單片機電阻、電容、電感測試儀.doc

簡易電阻、電容和簡易電阻、電容和 電感測試儀設計電感測試儀設計 作者：祝榮山作者：祝榮山(1020610315)(1020610315) 歐陽金信（歐陽金信（1020610261） 殷浩（殷浩（1020610363） 論文類型：應用型論文類型：應用型 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 近幾年來，電子行業(yè)的發(fā)展速度相當快，電子行業(yè)的公司企業(yè)數(shù)目也不斷 增多。這個現(xiàn)象帶來的直接結(jié)果是電子行業(yè)方面的人才需求不斷增多。所以， 現(xiàn)在大多數(shù)高校都開設與電子類相關(guān)的專業(yè)及課程，為社會培養(yǎng)大量的電子行 業(yè)的人才。做過電路設計的工作人員或者學生大多數(shù)使用萬用表來測量一些元 件參數(shù)或者電路中的電壓電流。然而萬用表有一定的局限性，它只能測量有限 種類的元器件的參數(shù)，對于電容和電感等一些電抗元件就無能為力了。所以制 作一種簡便的電容電感測量儀顯得尤為重要，方便電路設計人員或者高校電子 類專業(yè)的學生測量電路中需要用到的電容及電感的具體值。 本次設計的思想是基于以上原因提出來的。該系統(tǒng)以 STC89C52 單片機為 控制核心，搭配必要的外圍電路對電阻、電容和電感參數(shù)進行測量。系統(tǒng)的基 本原理是將電阻阻值、電容容值、電感感值的變化均轉(zhuǎn)換成方波脈沖頻率的變 化，利用計數(shù)器測頻后通過單片機做運算，最后計算出待測元件的各個參數(shù)并 顯示在 1602 液晶屏幕上。系統(tǒng)使用按鍵選擇被測元件類型，使用 1602 液晶屏 作為顯示部分。測量時，只需將待測元件引腳放在測試儀的輸入端，用按鍵操 作需要測量的參數(shù)，便可以很快測出被測元器件的參數(shù)，簡便易用。實驗測試 結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高。 關(guān)鍵詞：STC89C52 單片機 電阻測量電容測量電感測量 目錄目錄 摘 要.2 目錄.3 1 設計的背景及意義.5 1.1 設計背景.5 1.2 電阻、電容、電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 .5 2 電路方案的比較與論證.7 2.1 電阻測量方案.7 2.2 電容測量方案.8 2.3 電感測量方案.10 3 核心元器件介紹.12 3.1 NE555 的介紹.12 3.4 NE5532 的介紹.14 3.5 STC89C52 的介紹.15 3.4 1602 液晶的介紹.17 4 單元電路設計.19 4.1 直流穩(wěn)壓電源電路的設計 .19 4.2 電源顯示電路的設計 .20 4.3 電阻測量電路的設計 .21 4.4 電容測量電路的設計 .21 4.5 電感測量電路的設計 .22 4.6 電阻、電容、電感顯示電路的設計 .23 5.程序設計.24 5.1 主程序流程圖 .24 4 5.2 中斷程序流程圖.25 6 仿真結(jié)果.26 6.1 電阻測量電路仿真 .26 6.2 電容測量電路仿真 .26 6.3 電感測量電路仿真 .27 7 調(diào)試過程.29 7.1 電阻、電容和電感測量電路調(diào)試 .29 7.2 液晶顯示電路調(diào)試 .29 8 心得體會.30 9 參考文獻.31 10 附件.32 附件 1：電路圖.32 附件 2：元件清單.33 附件 3：程序代碼.34 1 設計的背景及意義設計的背景及意義 1.1 設計背景 目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范 圍也逐漸廣泛起來，在應用中我們常常要測定電阻，電容，電感的大小。因此， 設計可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感測試儀具有極大的現(xiàn)實必要性。 通常情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率 后進行測量。 電阻測量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和積分運算 器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。 傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但 精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，在測量速 度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法和比較法。 電感測量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖然能較準確的測量電感但交 流電橋的平衡過程復雜，而且通過測量 Q 值確定電感的方法誤差較大，所以電 感的數(shù)字化測量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法。 由于測量電阻，電容，電感方法多并具有一定的復雜性，所以本次設計是 在參考 555 振蕩器基礎上擬定的一套自己的設計方案。是嘗試用 555 振蕩器將 被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，這里我們將 RLC 的測量電路產(chǎn)生的頻率送入 AT89C52 的計數(shù)端端，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率再通過該頻率計算出各個 參數(shù) 1.2 電阻、電容、電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 當今電子測試領(lǐng)域，電阻，電容和電感的測量已經(jīng)在測量技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā) 中應用的十分廣泛。 電阻、電容和電感測試發(fā)展已經(jīng)很久，方法眾多，常用測 量方法如下。電阻測量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和 6 積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測 量。傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但 精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，在測量速 度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法和比較法。電感測 量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖然能較準確的測量電感但交流電橋的平 衡過程復雜，且通過測量 Q 值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測 量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法。 將一個運算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個電壓跟隨 器； 將基準精密電阻(R)的一端與被隔離的在線元件(Zx)的一端通過導線連 接，基準精密電阻(R)的另一端與信號源(Vi)或者地連接，被隔離的在線元 件(Zx)的另一端通過導線與地或者信號源(Vi)連接，基準精密電阻(R)與 被隔離的在線元件(Zx)連接的一端同時與運算放大器的同相輸入端連接； 中國本土測量儀器設備發(fā)展的主要瓶頸。盡管本土測試測量產(chǎn)業(yè)得到了快 速發(fā)展，但客觀地說中國開發(fā)測試測量儀器還普遍比較落后。每當提起中國測 試儀器落后的原因，就會有許多不同的說法，諸如精度不高，外觀不好，可靠 性差等。實際上，這些都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國測量儀器發(fā)展的瓶頸為： 1.測試在整個產(chǎn)品流程中的地位偏低。由于人們的傳統(tǒng)觀念的影響，在產(chǎn) 品的制造流程中，研發(fā)始終處于核心位置，而測試則處于從屬和輔助位置。關(guān) 于這一點，在幾乎所有的研究機構(gòu)部門配置上即可窺其一斑。這種錯誤觀念上 的原因，造成整個社會對測試的重視度不夠，從而造成測試儀器方面人才的嚴 重匱乏，造成相關(guān)的基礎科學研究比較薄弱，這是中國測量儀器發(fā)展的一個主 要瓶頸。實際上，即便是研發(fā)隊伍本身，對測試的重視度以及對儀器本身的研 究也明顯不夠。 2.面向應用和現(xiàn)代市場營銷模式還沒有真正建立起來。本土儀器設備廠商 只是重研發(fā)，重視生產(chǎn)，重視狹義的市場，還沒有建立起一套完整的現(xiàn)代營銷 體系和面向應用的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的營銷模式在計劃經(jīng)濟年代里發(fā)揮過很大作 用，但無法滿足目前整體解方案流行年代的需求。所以，為了快速縮小與國外 7 先進公司之間的差距，國內(nèi)儀器研發(fā)企業(yè)應加速實現(xiàn)從面向仿制的研發(fā)向面向 應用的研發(fā)的過渡。特別是隨著國內(nèi)應用需求的快速增長，為這一過渡提供了 根本動力，應該利用這些動力，跟蹤應用技術(shù)的快速發(fā)展。 2 電路方案的比較與論證電路方案的比較與論證 2.1 電阻測量方案 方案一：串聯(lián)分壓原理 V Rx R0 串聯(lián)電路原理圖 根據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理可知，串聯(lián)電路上電壓與電阻成正比關(guān)系。測量 待測電阻 Rx和已知電阻 R0上的電壓，記為 Ux和 U0. 0 0 R U U R x x 方案二：利用直流電橋平衡原理的方案 根據(jù)電路平衡原理，不斷調(diào)節(jié)電位器 R3，使得電表指針指向正中間，再測量電 位器電阻值。 1 32 R RR Rx 方案三：利用 555 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)的方案 9 555 定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路圖 根據(jù) 555 定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機讀取高低電平得 出頻率，通過公式換算得到電阻阻值。 由 CRR f x *)2(*2ln 1 1 得 ) *2ln 1 (* 2 1 1 R Cf Rx 上述三種方案從對測量精度要求而言，方案一的測量精度極差，方案二需 要測量的電阻值多，而且測量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作與數(shù)字化，相比較而言，方 案三還是比較符合要求的，由于是通過單片機讀取轉(zhuǎn)化，精確度會明顯的提高。 故本設計選擇了方案三。 2.2 電容測量方案 方案一：利用串聯(lián)分壓原理的方案 通過電容換算的容抗跟已知電阻分壓，通過測量電壓值，再經(jīng)過公式換算 10 得到電容的值。原理同電阻測量的方案一。 方案二：利用交流電橋平衡原理的方案 )( 2 )( 21 221x j x j eZZeZZ 通過調(diào)節(jié) Z1、Z2 使電橋平衡。這時電表的讀數(shù)為零。通過讀取 Z1、Z2、Zn 的值，即可得到被測電容的值。 方案三：利用 555 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)原理的方案 555 定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路圖 根據(jù) 555 定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機讀取高低電平得 出頻率，通過公式換算得到電容值。 由 x CRR f *)2(*2ln 1 21 若 R1=R2,得 1 *2ln3 1 Rf Cx 上述三種方案從對測量精度要求而言，方案一的測量精度極差，方案二需 要測量的電容值多，而且測量調(diào)節(jié)麻煩、電容不易測得準確值，不易操作與數(shù) 11 字化，相比較而言，方案三還是比較符合要求的，由于是通過單片機讀取轉(zhuǎn)化， 精確度會明顯的提高。故本設計選擇了方案三。 2.3 電感測量方案 方案一：利用交流電橋平衡原理的方案（原理圖同圖 2-2） 方案二：利用電容三點式正弦波震蕩原理的方案 電容三點式正弦波震蕩電路圖 由 x L CC CC f * * 2 1 21 21 得 12 21 21 2 * )2( 1 CC CC f Lx 上述兩種方案從對測量精度要求而言，方案二需要測量的電感值多，而且 測量調(diào)節(jié)麻煩、電感不易測得準確值，不易操作與數(shù)字化，相比較而言，方案 二還是比較符合要求的，由于是通過單片機讀取轉(zhuǎn)化，精確度會明顯的提高。 故本設計選擇了方案二。 3 核心元器件介紹核心元器件介紹 3.1 NE555 的介紹 555 集成電路開始是作定時器應用的，所以叫做 555 定時器或 555 時基電路。 但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時延時控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào) 速等多種控制及計量檢測。此外，還可以組成脈沖震蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào) 制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。它由于工作可 靠、使用方便、價格低廉，目前被用于各種電子產(chǎn)品中，555 集成電路內(nèi)部有 幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本 R-S 觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等， 電路比較復雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。 555 集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 引腳圖： 14 管腳介紹： 555 集成電路是 8 腳封裝，雙列直插型，如圖（A）所示，按輸入輸出的排 列可看成如圖（B）所示。其中 6 腳稱閾值端（TH） ，是上比較器的輸入；2 腳 稱觸發(fā)端，是下比較器的輸入；3 腳是輸出端（VO） ，它有 0 和 1 兩種狀態(tài)，由 輸入端所加電平?jīng)Q定；7 腳是放電端（DIS） ，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空 和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4 腳是復位端（MR） ，加上低電 平時可使輸出為低電平；5 腳是控制電壓端（VC） ，可用它改變上下觸發(fā)電平值； 8 腳是電源端，1 腳是接地端。 典型應用555 震蕩器電路： 由 555 構(gòu)成的多諧振蕩器如圖（a）所示，輸出波形如圖（b）所示。 15 接通電源后，電源 VDD 通過 R1 和 R2 對電容 C 充電，當 Uc=2/3VDD 后，振蕩器輸出 Vo 翻轉(zhuǎn)成 0，此時放電管導通，使放電管(DIS)接地，電容 C 通過 R2 對地放電， 使 Uc 下降。當 Uc 下降到=1/3VDD 后，振蕩器輸出 Vo 又翻轉(zhuǎn)成 1，此時放電 管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源 VDD 通過 R1 和 R2 又對電容 C 充電， ，又使 Uc 從 1/3VDD 上升到 2/3VDD，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復始，從 而在輸出端 Vo 得到連續(xù)變化的震蕩脈沖波形。脈沖寬度 TL 約為 0.7R2C，由 電容 C 放電時間決定：TH=0.7(R1+R2)C，由電容 C 充電時間決定，脈沖周期 T 約為 TH+TL。 3.4 NE5532 的介紹 NE5532 是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器。 相比較大多數(shù)標準運算放 大器，如 1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動能力和相當高的小信 號和電源帶寬。這使該器件特別適合應用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設備，儀器和控 制電路和電話通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建議使用 5532A 版， 因為它能保證噪聲電壓指標。 NE5532 特點： 小信號帶寬：10MHZ 輸出驅(qū)動能力：600，10V（有效值） 輸入噪聲電壓：5nV/Hz(典型值) 直流 電壓增益：50000 交流電壓增益：2200-10KHZ 功率帶寬： 140KHZ 轉(zhuǎn)換速率： 9V/s 大的電源電壓范圍：3V-20V 單位增益補償 16 NE5532 引腳圖： NE5532 內(nèi)部原理圖: 3.5 STC89C52 的介紹 STC 單片機的優(yōu)點： 加密性強,很難解密或破解 超強抗干擾： 1 、高抗靜電(ESD 保護) 2 、輕松過 2KV/4KV 快速脈沖干擾(EFT 測試) 3 、寬電壓，不怕電源抖動 4 、寬溫度范圍，-4085 5 、I/O 口經(jīng)過特殊處理 17 6 、單片機內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理 7 、單片機內(nèi)部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理 8 、單片機內(nèi)部的復位電路經(jīng)過特殊處理 9 、單片機內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理 超低功耗： 1 、掉電模式：典型功耗0;i-) for(j=110;j0;j-); /11.0592MHZ /液晶寫命令函數(shù) void write_com(uchar com) 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