數(shù)字式RLC測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)報(bào)告

2012廣西區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字式RLC測(cè)量?jī)x（B題）摘要本系統(tǒng)是基于STC89C52單片機(jī)控制的數(shù)字式RLC測(cè)量?jī)x，利用單片機(jī)對(duì)R、L、C的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，充分利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，硬件軟件相結(jié)合，測(cè)量方便，精度較高。系統(tǒng)是使用振蕩電路將電阻、電容、電感的參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，將振蕩頻率由CD4052模擬開關(guān)送入STC89C52進(jìn)行計(jì)算處理，然后對(duì)其值進(jìn)行補(bǔ)償，智能切換量程，測(cè)量結(jié)果用LCD1602液晶顯示。其中電阻和電容的參數(shù)轉(zhuǎn)化頻率是采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生，而電感的參數(shù)轉(zhuǎn)化頻率則是根據(jù)LC三點(diǎn)式振蕩產(chǎn)生，本設(shè)計(jì)思路清晰，結(jié)構(gòu)合理，誤差控制在題目所要求的范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：STC89C52，RLC,模擬開關(guān), 555多諧振蕩, LC三點(diǎn)式振蕩, LCD1602一、系統(tǒng)總體方案1.系統(tǒng)方案比較及論證1.1 方案選擇1.1.1 電阻測(cè)量方案方案一：串聯(lián)分壓原理 圖1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。通過測(cè)量Rx和R0上的電壓。由公式 Rx=Ux/(U0/R0)。方案二：利用直流電橋平衡原理的方案 圖2 電橋（其中R1，R2，為可變電位器，R3為已知電阻，R4為被測(cè)電阻）根據(jù)電路平衡原理，不斷調(diào)節(jié)電位器，使得電表指針指向正中間。由R1*R4=R3*R4.在通過測(cè)量電位器電阻值，可得到R4的值。方案三：利用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)的方案 圖3 555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)根據(jù)555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機(jī)讀取高低電平得出頻率，通過公式換算得到電阻阻值。由f=1/ (R1+2R2)*C*In2，得到公式： R2=1/2*1/ (f*c*Ln2)-R1上述三種方案從對(duì)測(cè)量精度要求而言，方案一的測(cè)量精度極差，方案二需要有較高精度的電阻組成橋，而且測(cè)量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作與數(shù)字化，相比較而言，方案三利用555構(gòu)成的震蕩起，用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)555輸出的振蕩頻率，經(jīng)軟件計(jì)算得出電阻值，而且與電容的測(cè)量電路相仿，制作電路板起來方便，精確度會(huì)明顯的提高。故本設(shè)計(jì)選擇了方案三。1.1.2 電容測(cè)量方案方案一：直接通過串聯(lián)電路原理。通過電容換算的容抗跟已知電阻分壓，通過測(cè)量電壓值，再經(jīng)過公式換算得到電容的值。原理同電阻測(cè)量的方案一。方案二：采用平衡電橋法。將待測(cè)電感和已知標(biāo)準(zhǔn)電阻電容組成電橋，通過單片機(jī)控制調(diào)節(jié)電阻參數(shù)使電橋平衡，此時(shí)，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率即可求得，該方案測(cè)量精準(zhǔn)，同時(shí)可以測(cè)量電容和電阻的大小，但其電路電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較為困難。方案三：555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)原理圖4 555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)根據(jù)555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機(jī)讀取高低電平得出頻率，通過公式換算得到電容值。由f=1/(R1+2R2)*C*In2得到公式： Cx=1/ c*Ln2 (R1+2*R2)綜合比較后，本設(shè)計(jì)采用了方案三。1.1.3電感測(cè)量方案方案一：采用平衡電橋法測(cè)量電感。將待測(cè)電感和已知標(biāo)準(zhǔn)電阻電容組成電橋，通過單片機(jī)控制調(diào)節(jié)電阻參數(shù)使電橋平衡，此時(shí)，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率即可求得，該方案測(cè)量精準(zhǔn)，同時(shí)可以測(cè)量電容和電阻的大小，但其電路電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較為困難。方案二：電容三點(diǎn)式構(gòu)成正弦波原理 圖5 電容三點(diǎn)式 根據(jù)電容三點(diǎn)式公式 ： 從而可得電感的計(jì)算公式： 采用LC配合三極管組成三點(diǎn)式振蕩電路，通過測(cè)輸出頻率大小的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電感值測(cè)量。該方案成本低，其輸出波形為正弦波，將其波形整形后交給單片機(jī)測(cè)出其頻率，并轉(zhuǎn)換為電感值。相比之下，方案二的測(cè)量精度比方案一要高得多，并且也容易實(shí)現(xiàn)，所以選擇方案二。1.1.4 多路模擬開關(guān)選擇 方案一：四選一模擬開關(guān)CD4052。方案二：十六選一模擬開關(guān)DG406。方案三：32x32路矩陣模擬開關(guān)SL59532。基于本設(shè)計(jì)題目要求和選擇的需要，考慮成本及控制簡(jiǎn)易程度等，四選一模擬開關(guān)CD4052為最佳選擇，故本系統(tǒng)選擇方案一。1.1.5顯示方案方案一：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD1602）顯示。方案二：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD12864）顯示。基于本設(shè)計(jì)題目要求，需要液晶顯示和測(cè)量的量程范圍，相比之下，LCD1602液晶顯示低功耗節(jié)能，占用空間小，并且格價(jià)相對(duì)便宜，完全能滿足題目所要求的測(cè)量顯示，故本設(shè)計(jì)采用的是LCD1602液晶顯示。圖6 1602顯示電路1.1.6主控芯片選擇方案一：采用CPLD或FPGA用的VHDL硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn)電阻，電容，電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，利用MAXPLUSII集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真，并下載到CPLD或FPGA可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用，但相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方案二：采用STC系列單片機(jī)目前廣泛應(yīng)用的STC89C52單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，完全能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。從完成系統(tǒng)任務(wù)需要及可靠性等方面綜合考慮，比較兩款芯片的成本、功耗等，本系統(tǒng)采用STC系列的STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，即選擇方案二。1.2 方案論證1.2.1 總體思路本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)STC89C52智能處理，根據(jù)單片機(jī)的外接按鍵控制測(cè)量電路的選擇，通過LM555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器和電容反饋式三點(diǎn)式構(gòu)成的振蕩電路長(zhǎng)生的一定頻率的波。再通過單片機(jī)的I/O口對(duì)高低電平的捕獲讀出頻率，再通過程序算法處理換算成電阻電容電感的值，然后再通過單片機(jī)送給1602液晶顯示。由于測(cè)量電阻、電容和電感，都是首先轉(zhuǎn)化為頻率后再進(jìn)行計(jì)算測(cè)量的，其精度會(huì)直接影響到本儀表的精度，因此頻率或周期的產(chǎn)生和計(jì)算處理是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的關(guān)鍵。1.2.2 設(shè)計(jì)方案自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換-addr被測(cè)電阻被測(cè)電容被測(cè)電感RC振蕩器（555）RC振蕩器（555）電容三點(diǎn)式振蕩器多路選擇開關(guān)4052單片機(jī)按鍵選擇測(cè)量電路通道選擇1602顯示主控部分二極管指示分頻電路系統(tǒng)方框圖如圖7所示。圖7 系統(tǒng)方框總圖2.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及理論分析功能：測(cè)量并顯示被測(cè)電阻電容電感的值。器件：LM555定時(shí)器，三極管9018，LM7812，LM7805，LM324,CD4052,74HC14,74LS74，繼電器，1602液晶顯示，stc89c52單片機(jī)等。 2.1電阻測(cè)量電路電阻的測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測(cè)電阻的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1得出： 即： 電路分為2檔:1.100Rx1000歐姆：AR1設(shè)置為高電平輸出，AR2設(shè)為低電平輸出，R15=200，C18=0.22uF，所以： Rx=(6.56*(1e+6)/(2* fx)-330/2對(duì)應(yīng)的頻率范圍為： 2.8Kfx 16K 。2.1000Rx1M歐姆：BR1設(shè)置為高電平輸出，BR2設(shè)為低電平輸出，R14=20；C17=1000PF，所以：Rx =(1.443*(1e+8)/(2* fx)-(1e+4)對(duì)應(yīng)的頻率范圍為： 16Kfx 714khz 。電阻測(cè)量電路見圖8所示。圖8 電阻測(cè)量電路在測(cè)量電阻電路中是采用單片機(jī)控制繼電器自動(dòng)換擋實(shí)現(xiàn)量程的切換。2.2電容測(cè)量電路 電容的測(cè)量同樣采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測(cè)電容的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+R2）*Cx+（ln2）R2*Cx我們?cè)O(shè)置R1=R2;得出： 即： 電路分為2檔:1、R11510K歐姆，BC1設(shè)置為高電平輸出，R11=R13， Cx= (0.94*(1e+6)/ fx;對(duì)應(yīng)的頻率范圍為： 9.4Kfx 0.94K2、R1010K歐姆： AC1設(shè)置為高電平輸出；R10=R12； Cx =(4.81*(1e+6)/ fx;對(duì)應(yīng)的頻率范圍為： 480Hzfx 4.8K電容測(cè)量電路見圖9所示。圖9 電容測(cè)量電路在測(cè)量電容電路中是采用單片機(jī)控制繼電器自動(dòng)換擋實(shí)現(xiàn)量程的切換。2.3電感測(cè)量電路電感的測(cè)量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來實(shí)現(xiàn)的。電容三點(diǎn)式振蕩電路又稱考畢茲振蕩電路，三點(diǎn)式振蕩電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個(gè)電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射級(jí)相連的兩個(gè)電抗元件同為電容式的三點(diǎn)式振蕩電路，也就是射同基反的構(gòu)成原則成為電容三點(diǎn)式振蕩電路。其振蕩頻率為：fX=12LC即： LX=14*fX*fX*CLX=(38*(le+6)/fX2電感測(cè)量電路見圖10所示。圖10 電感測(cè)量電路2.4多路選擇開關(guān)電路的設(shè)計(jì)利用CD4052實(shí)現(xiàn)測(cè)量類別的轉(zhuǎn)換，CD4052是差分四通道數(shù)字控制模擬開關(guān)器件，有A0和A1兩個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止電流。當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí)所有通道截止，二位二進(jìn)制輸入信號(hào)選通四對(duì)通到中的一通道。當(dāng)選擇了某一通道的頻率后，Y輸出頻率通過T1送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過計(jì)算得到要被測(cè)值，多路選擇開關(guān)控制如表1-1 所示。表1-1 多路選擇開關(guān)控制P2.4P2.5測(cè)量類別00Y0-R01Y1-C10Y2-L11*（表1-1中*表示未定義此功能。）多路選擇開關(guān)硬件電路如圖11所示。圖11 多路選擇開關(guān)2.5液晶顯示電路圖12 液晶顯示電路2.6主控系統(tǒng)電路圖13主控系統(tǒng)電路3.軟件設(shè)計(jì)3.1頻率參數(shù)計(jì)算的原理本設(shè)計(jì)頻率的計(jì)算采用單片機(jī)外部中斷 ，對(duì)外觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖頻率的測(cè)量，再通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的校正來完成。單片機(jī)對(duì)頻率測(cè)量的原理如下圖13所示。圖14 測(cè)頻率原理圖示說明：圖13中t1時(shí)刻檢測(cè)到高電平開定時(shí)器1，開始計(jì)數(shù)；t2時(shí)刻等待檢測(cè)低電平；t3時(shí)刻第二次檢測(cè)到高電平時(shí)關(guān)定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。利用GATE=1,TR1=1,只有 引腳輸入高電平時(shí)，T1才允許計(jì)數(shù)，利用此，將外部輸入脈沖經(jīng) 引腳上輸入，等待高電平的到來，當(dāng)檢測(cè)到高電平時(shí)開定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，然后檢測(cè)低電平，當(dāng)檢測(cè)到低電平時(shí)已經(jīng)測(cè)得脈沖的脈寬，但測(cè)得是頻率，故在程序中要繼續(xù)檢測(cè)等待下一個(gè)高電平的到來，此時(shí)關(guān)定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，用此計(jì)數(shù)值乘以機(jī)器的周期數(shù)(晶振頻率已知)，得出觸發(fā)電路產(chǎn)生的周期，然后再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便得到輸入信號(hào)的頻率。3.2程序流程圖15 程序流程3.3部分程序清單#include #include 1602.h#define DataPort P0#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit button_r=P20;sbit button_c=P21;sbit button_l=P23;sbit CD4052S0=P24;sbit CD4052S1=P25;sbit LED_R=P14;sbit LED_C=P15;sbit LED_L=P16;sbit RS=P10; sbit RW=P11;sbit EN=P12;bit flag;uchar T0count; uchar timecount; unsigned long int R,C,L,f,y;uchar func;uchar i=0;uchar aa,bb,cc,dd;uchar code meun216= is: , ;uchar code m10=;void Intar_T0T1(void) flag=0; timecount=0; T0count=0; TH0=0; TL0=0; TR0=1; TR1=1;voiddelay1(void)int i;for(i=80;i0;i-);void delay_ms(uchar t)unsigned char i=0;while(t-)for(i=0;i120;i+);void WriteData(uchar dat)EN=0; RS=0; /*RS寄存器選擇輸入端，當(dāng)RS=0；當(dāng)進(jìn)行寫模塊操作，指向指令寄存器。 RW=0; /*當(dāng)RS=1，無論是讀操作還是寫操作，都是指向數(shù)據(jù)寄存器。 RS=1; RW=0; EN=1; DataPort=dat; EN=0; RS=0; RW=0; for (i=0;i20;i+);void WriteCmd(uchar cmd)EN=0; RS=0; /*RS寄存器選擇輸入端，當(dāng)RS=0；當(dāng)進(jìn)行寫模塊操作，指向指令寄存器。 RW=0; /*當(dāng)RS=1，無論是讀操作還是寫操作，都是指向數(shù)據(jù)寄存器。 EN=1; DataPort=cmd; RS=0; RW=0; EN=0; for (i=0;i20;i+);void DisChar(uchar ps,uchar dat)WriteCmd(0x80+ps);WriteData(dat);void LcdInit(void)char pp=0;WriteCmd(0x38); delay_ms(5);WriteCmd(0x38); delay_ms(5);WriteCmd(0x38); delay_ms(5);WriteCmd(0x01);delay_ms(5);WriteCmd(0x06);delay_ms(5);WriteCmd(0x38);WriteCmd(0x0c); WriteCmd(0x40);for(pp=0;pp16;pp+)DisChar(pp,*(meun0+pp);for(pp=0;pp16;pp+)DisChar(pp+0x40,*(meun1+pp); void Display(unsigned long int x) DisChar(0,aa); DisChar(9+0x40,bb); DisChar(10+0x40,cc);DisChar(11+0x40,dd); DisChar(7+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(6+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(5+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(4+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(3+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(2+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(1+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(0+0x40,mx%10);x /= 10;delay_ms(200);button()if(button_r=0)func=1;/功能1：測(cè)電阻 LED_R=0; LED_C=1; LED_L=1;if(button_c=0)func=2;/功能2：測(cè)電容 LED_R=1; LED_C=0; LED_L=1; if(button_l=0) func=3;/功能3：測(cè)電感 LED_R=1; LED_C=1; LED_L=0; return func;void main(void) TMOD=0x15;/0001 0101 TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-49989)/256; TL1=(65536-49989)%256; ET0=1; ET1=1; EA=1; TR1=1; TR0=1; y=0x00; LcdInit();while(1) button(); if (func=1) aa=R; bb=o; cc=h; dd=m; R_measure(); if (func=2) aa=C; bb=p; cc=F; dd=n; C_measure(); if (func=3) aa=L; bb=u; cc=H; dd=n; L_measure(); Display(y); Intar_T0T1(); void t0(void) interrupt 1 using 0/計(jì)脈沖個(gè)數(shù) T0count+; void t1(void) interrupt 3 using 0 /定時(shí)1s TH1=(65536-50045)/256; TL1=(65536-50045)%256; timecount+; if(timecount=20) TR0=0; TR1=0; timecount=0; flag=1; 二、系統(tǒng)測(cè)試1.軟件測(cè)試測(cè)試軟件：proteus仿真軟件，keil單片機(jī)編程軟件。步驟：首先按照電路圖連接好電路1.1電阻測(cè)量調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，測(cè)量不同阻值的電阻產(chǎn)生的多諧振蕩脈沖波的頻率。將結(jié)果記錄下表1-1中。表1-1電阻標(biāo)值1602測(cè)試顯示相對(duì)誤差(%)10010001K10010.110K100080.0851K510120.0235100K0.91M0.00011.2電容測(cè)量替換不同電容，測(cè)量不同電容產(chǎn)生的多諧振蕩脈沖波的頻率。將結(jié)果記錄表1-2中。表1-2電容標(biāo)準(zhǔn)1602測(cè)試顯示相對(duì)誤差(%)101100pF01021000pF010310010pF0.1104pF0.1105pF0.110uFpF01.3電感測(cè)量替換不同電感，測(cè)量不同電感產(chǎn)生的振蕩波的頻率。將結(jié)果記錄表1-3中。表1-3電感標(biāo)值1602測(cè)試顯示相對(duì)誤差(%)33uH33uH050uH50uH0100uH100uH0220uH220uH0470uH475uH1.064680uH685uH0.7351mH1010uH110mH10100uH12.硬件測(cè)試測(cè)試儀器：萬用表，示波器測(cè)試所用電阻、電容、電感是在市場(chǎng)買的標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容、電感。2.1電阻測(cè)量調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，測(cè)量不同阻值的電阻產(chǎn)生的多諧振蕩脈沖波的頻率。將結(jié)果記錄下表2-1中。表2-1電阻標(biāo)值1602測(cè)試顯示相對(duì)誤差(%)10010221K10080.810K100580.5851K510120.0235100K0.9641M0.02482.2電容測(cè)量替換不同電容，測(cè)量不同電容產(chǎn)生的多諧振蕩脈沖波的頻率。將結(jié)果記錄表2-2中。表2-2電容標(biāo)準(zhǔn)1602測(cè)試顯示相對(duì)誤差(%)10199pF11021003pF0.310310089pF0.89104 pF0.125105 pF0.37910uF pF02.3電感測(cè)量替換不同電感，測(cè)量不同電感產(chǎn)生的振蕩波的頻率。將結(jié)果記錄表2-3中。表2-3電感標(biāo)值1602測(cè)試顯示相對(duì)誤差(%)33uH33uH050uH50uH0100uH102uH2220uH220uH0470uH480uH2.127680uH690uH1.471mH1028uH2.810mH10979uH9.79三、誤差分析3.1電阻測(cè)量誤差分析相對(duì)誤差計(jì)算公式 從上面的硬件測(cè)量中電阻測(cè)量數(shù)據(jù)上來看，誤差比較接近任務(wù)要求的誤差值，100歐姆的電阻相對(duì)誤差會(huì)大一些。與軟件仿真結(jié)果有一定的差異，造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是在設(shè)計(jì)中采用的CD4066（四路模擬開關(guān)）的內(nèi)阻較大。3.2電容誤差分析相對(duì)誤差計(jì)算公式 從上面的硬件測(cè)量中電容測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，電容的標(biāo)稱值與本系統(tǒng)測(cè)出的電容值比較接近，電容較小，誤差較大，其可能性原因是元件