值，电阻值与导体的尺寸、制作导体的材料和测量时的环境有关。本课题中需要我们测量的电阻元器件就是一种导体。我们常用的电阻类电子元器件有很多种，可分为以下几种：1、电阻网络（ResistorNetwork）2、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"电阻器（Resistor）-固定的电阻值3、微调器-小型可变电阻器4、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"可变电阻-可变的电阻值5、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"加热器-电热元件（HeatingElement）6、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"电热线（ResistanceWire）-电阻值很高，与加热元件类似7、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"热敏电阻（Thermistor）-其电阻值随温度改变8、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"压敏电阻（Varistor）-变压电阻电容的两级间会形成电场，以此为原理它可以将电荷保存起来。并且电容器在电路中承担筛选的任务。电容器以其特殊的结构来达到改变所通过的大小和方向随时间做周期性改变的电压的目的，关于直流电压，因为电容器无法通过大小和方向随时间、周期性不改变的电压，所以无法将其改变[1]。根据使用方式和使用情况，可将电容分为以下几种：1、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"电容器（Capacitor）-固定的电容量2、电容电路（Capacitornetwork）3、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"可变电容器（Variablecapacitor）-可以改变其电容量4、\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%85%83%E4%BB%B6/_blank"变容二极管（Varicapdiode）-以二极管为基础来改变电容量电感又叫电感器，\t"/item/%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"电感器(Inductor)是以磁场为基础，在磁场中把电荷能量转化为磁能量并保存在其内部。变压器的工作原理与其相似，但是只有一个绕组在此元件中。电感器有一定的电感量，它只妨碍电流的改变。如果电感器处于没有电流流动的状态，当电路接通时，它会试图阻止流过它的电流;如果感应器处于电流流动状态，它将试图在电路断开时保持电流，也就是中学中俗称的“来拒去留”。电感器又称扼流圈、电抗器、动态电抗器。电感器与电容器的特性是相反的，它具有阻止交流电通过的能力，并允许直流电顺利通过。通过线圈的直流信号的电阻是导线本身的电阻降，非常小;交流信号通过线圈时,线圈的两端会产生自感电动势,自感电动势的方向与应用电压方向相反,阻碍交流的通道,所以电感器的特点是直流,交流电阻,频率越高,线圈阻抗越大。电感经常与电容一起工作在电路中，形成LC滤波器，LC振荡器等。此外，人们还利用电感的特性，制造扼流圈、变压器、继电器等。[[]YoungEC,ThePenguinDictionaryofElectronics,PenguinBooks,1988][]YoungEC,ThePenguinDictionaryofElectronics,PenguinBooks,19881.2电子元件的测量方法当前，用于测量电子部件的三个主要电子部件，即电阻、电感和电容的电子仪表的类型和种类很多，并且这些仪器使用的的测量原理也不同，这些方法各有特点。有许多方法可以被用来应用到设计电阻、电容和电感测量仪中来。在这些测量原理及方法中，最常用的方法是比例运算法，这种方案原理需要用到模拟电路和积分运算器，这两种方法根据电阻的性质提出。在针对测量电容的时候，可以使用一种以固定不变的电流对其充电来达到测量参数的方法，或者运用对比的方式进行参数测量，即恒流法和比较法（也可以叫对比法）。采用FPGA或实现CPLDFPGA(fieldprogrammablegatearray)是基于可编程软件和器件的技术改良产物。它是作为一种专用集成电路(ASIC)应用领域其中的一种半定制电路而开始出现的,既有效地解决了定制电路的缺陷,也克服了其原有的可编程器件门电路个别多且功能有限的局面性缺点。三大类型的电子元器件的设计都可以采用YHDL硬件电路,这一类型的硬件所需要制造的电路就是这个类型的主体。除此之外,maxplusii这一通过软件所建模拟的环境对于我们的设计具有极其重要的意义和帮助,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。[[]杨喜权主编．数字逻辑电路：电子科技大学出版社，2004年11月第1版：第150页][]杨喜权主编．数字逻辑电路：电子科技大学出版社，2004年11月第1版：第150页2)利用纯模拟电路如果使用纯模拟电路的话，去除了最大的问题，即程序编写问题，但是伴随着另一问题出现，即器件过多，大大降低了灵活度，伴随着还有测量精度下降这一问题，所以这种效率很低的方法已经被市场淘汰，被商家放弃。3)可编程逻辑控制器(PLC)最被市场接受和普遍使用的是PLC这种方法，也是目前最常使用的方法。这种方法具有高速、高精度以及高效率等优势，使其迅速成为了最被现代工业和现代电子技术普遍接受的方法，也是大多数人在对控制硬件运行的方案进行选择时所最喜欢的方案。然而，PLC在经济成本方面尚且达不到实惠，价格昂贵，所以其成本上是现在面临最大的难题。4）利用振荡电路与单片机结合综合本课题的题目和以上方法的比较，单片机微控制器是本次设计的终选择。首先，单片机的特点是软硬件结合之后利用率高，这一特点使得其应用结合之后的大小等一些结构各不相同。除此之外，不存在软硬件结合后实施方法的可能性减少，它可以完全将硬件的功能通过软件达到设计目标，这一特点将此方案的可选择性扩大。其次，极高的灵活性是单片机最大的特点，它具有完整的单片机最小系统和成熟编程功能，本次设计需要利用这个特点。所以，将单片机和振荡电路结合的方案可以有效降低设计的成本和较高的可靠性。 1.3总体思路在本设计中，我们需要先将R、L、C的模拟量转换为振荡频率f，基于RC振荡电路的基础上，利用数字值和频率信号的关系进行电阻、电容、电感和振荡频率间的模数转换，得到模数转换结果，转换公式如下：（式2-3-1）（式2-3-2）测量电感需要电容三点式振荡电路，根据式（2-3-3）（式2-3-3）可得式（2-3-4）（式2-3-4）综上，利用RC振荡电路的原理为基础进行转换，在转换之后，利用LC振荡电路的基本原理和方法进行测量，单片机以电路通道选择芯片为基础选择测量电路来分别测量电阻、电容和电感，然后模拟开关接收来自两个地址的信号，得到振荡频率，然后将其作为时钟源供单片机时钟脉冲波使用，然后将被测频率通过计数器算出，再通过该频率与电阻、电容、电感如上的函数关系，计算出电子元件的参数。在转换量程的问题上，取决于所测得的振荡频率。除此之外，把数据进行进一步处理后，电阻、电容和电感的参数通过数字值的形式送至液晶显示器显示，其中自动转换量程可以利用编程实现。1.4设计结构框图根据设计和电路，测量仪可大致分为控制部分和测量电路：1）控制部分:单片机，主要承担电路中的控制以及将收集到的振荡频率通过程序写入的公式进行计算来达到模数转换的功能，为了使其达到灵活性更高，测量快捷化的目的，在本设计中给三个通道分别设计了按键，按键将STC89C51单片机引脚独有的功能发挥出来，按键还是用了单片机中独有功能。2)测量电路:本次设计中