【《基于单片机的电子元件检测系统设计与实现》13000字（论文）】

基于单片机的电子元件检测系统设计与实现摘要从弱电技术刚被人类发现，到电子信息工程技术高速发展的今天，越来越多的与电子信息相关的电子元器件不断进入到我们的生活和学习当中。从法拉第发现电，再到区分强弱电，再到电子信息技术发展至今，电阻、电容、电感成为了电子信息技术中不可缺少的元件，在电子技术不断发展不断进步的过程中，构成电路就需要数据精准的电子元器件，为了保证电路的可靠运行，正确使用正确数值的电阻、电容、电感就成为重中之重。时至今日电子设备相较于以往已经实现了不可估量的进步，低数值、简单的电子元器件已经不满足电子电路的需求，更加复杂、数值更大的电子元件被研制出来。于此同时，针对不断进步的各式各样的电子元器件，对电子元件测量仪要求也不断提高。所以，基于单片机的电子元件测量仪便成为了电子信息技术的成熟产物和电气电子生产中不可缺少的仪器。关键词：单片机；电子元件；NE555；模数转换；振荡电路目录TOC\o"1-2"\h\u20027第一章绪论 第一章绪论课题研究的背景从弱电技术刚被人类发现，到电子信息工程技术高速发展的今天，越来越多的与电子信息相关的电子元器件不断进入到我们的生活和学习当中，从法拉第发现电，再到区分强弱电，再到电子信息技术发展至今，电阻、电容、电感成为了电子信息技术中不可缺少的元件，在电子技术不断发展不断进步的过程中，构成电路就需要数据精准的电子元器件，为了保证电路的可靠运行，正确使用正确数值的电阻、电容、电感就成为重中之重。所以，电子元件测量仪便承担了这个任务。时至今日电子设备相较于以往已经实现了不可估量的进步，低数值、简单的电子元器件已经不满足电子电路的需求，更加复杂、数值更大的电子元件被研制出来。于此同时，针对不断进步的各式各样的电子元器件，对电子元件测量仪要求也不断提高，从最简单的电子元件测量仪到更为精准的测量仪，要求可以准确把握电子元器件的参数，还要简单耐用，便于携带，便于使用，做到自适应量程，分辨率客观。所以，基于单片机的电子元件测量仪便成为了电子信息技术的成熟产物和电气电子生产中不可缺少的仪器。课题研究的意义当今在以弱电为基础的电子信息技术领域，电阻、电容和电感的准确测量和精准应用已经在电子信息技术和产品的制造、研发和探究中应用的十分广泛。R、L、C是电子设备中使用数量最多的元件，起着至关重要的作用。随着电子信息工业水平和技术的超高速发展，电子测量设备已经成为生产生活中必不可缺的物品。所以，在电子设备产品的设计和开发中需要大量精确的测量RLC等电子电路参数，所以电子元件测量仪器得到了十分广泛的应用。伴随着电子信息技术与电子电路技术的发展，电子元件测量仪器技术不断趋向于成熟并在生活生产中广泛应用。面对于恒流源测量时，如今最常见的测量原理及其方法有三种:对电位升降进行测量、以比例运算电路为基础以及以积分运算电路为基础。就测量电容的参数这一方面而言，电桥法和同样作为电子信息技术的谐振法应用最为广泛。上述的两种方法各具有其自身的一些优点，也各有其原理上的一些缺点，电桥法的优点就是其所测得的误差很小，但是相对来讲谐振法在测量时所使用的时间更短，谐振法的优势是其相对于电桥法具有更加简单的电路设计，方便优化硬件，但是相比之下这一优点使其优势无法超越电桥法，原因就是测量电子元件的精度较低，所以普遍使用第一种方法。然而，科技的逐步发展使得现阶段人类对于电子元件参数测量的探索和研究并不能就此停下，测量技术向数字化和智能化的发展趋势使得电子元件测量仪的探索条件得以大大改善。因此，借助当下发展的大环境和大趋势，让测量参数的精准度得到很大的提升。纵览目前国内外设计并投入使用的的电子元件测量仪，技术都十分成熟,硬件电路通常都比较复杂，集成度较高，体积庞大，不方便携带，而且价格都比较昂贵。本设计的主要内容是基于当前流行的stc微控制器充分利用现代单片机技术设计一个体积更小,造价更低廉，便于携带的RLC测量仪。国内外发展状况目前国内外已经有很多可以将电子元件测量仪投入实际应用的成熟技术，安杰伦和与其相同的福禄克公司就是国外在这一领域代表公司，它们占用空间小，误差极低，最小误差可达到0.1%，拥有着从十几到几十兆赫兹的跨度极大的可以自由选择的测试频率，测量时等待时间很短。茂峰工贸、上海仪器仪表研究所、同辉电子和协瑞电子都是国内在这一技术上具备一定实力的厂家。这些国产的电子元件测量仪器大多拥有比进口仪器更加庞大的体积，并且大部分会做成规则的矩形。国外生产的大多数电子元件测量仪器都是手持式测量仪器。现在国产器件的测试频率范围相较于外国器件较小，并且能够对频率类型进行的选择也较少，拥有0.25％左右的测量精度，并且测试速度可与国外仪器媲美。在上个世纪的末期，中国航空工业总公司以电位隔离电子元件为对象，并对它们进行在线测量。然而，这当时技术落后的中国评估水平非常低。诸如误差大、安全得不到保障和外表上感官得不良等负面影响，造就了这个方法不为人所知的现状。纵观国外，由于拥有大量经验以及充分而可靠的实验数据，国外电子元件测量仪一直拥有最为先进和成熟的技术，相对做到了极高的测量精度，十分短的测量时间，便于携带的很小的空间占用，而且向智能化的方向不断发展。纵观国内外的情况，我们可以看到电子元件测试仪的发展有两个发展趋向:(1)对各种类型的电子信息技术的产品进行日常的维护和监测，使得其向可随身携带、应用范围广泛的方向进一步发展。(2)在不断的进行测量、将测量所得结果实时上传至云端更新信息和对发生故障的原因判断等方面的进步。这种类型的系统功能齐全，但价格昂贵，一般只会在非常重要的场合和要求极高的设备处使用。设计的主要研究内容本次设计是将STC89C51作为电路的基础和主控核心，在控制单片机中的各种电子元件进行测量时,使用成套单片机开发板实现对系统的控制、编程和程序烧录等操作。多谐振荡器和由电容逆变器反馈型三点式组合而构成的振荡电路可以用时基集成电路来构造,这样就可以向发送出具有特定频率的脉冲信号。之后由单片机携带的I/0串口采集所输入的电平，分辨出其所具有的频率；之后再将测量所得到的模拟量以一定的算法进行计算后输出得到相应的数字量，然后再通过单片机发送到LCD1602屏幕进行显示。其所测量的目标值必须先完成向频率的转变，然后进行计算和测量。其精度将直接影响到仪器的测量精度。小结本章节主要探讨了这次所选择的基于单片机的电子元件测量仪的背景及意义，电子元件测量仪对于我们科学技术的发展具有至关重要的作用，从国内外的发展情况可知，不管是发达国家还是发展中国家都一直重视电子元件测量仪的发展现状，由此可知其重要性，最后探究了这次设计的主要研究内容。第二章总体设计方案2.1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,19882.2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。 2.3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。2.4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:本次设计中需要测得的振荡频率是用电子元件的参数转换而来的，顾名思义是要将模拟值通过振荡频率体现参数，这关系到电感的测量方式，所以电感的振荡频率需要用到电容三点式振荡电路的方法来获取。除了电容三点式振荡电路的方法获取振荡频率，RC震荡电路也可以用来获取振荡频率。电阻和电容的电子元件特性不是特别复杂，所以可以根据简单的振荡电路特性采取到所需要的模拟值转换后的振荡频率。该设计方案的总体框图如图2.4.1图2.4.1设计框图2.5小结这一章节主要探讨了针对电阻、电容和电感的常用的测量方法，这些方法都是针对电子元件的性质所提出来的，有了这些理论的支撑做基础，将其与单片机进行有机结合，这样可以使得设计更加贴近设计想法，以达到设计目的，从而达到对电子元件测量仪的设计要求。硬件设计3.1主控模块3.1.1STC89C51单片机介绍STC89C51单片机是一款国产的八位微控制器。单片机具有多个可变的时钟周期、处理速度快、消耗的功能少和对干扰的抵抗能力强特点。STC89C51除了常见的5V电源供电外还可以在3V的电压下工作，在性能相同的情况下拥有可以达到48MHz的工作频率，这个数值大约只有传统8051单片机的一半。有高达512字节的RAM集成在STC89C51之上，包括电源串口和时钟串口在内共有40个引脚，其在系统之中和在应用之中都可以进行编程不需要使用专门对应的软件，只需要数秒的时间就可以通过数据串口完成对所需要程序的下载。其作为一种处理效率高、使用方式灵活的解决办法，被广泛应用于嵌入式的控制应用系统当中。[[][]胡汉才.单片机原理及系统设计[M]

.北京:清华大学出版社.2012:03-05.图3.1.1STC89C51封装实物主要功能列举1、芯片内部包含一个时钟振荡器2、内部程序存储器（ROM）具有4KB的内部存储容量3、内部数据存储器（RAM）具有256字节的存储容量4、I/0口线具有32个可编程口线5、8个中断向量源6、两个16位定时器/计数器具有三级加密程序存储器保证加密程序全双工UART串行通道功率消耗很低且有掉电模式在掉电以后可通过中断进行唤醒有看门狗定时器保证运行具有双数据指针通道的设计具有掉电的标识符时刻表明运行各引脚功能VCC:STC89C51电源正端输入，接+5V。GND:电源的接地端。XTAL1:反相放大器的输入端。XTAL2:反相放大器输出端。Reset:stc89C51的重置引脚，需要高电平才能使其生效，需要将芯片进行复位操作时，只要将引脚电平提高到高电平并维持两个以上的周期，就可以完成对单片微控制器的复位。EA/Vpp:“EA”是英语中“externalaccess”的缩写，表示一个储存在外部的代码被访问，需要低电平才能使其生效，当这个引脚运行时，即当此引脚的电平低电平时，将储存在外部的代码送至系统使用（存储在externaleprom中）对程序进行执行操作。因此，在某些芯片中，内部没有代码，因为内部没有空间存储程序，所以ea引脚的电平必须是低电平。但是8751内部可以存储程序，所以如果使用8751内部程序空间，则加在ea引脚的电平高电平。ALE/PROG:ALE是英语中“addresslatchenable”的缩写，表示一个使能信号用以地址锁存。PSEN:此为"programstoreenable"的缩写，它的意思是启用程序存储，当8051工作模式设置为读取外部程序代码（ea=0）时，将程序代码以发送信号的形式获得。PORTO(P0.0~P0.7):端口О双向输出入端口，它是一个8位宽的开路汲极（opendrain）出入端口，因为是8位宽的所以共有8位，P0.0代表第零个端口，P0.1代表第一个端口，依此类推。如果没有电路配置给其他三个I/O端口（P1，P2，P3）。相反，将会有一个升压电路在其内部。当用作I/O串口时，8个lsttl负载可以由P0驱动。如果作用在ea引脚的电平为低电平，则地址总线（A0〜A7）和数据总线（DO〜D7）被P0以复用方式所提供。将从端口О发送的地址锁存到AO-A7的时候设计人员必须添加一个锁存器，合成完整的16位地址总线需要从端口2发送的A8到A15组合，并将地址存储到64千字节的外部存储空间。PORT1(P1.0~P1.7):双向I/0端口同样也包括即带有内部升压电路的端口1。其输出缓冲器可驱动4个LSTTL负载。同样，此端口用于输入数据时，此端口1的输出设置必须为高电平。但是如果使用某些芯片的话，则P1.0用作定时器2的外部脉冲输入引脚，而T2EX功能将被口P1.1运行，可以作为哦触发引脚用作外部中断输入。PORT2(P2.0~P2.7):带有内部升压电路的双向I/0端口是端口2。每个引脚可驱动4个LSTTL负载。如果将高电平作为端口2的输出设置，则该端口可用作输入端口。通用I/0端口除了P2端口可以承担之外，程序存储器或数据存储器作为STC89C51的外部扩展，它还将提供高八位地址总线的高字节A8〜A15。此时，I/O口不能由P2承担。PORT3(P3.0~P3.7):带有内部升压电路的两个方向I/0端口是端口3。4个TTL负载可以由它的输出缓冲器驱动。同时，还有其他附加的特殊功能被它的多个工具作用，包括串行通信，外部中断控制，计时器计数控制以及外部功能，例如对数据存储内容的读取或写入控制。其引脚分配如下:P3.0:RXD，串行通讯输入P3.1:TXD，串行通讯输出P3.2:INTo，外部中断0输入P3.3:INT1，外部中断1输入P3.4:To，计时器О输入P3.5:T1，计时器1输入P3.6:WR:外部数据存储器的写入信号P3.7:RD，当读取外部存储器所释放的信号单片机引脚图如下:图3.1.2STC89C51引脚3.1.2STC89C51单片机系统电路仅由几个必要元件所构成的单片机电路被称为单片机最小系统电路[5]。本次设计采用USB串口提供5V直流电压供电，采用12MHz的晶振来提供时钟信号，另外再分别采用一个大小合适的电阻和电容来构成复位电路。图3.1.3STC89C51最小系统电路3.2电阻、电感和电压的测量电路3.2.1555定时器简介NE555全称时基集成电路，时基由数字模拟电路结合而达到。它具有突出的性能和广泛的应用范围，模拟和数字电路的中型集成电路需要很少的外部电阻电容组件可以轻易组成，而无需任何外部的电子元件就可以形成施密特触发器，十分简单便捷。因此，脉冲波形的生成和转换，测量和控制等大部分需要用到集成的时基集成电路，其运用的广泛性可想而知。[[][]李泽安.RLC振荡的脉冲激光器驱动特性.发光学报.2021(04)1)555定时器内部结构时基集成电路是由数字模拟电路结合而成的集成电路。其内部结构如图3-6（A）所示，其引脚排列如图（B）所示。图3.2.1定时器内部结构它由一个基本的R-S触发器、一个分压器、一个比较器和一个放电晶体管组成。三个串联的电阻组成就可以组成芯片中的分压器。芯片内部所具备的电压分配器可以为外部的比较器分配使用其额定电压，在同相输入端所输入的电压大致为总输入的三分之二；与之相对的负向输入端的输入电压大致就只有总输入电压的三分之一。将一个高电平的信号作为触发信号给予器件的反相输入端，之后再比较与之相对的输入端的电压，在R--S触发器中将比较所得的结果进行输入；然后在A2上将一个低电平信号输入到同相输入端作为触发，用前面所提到的方式进行比较，得到一个比值结果，将其作为一个输入信号发送到R--S触发器之中。对于R-S触发器而言，它的输出状态基本上可以被两个比较器的输出端所控制。2）555的运行原理多谐振荡器由555定时器组成，其结构如图3-7(C)部分所示，其中外部原件是电阻R1、电阻R2和电容C。该图的部分(D)中显示了555定时器的工作波形。假设将初始电压Uc＝0加在电容两端，并且实验开始时直接接通电源，由于电容两端的电压十分平稳，导致它的电压不能突然改变，因此高触发端VTH等于低触发端VTL＝0，并且比电源电压的三分之一还要小，比较器A1和A2分别对高电平信号和低电平信号进行传输，将R--S触发器设定为高电平，由定时器u0负责对高电平进行传输，这时QUOTE，定时器内部的放电三极管停止工作，电源向电容器C充电经由R1，R2，Uc不断升高。当Uc的电压相当于电源电压的三分之一时，A2改变，器件输出低电平，QUOTE、QUOTE为高电平，不会影响R--S触发器的运行。所以从开始到t0这期间，定时器输出u0状态发生变化，其输出是高电平。图3.2.2振荡器工作原理在进行到t1时刻，uc端的电压上升至QUOTE电源电压的三分之二，A1输出由高电平变为低电平，这时低电平显示在QUOTE端，高电平显示在QUOTE端，R--S触发器由高电平变为低电平，0定时器u0端输出。在运行至t1至t2期间，QUOTE，放电三极管T开始运转，电容器C经由电阻R2放电。uc快速下降，当uc小于电源电压的三分之二时，在A1输出检测电平变化，由低电平变为高电平，R--S触发器的QUOTE、QUOTE端为高电平，u0仍然为0，而且Q端不变。在进行到t2时刻，uc的电压变为电源电压的三分之一，A2输出由高电平变为低电平，在R--S触发器中同样也发生着变化：QUOTE为高电平，QUOTE为低电平，触发器处于高电平状态，定时器输出u0为高电平。此时电容器再次接收到电压端的电压，然后反复进行以上操作。上面的分析表明，将电压加在电容器上时，定时器u0运行为高电平，当撤去加在电容器上的电压时，u0运行为低电平。电容器两端被连续加上和撤去电压时，output端获得矩形脉冲方波。然而没有外部信号输入多谐振荡器时，仍然可以输出矩形脉冲方波波。多谐振荡器的本质是将直流电转换为矩形脉冲方波形式的电能量，这个性质大大提高了电路的可行性。3)振荡周期图(D)表明，T为T1和T2的时间总和。T1是电容两端加上电压的时间，T2。是撤去电压以后电容器放电的时间。充电时间：T1=(R1+放电时间：T2=R2C矩形波的振荡周期：QUOTE(式3-2-3)因此，当想要改变矩形波的周期和频率时，有且可以通过改变R1、R2和电容C的值即可。除了用单位运行时间和大小给矩形脉冲方波进行参数定义，矩形脉冲方波还可以用电子信息领域其他的概念权衡，那就是占空比，用字母q来表示，占空比=脉宽/周期，即q=tw/T，输出单位运转时间内高电平所占的时间为tw。q=T1T=T3.2.2测量电阻电路的设计在集成电路中有很多种用途都十分广泛，时基集成电路便是其中一种。只需几个外部R和C组件即可形成多谐波，单稳态和广为人知的施密特触发器。"脉冲计数法"是一种用于测量脉冲电阻参数时所使用的一种方法，多谐振电路由时基集成电路电路组成，并通过计算振荡输出的信号频率来计算被测电阻的参数。多谐振荡器由时基集成电路接成，在使用过程中其振荡周期为：T1=t1+t2得出：fx=1(ln2)(即：RX=(1ln2C1电路分为2档：1、100Rx<1000ΩR2为330Ω,C2为0.22uF：RX=(6.56∗(le+6)/2∗fX)−330/22、1000Rx<1MΩ：R1为20KΩ,C3为102pF：RX=(1.443∗le+8)/(2∗fX电阻测试电路见图3.2.3所示。图3.2.3电阻测量电路3.2.3测量电容电路的设计“脉冲计数法”利用脉冲方波的参数进行计数侦测，所以该方法适用于针对电容参数的测量，多谐振荡电路由时基集成电路组成，被测电容的参数通过计算振荡输出的频率得到。时基集成电路接成多谐振荡器，其振荡周期为：T1=t1+t我们设置R1和R2相等得出：fx=13(ln2)/即：CX=13ln2R电路分为1档：R4=510KΩ,R4=R6；CX=(0.94∗(le+6))/fX(电容测试电路见图3.2.4所示。图3.2.4电容测量电路3.2.4测量电感电路的设计测量电感需要电容三点式振荡电路，根据式（3-2-14）（式3-2-14）可得式（3-2-15）（式3-2-15）图3.2.5电感测试电路3.3多路选择开关电路的设计在选择测量通道时，需要用到CD4052，CD4052这款芯片具有差分数字控制模拟开关能力的芯片，并且这款芯片有四个电路选择方向，并且有两个二进制控制输入A0和A1和INH输入。当输入状态接通通道的输入端为高电平时，将关闭所有通道，当需要使用其中一个通道时，四对通道中的某一通道经由两位二进制的输入信号进行选择。当选择了某一通道后，这一通道的频率需要Y输出频率送入单片机进行计数，其被测参数经过计算后可得到，表3-1说明了多路选择开关控制。表3-3-1多路选择开关控制P1.4P1.3测量类别00Y0-R01Y1-C10Y2-L11*多路选择开关硬件电路如图3.3.1所示。图3.3.1多路选择开关3.4液晶显示本次设计对于显示部分是使用LCD1602来实现的。LCD1602有很多种类，根据其功能不同，通过点阵数量的不同目前常用的有四种模块。背光也可以成为区分LCD1602种类的条件之一，虽然这种差别并不会对实际应用产生影响。LCD1602存在着5V左右的标准工作电压，并且当器件在5V的电压下工作时的内部产生2mA的电流，其封装图如图3.4.1和图3.4.2所示。图3.4.1LCD1602实物正面图3.4.2LCD1602实物背面本次应用存在背光的16引脚LCD1602作为显示模块，表3.1为器件每一个引脚的功能说明。表3-4-1LCD1602引脚说明LCD1602液晶显示模块内部的控制指令一共有11条，如表3.2所示表3-4-2LCD1602内部控制指令3.5小结在本章中，着重分析了与硬件相关的部分，尤其是针对电子元件测量的方法的硬件设计，首先先对使用的单片机和时基集成电路芯片进行运行原理的介绍，然后在设计中根据方法研究电路以及电路的运行原理设计电路，最后检验其可行性。第四章软件设计4.1软件开发环境在电子信息与电子电路产品的设计中，一款简单易上手的软件是必不可少的，这是在电子电路设计中不可缺少的部分。一款好用的编程软件可以使我们的设计更加完善，同时也可以使我们的设计完成所需要的功能，使其完全具备使用要求。所以，配置一个合适且效率很高的软件开发环境是重中之重。如今，在生产、生活和学习中，适用于STC系列单片机常用的软件开发环境有IAR和Keil等一些平台供我们使用。此次设计中，采用在学校老师教授过的，并且方便实用的Windows环境下的KeiluVision4平台。KeilC51是美国的Keil软件公司根据需要所开发出来的，它的出现是为了51系列、52系列以及具有相似内核和功能的单片微型的的计算机提供C语言和汇编语言等多种语言开发的系统平台。汇编语言和C语言各有其优缺点，C语言在功能上更加全面，语言结构性较强，框架简单，人机都可以读取，并且在以后的维护中具有很大的优势。C语言最大的优势是其易学耐用，人们可以很快的接受并使用它，所以在单片机编程方面被人们广泛使用[4]。Keil在开发工程的过程中可直接调用其丰富的库函数。除此之外，Keil提供了很多工具，这些工具具有高集成化，用于调试软件程序，对于开发人员来说十分方便好用。在使用时，其全窗口化的Windows使用界面帮助开发人员更好的使用。软件主界面如图4.1所示。图4.1Keil4平台主界面窗口图4.2I/O口的分配P1.0电阻元件的测量程序选择P1.1电容元件的测量程序选择P1.2电感元件的测量程序选择P1.3-P1.4多路选择开关的控制选择P1.0、P1.1和P1.2按键的输入和测量指示灯的控制在本设计的这一模块中，核心为单片机，通过单片机控制芯片选择通道，控制被测电子元器件，根据要测试的电子元件的类型，控制按钮进行测量，最后将测量的参数显示在数码管上。该按键的主要流程图如图4.2所示。图4.2按键程序流程图4.3系统程序设计4.3.1系统主流程在该电子元件测量仪的设计中，为了提高设计的直观性，在LCD屏幕上显示想要被测量的电阻元件种类和参数的选择，根据硬件测设，三种电子元件显示通道的时候会有不同颜色的LED灯显示。使用三个按钮Sr，Sc，Sl进行控制，具体操作过程如4.3所示。图4.3RLC测试仪的软件流程图首先，先接入被测电子元器件，接上电源后，使得单片机和电路中其他芯片可以正常运转，由于本设计借鉴网络上一些专门针对单片机供电的设计，所以可以直接将设计接上电源线即可。打开开关之后，按下复位键进行测量前的检测，然后根据被测电子元器件类型选择测试通道，也就是被测参数类别，之后单片机根据按键类别启动相应的参数对电子元器件进行测量，根据NE555的震荡频率与被测参数间的函数关系，用单片机把获取的振荡频率代入函数关系进行计算，最终在LCD屏上显示计算结果。4.3.2频率参数计算的原理此设计中采用NE555通过振荡频率进行模数转换，测量由对外触发器产生的脉冲频率以后，完成对振荡频率的采集后，通过矫正测量数据来完成对频率的计算。单片机对振荡频率的测量原理如图4.4所示。图4.4测频率原理图示如图中所示，在t1，当检测到电平变为高电平时，计时器1打开并开始计数。在t2，它等待直到检测到低电平为止。在t3，当第二次检测到高电平时，计时器停止。利用单片机运行规则，当GATE,TR1都为高电平时,只有当=1时，t1时刻开始运行，对系统进行计数操作，利用这个单片机的规则，将经过引脚上的外部输入的脉冲输入以后，等待到达高电平，当检测到它两边的电平为高电平时，开定时器开始运行，对系统进行计数操作，然后开始准备侦测低电平，当系统首次检测到低电平的时，可以测量到脉冲波的带宽参数，但是在这里我们需要测得参数是振荡频率，因此需要在运行程序中继续检测振荡频率，然后需要等待下一个高电平的timing，此时，关闭定时器并停止计数，在已知晶振频率的前提条件下，将计芯片运行的单位运行时间数乘以获取的数值，即可得出触发电路的单位振荡时间，将数据进行一系列的整合之后，就可以得到输入信号的频率，也就是模拟值的频率，从而达到模数转换得效果。程序流程图如图4.5所示。图4.5频率计算程序流程图4.3.3LCD1602驱动程序依据生产厂商提供的LCD1602的硬件使用手册，调用生产厂商所提供的显示程序头文件，并根据本次设计需求进行一部分修改后可以满足设计要求，并且可以正常使用显示即可。LCD1602液晶显示驱动具体流程图如图4.6所示。图4.6LCD1602液晶显示的流程图4.4小结本章节中主要探讨了在硬件设计之后的软件设计，主要针对单片机，测量电路，选择芯片和显示端的软件设计，这章节的结束代表了对本次设计的硬性设计已经完成，然后进入软硬件结合之后的调试部分。第五章验证测试与非技术因素分析5.1成果测试与验证5.1.1验证方法结合第三章选定的方案和第四章中选定的方案，将软硬件搭配结合，首先根据第三章内容确定硬件方案，通过使用洞洞板焊接后组装出最初型号基于单片机的电子元件测量仪，最初电子元件测量仪如图5.1所示。通过使