基于單片機的動態(tài)元件參數(shù)測試儀的設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計

1、20132013 屆畢業(yè)設(shè)計說明書屆畢業(yè)設(shè)計說明書 基于單片機的動態(tài)元件參數(shù)測試儀的設(shè)計 系 、 部： xxxxxxxxxxxxxxxxxx 學生姓名： xxx 指導教師：xxx 職稱 xxx 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： xxx 完成時間： 2013 年 6 月 摘 要 進入 21 世紀，電子工業(yè)得到飛速發(fā)展，于是，電子元器件也跟著急劇增加， 其適用范圍逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中經(jīng)常要測定電容，電感的大小。因此，設(shè) 計可靠，安全，便捷的電容，電感測試儀具有極大的必要性。 在設(shè)計系統(tǒng)硬件中，以 51 單片機為核心的電容、電感測試儀，有數(shù)據(jù)存儲、 通訊以及 led 顯示等功能。此測試儀將電

2、容，電感，用對應(yīng)的振蕩電路轉(zhuǎn)化為 頻率得以實現(xiàn)各個參數(shù)的測量。電容是采用 555 多諧振蕩電路產(chǎn)生的，而電感 則根據(jù)電容三點式產(chǎn)生的，將振蕩頻率輸送到 at89s51 的計數(shù)端，通過定時且 計數(shù)則可以計算出被測頻率，然后通過該頻率計算出被測參數(shù)。 在此系統(tǒng)軟件設(shè)計是根據(jù) keil51 為仿真平臺，使用 c 語言與匯編語言混合 編程編寫了系統(tǒng)應(yīng)用軟件；其包括主程序模塊、顯示模塊、電容測試模塊和電 感測試模塊。 最后，根據(jù)情況，實際制作了一臺樣機，且在實驗室里也進行了測試，結(jié) 果表明該樣機的功能和指標得到了設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：單片機；555 多諧振蕩電路；led 動態(tài)顯示模塊；電容三點式振蕩 ab

3、stract entering the 21st century, electronic industry get rapid development, and electronic components followed a sharp increase in its applicable range has been up, its often have to in the application of measuring capacitance, inductance of the size. as a result, the design is reliable, safe, conv

4、enient capacitance, inductance tester is of great necessity. in designing the system hardware, 51 single-chip microcomputer as the core of capacitance and inductance tester, such as data storage and communication as well as the led display function. the tester will capacitance, inductance, with corr

5、esponding oscillation circuit is converted into frequency to realize each parameter measurement. capacitance was produced by more than 555 harmonic oscillation circuit, while based on the three-point capacitance inductance, the counting end of oscillation frequency to the at89s51, through the measur

6、ed frequency timing and counting can be calculated, and then through the frequency to calculate the parameter being measured. in the system software design is based on keil51 simulation platform, mixed programming using c language and assembly language to write the system application software; it in

7、cludes the main program module, display module, capacitance testing modules and inductance test module. finally, according to the actual situation, made a prototype, and also conducted in the laboratory test, the results show that the prototype of the function and index design requirements. k ke ey

8、y w wo or rd ds s: : single chip microcomputer；555 harmonic oscillation circuit；led dynamic display module；capacitor three-point oscillator 目目 錄錄 1 緒論.1 1.1 設(shè)計的背景及意義 .1 1.2 電容、電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 .1 1.3 本設(shè)計所做的工作 .2 2 電容、電感測試儀的系統(tǒng)設(shè)計.3 2.1 電容、電感測試儀設(shè)計方案比較.3 2.2 系統(tǒng)的原理框圖 .4 3 電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計.5 3.1 mcs-51 單片機電

9、路的設(shè)計.5 3.2 led 數(shù)碼管電路與鍵盤電路的設(shè)計.7 3.3 測量電容電路的設(shè)計 .11 3.3.1 555 定時器簡介.11 3.3.2 測量電容電路的設(shè)計 .13 3.4 測量電感電路的設(shè)計及仿真 .14 3.4.1 測量電感電路的設(shè)計 .14 3.4.2 測量電感電路的仿真 .15 3.5 多路選擇開關(guān)電路的設(shè)計 .16 4 電容、電感測試儀的軟件設(shè)計.18 4.1 i/o 口的分配.18 4.2 主程序流程圖 .19 4.3 頻率參數(shù)計算的原理 .21 結(jié)束語.23 參 考 文 獻.24 致 謝.25 附錄一系統(tǒng)原理圖及 pcb.26 附錄二源程序 .28 1 緒論 1.1 設(shè)

10、計的背景及意義 進入 21 世紀，電子工業(yè)得到飛速發(fā)展，于是，電子元器件也跟著急劇增加， 其適用范圍逐漸廣泛起來，我們在應(yīng)用中經(jīng)常要測定電容，電感的大小。因此， 設(shè)計可靠，安全，便捷的電容，電感測試儀具有極大的必要性。 此外，伴隨測量技術(shù)的飛速發(fā)展及人們對電參數(shù)的測量精度要求提高，目 前在教學實驗中普遍采用的數(shù)字式萬用表已遠遠滿足不了測量要求，所以設(shè)計 可靠，安全，便捷，測量精度更高的電容，電感測試儀有著廣泛的使用價值及 應(yīng)用前景。 一般情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)直接轉(zhuǎn)換為直流電壓或 者頻率之后進行測量。 測量電容的傳統(tǒng)方法有諧振法以及電橋法兩種。前者電路簡單，速度快， 但是精度

11、低；后者測量精度高，但是速度慢。伴隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展， 在測量速度以及精度上有著很大的改善，電容的數(shù)字化測量經(jīng)常采用恒流法與 比較法。 電感測量可以依據(jù)交流電橋法，此測量方法盡管能較準確的測量電感但是 交流電橋的平衡過程稍微復(fù)雜，并且通過測量q值確定電感的方法誤差稍大，所 以電感的數(shù)字化測量經(jīng)常采用時間常數(shù)發(fā)與同步分離法。 此畢業(yè)設(shè)計希望通過對電容、電感測試儀的設(shè)計來培養(yǎng)學生綜合運用所學 知識分析與解決實際問題的能力，系統(tǒng)的掌握單片機的開發(fā)設(shè)計過程，強化實 際應(yīng)用技能訓練，為以后開展單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)奠定初步基礎(chǔ)。 1.2 電容、電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 伴隨著科技飛速的發(fā)

12、展，在當今電子測試領(lǐng)域中，電容和電感的測量已經(jīng) 在測量技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。 電容和電感測試發(fā)展了很久，有著眾多方法，其常用測量的方法如下： 1.測量電容的傳統(tǒng)方法有諧振法以及電橋法兩種。前者電路簡單，速度快， 但是精度低；后者測量精度高，但是速度慢。伴隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展， 在測量速度以及精度上有著很大的改善，電容的數(shù)字化測量經(jīng)常采用恒流法與 比較法。 2.電感測量可以依據(jù)交流電橋法，此測量方法盡管能較準確的測量電感但 是交流電橋的平衡過程稍微復(fù)雜，并且通過測量q值確定電感的方法誤差稍大， 所以電感的數(shù)字化測量經(jīng)常采用時間常數(shù)發(fā)與同步分離法。 1997 年 05 月 21 日，國

13、內(nèi)的中國航空工業(yè)總公司研究出一種對電容、電感 實現(xiàn)在線測量方法以及裝置等電位隔離方法，用于對在線的電容、電感元件實 行等電位隔離。 觀當前國內(nèi)外的 lc 測試儀，硬件電路一般比較復(fù)雜，體積也是較龐大，攜 帶不便，且價格較昂貴。如傳統(tǒng)的電阻抗法、q 表、電橋平衡法等測試 lc 的過 程中不夠智能且體積笨重，價格昂貴，需要外圍環(huán)境優(yōu)越，在操作的過程中測 試需調(diào)較多參數(shù)，這對初學者來說非常不方便，而當今社會，對 lc 的測試盡管 已經(jīng)很成熟了，但價格與操作簡單特別在智能方面是有待發(fā)展，價格便宜與操 作簡單、智能化的儀表開發(fā)以及應(yīng)用方面有著巨大的發(fā)展空間，此系統(tǒng)正是符 合社會發(fā)展的要求，研制出了一種價

14、格便宜與操作簡單、自動轉(zhuǎn)換量程、體積 更小、功能強大、便于攜帶的 lc 測試儀，其充分利用了現(xiàn)代單片機技術(shù)，研究 了基于單片機的智能 lc 測試儀，人機界面友好、操作方便的智能 lc 測試儀， 有著十分重要的意義。 近年來國內(nèi)測量儀器的可靠性與穩(wěn)定性問題以及得到了許多方面的重視， 狀況已經(jīng)有了很大改觀。目前測試儀器行業(yè)已經(jīng)跳過了低谷階段，重新回到了 快速發(fā)展的軌道，尤其最近的幾年，國內(nèi)儀器已經(jīng)取得了長足的進步，尤其是 在通用電子測量設(shè)備研發(fā)方面，正快速縮小和國外先進產(chǎn)品的差距，在一定程 度上對國外電子儀器巨頭的壟斷造成了沖擊。伴隨模塊化與虛擬技術(shù)的發(fā)展， 給國內(nèi)的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機

15、，外加各級政府日益重視，及中國 自主應(yīng)用標準研究有了飛速進展，都為此產(chǎn)業(yè)提供了很大的動力與機遇。 1.3 本設(shè)計所做的工作 此設(shè)計是以 555 為核心的振蕩電路，將被測參數(shù)模擬轉(zhuǎn)換為頻率，并且利 用單片機實現(xiàn)計算頻率，所以，此設(shè)計需要做好以下工作： (1)學習單片機原理等資料。 (2)學習 protel99e, kel3.0 等工具軟件的使用方法。 (3)設(shè)計測量電容，電感的振蕩電路。 (4)設(shè)計測量 led 動態(tài)顯示電路。 (5)設(shè)計測量頻率程序，設(shè)置程序。 (6)用 protel 軟件繪制電原理圖和印刷電路版圖。 (7)安裝和調(diào)試，并進行實際測試，記錄測試數(shù)據(jù)和結(jié)果。 (8)撰寫畢業(yè)論文。

16、 2 電容、電感測試儀的系統(tǒng)設(shè)計 2.1 電容、電感測試儀設(shè)計方案比較 電容、電感測試儀的設(shè)計使用多種方案就可以實現(xiàn)，如利用模擬電路，電 容可用恒流法與比較法，電感可用時間常數(shù)發(fā)與同步分離法等、使用可編程邏 輯控制器(plc)、振蕩電路與單片機結(jié)合或 cpld 與 eda 相結(jié)合等得以實現(xiàn)。在 設(shè)計前對各種方案也進行了比較： 1)利用純模擬電路 利用模擬電路，電容可用恒流和比較法，電感可用時間常數(shù)發(fā)和同步分離 法，盡管避免了編程的麻煩，但是電路有點復(fù)雜，其所用器件較多，靈活性較 差，測量精度偏低，現(xiàn)在較少使用。 2)可編程邏輯控制器(plc) 采用 plc 對硬件進行控制，其應(yīng)用廣泛，能夠極其

17、方便地集成到工業(yè)控制 系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計中可采用 plc 對硬 件進行控制，但用 plc 實現(xiàn)價格相對昂貴，所以成本過高。 3)采用 cpld 或 fpga 實現(xiàn) 應(yīng)用當前廣泛應(yīng)用的 vhdl 硬件電路描述語言，以實現(xiàn)電容，電感測試儀的 設(shè)計，利用 maxplusii 集成開發(fā)環(huán)境進行綜合、仿真，并且下載到 cpld 或者 fpga 可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但是相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。 4)利用 lrc 數(shù)字電橋與單片機結(jié)合 利用 lrc 數(shù)字電橋?qū)㈦娙輩?shù)轉(zhuǎn)為電壓模擬信號，其模擬量由高精度 ad 轉(zhuǎn) 換芯片轉(zhuǎn)為數(shù)字量。而電感則是依據(jù)電容三點

18、式電路也轉(zhuǎn)化為頻率，這樣就可 以把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這樣由單片機處理數(shù)字量，就能滿足測量精 度高、易于實現(xiàn)自動化測量等設(shè)計需要，且單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可 靠性、系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活，容易構(gòu)成各種規(guī)模的系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較 高的軟、硬件設(shè)計系數(shù)。單片機具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件 上實現(xiàn)，且設(shè)計時間短，成本低，可靠性高。 綜上所述，利用 lc 數(shù)字電橋與單片機結(jié)合實現(xiàn)電容、電感測試儀更為簡便 可行，節(jié)約成本。所以，本次設(shè)計選定以單片機為核心來進行。 2.2 系統(tǒng)的原理框圖 在此設(shè)計中，考慮到單片機具有物美價廉、功能強、靈活使用方便、可靠 性較高等特點，擬采用 51

19、系列的單片機為核心來實現(xiàn)電容、電感測試儀的控制。 系統(tǒng)分四大部分：測量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。通過 p1.3 和 p1.4 向模擬開關(guān)送兩位地址信號，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測頻率判斷是 否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計框圖如 圖 1 如下所示。 圖 1 系統(tǒng)設(shè)計框圖 框圖各部分說明如下： 1)控制部分：此設(shè)計以單片機為核心，采用 51 單片機，利用其管腳的 特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器和 led 顯示功能等。led 燈：本設(shè)計中，設(shè)置了 1 盞電源指示燈，采用紅色的 led 以共陽極方式來 連接，直觀易懂，操作也簡單。數(shù)碼管顯示：

20、本設(shè)計中有 1 個 74hc02、2 個 74ls573、1 個 2803 驅(qū)動和 6 個數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動態(tài) 顯示部分，降低功耗。鍵盤：本設(shè)計中有 sr，sc，sl 三個按鍵，可靈活控 制不同測量參數(shù)的切換，實現(xiàn)一鍵測量。 2)通道選擇：本設(shè)計通過單片機控制 cd4052 模擬開關(guān)來控制被測頻 率的自動選擇。 3)測量電路：rc 震蕩電路是利用 555 振蕩電路實現(xiàn)被測電阻和被測電 容頻率化。電容三點式振蕩電路是利用電容三點式振蕩電路實現(xiàn)被測 電感參數(shù)頻率化。通過 51 單片機的 io 口自動識別量程切換，實現(xiàn)自動測 量。 3 電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 mcs-5

21、1 單片機電路的設(shè)計 在本設(shè)計中，考慮到單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構(gòu)成各 種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。還具有可編程性， 硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)。另外，本設(shè)計還需要利用單片機的定時 計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇以單片機為核心進行設(shè)計具有 極大的必要性。在硬件設(shè)計中，選用 ms-51 系列單片機，其各個 i/o 口分別接 有按鍵、led 燈、七位數(shù)碼管等，通過軟件進行控制。 mcs-51 單片機主要由中央處理器、內(nèi)部程序存儲器(rom)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲 器(ram)、定時/計數(shù)器、并行 i/o 口、串行口與中斷控制電路等基本部分所構(gòu) 成

22、，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線與控制總線等總線，下面進行簡單的說明： 1)中央處理器： 中央處理器簡稱 cpu，是單片機的核心，用于完成運算和控制操作。中央 處理器包括運算器和控制器兩部分電路。 2)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(ram)： 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器包括 ram 和 ram 地址寄存器，用于存放可讀/寫的數(shù)據(jù)。實 際上 80c 芯片中共有 256 個 ram 單元，但其中后 128 個單元為專用寄存器，能 作為普通 ram 存儲器供用戶使用的只是前 128 個單元。因此，通常所說的內(nèi)部 數(shù)據(jù)存儲器是指前 128 個單元，簡稱“內(nèi)部 ram” 。 3)內(nèi)部程序存儲器(rom)： 內(nèi)部程序存儲器包括 rom 和

23、程序地址寄存器等。80c51 共有 4kb 掩膜 rom， 用于存放程序和原始數(shù)據(jù)，因此稱之為程序存儲器，簡稱“內(nèi)部 rom” 。 4)定時/計數(shù)器： 用于控制應(yīng)用的需要，80c51 共有兩個 16 位的定時器/計數(shù)器，用定時器/ 計數(shù)器 0 和定時器/計數(shù)器 1 表示，用于實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計 數(shù)結(jié)果對單片機進行控制。 5)并行(i/o)口： 80c51 有 4 個 8 位并行 i/o 口(p0、 p1、p2 或 p3)，以完成數(shù)據(jù)的并行輸 入/輸出。 6)串行口： 80c51 單片機有一個全雙工串行口，以完成單片機和其他數(shù)據(jù)設(shè)備之間的 串行數(shù)據(jù)傳送。此串行口功能比較強大，一方

24、面可作為全雙工異步通信收發(fā)器 使用，又可作為同步移位器使用。 7)中斷控制電路： 中斷控制電路共有 5 個中斷源，既外中斷 2 個，定時/計數(shù)中斷 2 個，串行 中斷 1 個。全部中斷分為高級和低級工兩個優(yōu)先級別。 8)時鐘電路： 80c51 芯片內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為 單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。 本設(shè)計中單片機的設(shè)計電路如下圖 2 所示： 圖 2 單片機的設(shè)計電路 本電路使用單片機內(nèi)部振蕩器，11.0592mhz 的晶體諧振器直接接在單片機 的時鐘端口 x1 和 x2，電路中 c2、c3 為振蕩器的匹配電容。該電路簡單，工 作可靠 。另外本系統(tǒng)的容阻上電復(fù)位，就

25、是利用 rc 電路的充電過程來給單片 機復(fù)位。rc 電路的時間常數(shù)計算公式： t=rc 即：t=rc=10u*10k=100ms。當需要復(fù)位時，也可以按下復(fù)位按鍵，進行 復(fù)位。 3.2 led 數(shù)碼管電路與鍵盤電路的設(shè)計 在電容、電感測試系統(tǒng)中，用 led 燈來顯示測量參數(shù)的類別和電源指 示，既簡單又顯而易見。 相當于小白熾燈泡和氖燈， led 有著幾個特點 ： 1.發(fā)光響應(yīng)快，亮度強，高頻特性好；而且隨著材料的不同，數(shù)碼管還 能發(fā)出各種顏色。 2.機械性能好，體積小，重量輕，價格低廉，使用壽命長。 正因為有這些特點，在一些光電控制設(shè)備中 常常用發(fā)光二極管 用作光 源。在本設(shè)計中， 利用單片機

26、的 p1.0、p1.1 和 p1.2 口直接和發(fā)光二極管相連 接，控制程序放在 mcs-51 單片機的 rom 中。由于測試指示燈為發(fā)光二極管 且陽極通過限流電阻與電源正極相接，所以為共陽極。因此 i/0 口輸出低電平 時，與之相連的相應(yīng)指示燈會亮；i/0 口輸出高電平時，相應(yīng)的指示燈會滅。發(fā) 光二極管的接口電路如圖 3 所示： 圖 3 發(fā)光二極管的接口電路 發(fā)光二極管的設(shè)計中，每個二極管與單片機接口間有一個電阻，其阻值至 少為 180 歐。按 3.3v 時的工作電流 15ma 來計算，需要讓與之串聯(lián)的電阻，分 去 vcc 5v 電壓中的 2.7v 電壓，則得到 r=u/i=2.7v/0.01

27、5a=180 歐，且電阻 的功率為 p=ui=2.7v*0.015a=0.041w。 另外，在本設(shè)計中，led 應(yīng)用于七位數(shù)碼管中，實現(xiàn)了被測參數(shù)的顯示， 七位數(shù)碼管以共陰極的方式經(jīng)過 74ls573 鎖存器與單片機的 p0 口相連。六位 數(shù)碼管的顯示被測參數(shù)的示值從左到右依次代表十萬、萬、千、百、十和個位， 這樣顯示結(jié)果更為簡單可行。 想要數(shù)碼管正常的顯示，用驅(qū)動電路驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，繼而顯示出 我們要的數(shù)字，所以根據(jù)數(shù)碼管的不同驅(qū)動方式，可歸為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 1)靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)顯示驅(qū)動就是每一個數(shù)碼管顯示器都要占用單獨的 具有鎖存功能的 i/o 接口用于筆劃段字形代碼。這樣單

28、片機只要把藥顯示的字 形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的 字形碼。 2)動態(tài)顯示驅(qū)動：p2.0 和 p2.1 端口分別控制數(shù)碼管的個位和十位的供電， 當相應(yīng)的端口變成低電平時，驅(qū)動相應(yīng)的三極管會導通，+5v 通過驅(qū)動三極管 給數(shù)碼管相應(yīng)的位供電，這時只要 p3 口送出數(shù)字的顯示代碼，數(shù)碼管就能正常 顯示數(shù)字。 對兩種顯示方式的比較分析：靜態(tài)方式需要大量 i/o，而動態(tài)掃描顯示的 方式能夠大量的節(jié)省 i/o 口，且電路結(jié)構(gòu)也比較簡單，顯示效果良好，因此最 終采用動態(tài)掃描顯示方式。 系統(tǒng)核心電路(at89s52 最小系統(tǒng))的 p0 口以總線方式與二片數(shù)據(jù)鎖存器 (

29、74hc573)相連接，二片 74hc573 的片選使能端(le)分別連接在或非門 (74hc02)的 1、4 管腳，三個或非門相類似，都是兩個輸入端的其中一端接在 單片機的 16 管腳(wr)，而另一端分別接在 p2.5p2.6。單片機片選電路如圖 4 所示。 圖 4 單片機片選電路 或非門片選電路分析：當單片機通過 p0 口總線輸出數(shù)據(jù)時，16 管腳(wr) 為低電平“0” ，片選信號端 p2.5p2.7 中，要被片選端為“0” ，其它為“1” ， 這樣三個或非門中，只有需要片選中或非門的輸出為高電平“1” ，其它兩個或 非門的輸出信號為低電平“0” 。另外，74hc573 數(shù)據(jù)鎖存器的

30、le 使能端為高 電平有效，與之前電路結(jié)合可以實現(xiàn)片選功能。 在本設(shè)計中，led 顯示接口電路如下圖 5 所示： 圖 5 led 顯示接口電路 電路由 6 個共陰極數(shù)碼管、兩個 74hc573 和一個 uln2803 組成。 兩個 74hc573 分別作為段碼和位碼的數(shù)據(jù)鎖存器，它們的片選信號來自最 小系統(tǒng) at89s52 的 p2.5 和 p2.6，由此可以計算出它們的片選地址：段碼片選 地址為c000hdfffh，位碼片選地址為a000hbfffh。 uln2803 是達林頓管，在電路中能起到大電流輸出和高壓輸出的作用。由 于電路使用的是共陰極動態(tài)顯示方式，uln2803 在位碼數(shù)據(jù)鎖存器

31、后連接八個 數(shù)碼管的 com 端，可以增強驅(qū)動數(shù)碼管的能力，使數(shù)碼管的顯示效果更好。 本設(shè)計中設(shè)置了 sr,sc,sl 三個按鍵，利用單片機的 p1.0、p1.1 和 p1.2 口 直接和按鍵相連接，控制程序放在 mcs-51 單片機的 rom 中用于啟動各個被 測參數(shù)程序的調(diào)整。見圖 6 按鍵電路所示 圖 6 按鍵電路 控制l、c的三個按鍵接入一個10k大小的上拉電阻，起限流保護作用。當 有鍵按下時為低電平，無鍵按下時則為高電平。 3.3 測量電容電路的設(shè)計 3.3.1 555 定時器簡介定時器簡介 555 定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路。利用它能極方便地構(gòu) 成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)

32、態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以 555 定時器在波形的產(chǎn)生于變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等，用于 許多領(lǐng)域。 1)555 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 555 定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 7(a) 部分及管腳排列如圖(b)部分所示。 圖 7 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 它由比較器 n1和 n2、sr 鎖存器和集電極開路的放電三極管 t 三部分組成。 th 是比較器 n1的輸入端，tl 是比較器 n2的輸入端。n1和 n2的參考電壓 vr1和 vr2由 vcc經(jīng)三個 5k電阻分壓給出。在控制電壓輸入端 vco懸空時， vr1=2/3vcc，vr2=1/3vcc。如果

33、 vco外接固定電壓，則 vr1=vco，vr2=1/2vco。 r0是置零輸入端。只要在 r0端加上低電平，輸出端 v0便立即被置成低電平， 不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使 r0處于高電平。圖中的數(shù)碼 1- 8 為器件引腳的編號。 由圖可知，當 thvr1，tlvr2時，比較器 n1的輸出 vc1=0、比較器 c2的 輸出 vc2=1，sr 鎖存器被置 0，t 導通，同時 v0為低電平。 當 thvr1，tlvr2時，vc1=1、vc2=1，鎖存器的狀態(tài)保持不變，因而 t 和 輸出輸出的狀態(tài)也維持不變。 當 thvr1、tlvr2時，vc1=1、vc2=0，故鎖存器被置 1，為高

34、電平，同時 t 截止。 當 thvr1、tlvr2時，vc1=0、vc2=0，鎖存器處于 q=1 的狀態(tài)，v0處于高 電平，同時 t 截止。 2)多諧振蕩器工作原理 由 555 定時器組成的多諧振蕩器如圖 8(c)部分所示，其中 r1、r2和電容 c 為外接元件。其工作波如圖(d)部分所示。 圖 8 震蕩器工作原理 當接通電源以后，因為電容上的初始電壓為零，所以輸出為高電平，并開 始經(jīng)電阻 r 向電容 c 充電。當充到輸入電壓為 v1=vt時，輸出跳變?yōu)榈碗娖?，?容 c 又經(jīng)過電阻 r 開始放電。 當放電至 v1=vt時，輸出電位又跳變成高電平，電容 c 重新開始充電。如此 一直循環(huán)，電路不

35、停地震蕩。其振蕩周期可用下式計算： t=0.7（r1+2r2）c 3.3.2 測量電容電路的設(shè)計測量電容電路的設(shè)計 電容測試電路： 電容的測量也使用了“脈沖計數(shù)法”,由 555 電路諧波振蕩電路,通過計算 頻率的振蕩輸出來計算測量電容的大小。 555 以多諧振蕩器的形式接成，它的振蕩周期為： 我們設(shè)置 r1=r2, 得出： 即： 電路分為 1 檔： r4=510k,r4=r6； 電容測試電路見圖 9 所示。 圖 9 電容測試電路 3.4 測量電感電路的設(shè)計及仿真 3.4.1 測量電感電路的設(shè)計測量電感電路的設(shè)計 電感的測量是使用電容三點式振蕩電路。電容器三點振蕩器電路振蕩電路 也叫考畢慈震蕩電

36、路,三個點振蕩電路是指：lc 電路連接到發(fā)射器兩電抗元件 必須均勻,另一個電抗元件必須是異性,并連接到排放水平的兩個三分的振蕩器 電路對電容電抗組件,即“射同基反”的原理組成的電容器三點振蕩器電路。其 振蕩頻率為： 即： 電感測試電路見圖 10 所示。 圖 10 電感測試電路 3.4.2 測量電感電路的仿真測量電感電路的仿真 pspice 仿真軟件簡介： 設(shè)計中主要使用的電路原理圖編輯器電路圖 pspice 軟件繪圖程序模塊和輸 出結(jié)果探測器模塊。包括圖表模塊的電路原理圖編輯程序 pspice 輸入兩種形 式,一是單個文件(或文本文件)的形式,一個是電路原理圖形式,相對后者比前者更 簡單和直觀

37、,它能產(chǎn)生新的電路原理圖文件,可以打開現(xiàn)有文件原理圖。配備各種 組件的電路元件符號,除了電容、電感、晶體管、基本設(shè)備,如電源等基本器件符 號,運算放大器、比較器等其他宏觀模型類符號,電路圖和原理圖文件后綴為. sch。圖形文本編輯器自動電路網(wǎng)單文件可以轉(zhuǎn)化成單一文件進行仿真計算程序 運行仿真。而 probe 輸出映射程序模塊是 probe 輸出圖形后處理程序 pspice 軟 件包。程序的輸入文件為用戶操作仿真運行形成后的文本或圖形文件后綴.dat 文件。它可以扮演一個萬用表,示波器,函數(shù)的掃描儀,在屏幕上畫波形和曲線的 仿真結(jié)果。伴隨計算機圖形功能不斷提高，pc 機上 windows95,9

38、8,2000/xp 的 出現(xiàn)，probe 的繪圖能力也越來越強。 利用 pspice 仿真軟件對電容三點式振蕩電路的仿真原理如圖 11，雙擊 xsc1 后可查看仿真波形，仿真波形如圖 12 所示。 圖 11 仿真原理圖 圖 12 仿真波形圖 由仿真結(jié)果可知該輸出波形為正弦波，為了方便頻率測量，把該波形通過 555 構(gòu)成的施密特觸發(fā)器整形為方波，送入單片機 t1 口進行頻率計算。 3.5 多路選擇開關(guān)電路的設(shè)計 利用 cd4052 實現(xiàn)測量類別的轉(zhuǎn)換，cd4052 是差分四通道數(shù)字控制模擬開 關(guān)器件，有 a0和 a1兩個二進制控制輸入端和 inh 輸入，具有低導通阻抗和很 低的截止電流。當 in

39、h 輸入端=“1”時所有通道截止，二位二進制輸入信號選 通四對通到中的一通道。當選擇了某一通道的頻率后，y 輸出頻率通過 t1 送入 單片機進行計數(shù)，通過計算得到要被測值，多路選擇開關(guān)控制如表 1 所示。 表 1 多路選擇開關(guān)控制 p1.4 p1.3 測量類別 00y0-r 01y1-c 10y2-l 11* 表中*表示未定義此功能。 多路選擇開關(guān)硬件電路如圖 13 所示。 圖13 多路選擇開關(guān) 4 電容、電感測試儀的軟件設(shè)計 4.1 i/o 口的分配 p1.0 r 測量程序的選擇 p1.1 c 測量程序的選擇 p1.2 l 測量程序的選擇 p1.3-p1.4 多路選擇開關(guān)控制選擇 p1.0、

40、p1.1 和 p1.2 按鍵輸入及測量指示燈 在本設(shè)計的模塊中，模塊是以單片機為核心，再通過按鍵控制測量的被測 參數(shù)在數(shù)碼管顯示，按鍵主流程圖如 14 所示。 圖 14 按鍵主程序流程圖 4.2 主程序流程圖 在電容、電感測試儀的設(shè)計中，便于直觀性，在數(shù)碼管上顯示被測參數(shù)的 選擇，被測參數(shù)各個燈的選擇以及具體設(shè)置。通過三個按鍵 sr,sc,sl 來進行靈 活控制，具體操作流程如圖 15 所示。 開始 初始化 鍵掃描 鍵分析，置狀態(tài) c 測 試 狀 態(tài) l 測 試 狀 態(tài) 開中斷 定時器設(shè)置 通道及指示燈設(shè)置 采值并計算 顯示 圖 15 rlc 測試儀的軟件流程圖 首先插入被測元件，開關(guān)打開以后

41、，按下 set 鍵，進行復(fù)位，然后進行按鍵 選擇，選擇被測參數(shù)類別，之后單片機根據(jù)按鍵類別啟動相應(yīng)的參數(shù)測試程序， 測試完畢后將結(jié)果送入數(shù)碼管顯示。 4.3 頻率參數(shù)計算的原理 本設(shè)計頻率的計算采用單片機外部中斷 ，對外觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖頻 率的測量，再通過對測量數(shù)據(jù)的校正來完成。 單片機對頻率測量的原理如下圖 16 所示。 圖 16 測頻率原理圖示 說明：圖 4-3 中 t1 時刻檢測到高電平開定時器 1，開始計數(shù)；t2 時刻等待 檢測低電平；t3 時刻第二次檢測到高電平時關(guān)定時器停止計數(shù)。 利用 gate=1,tr1=1,只有 引腳輸入高電平時，t1 才允許計數(shù)，利 用此，將外部輸入脈沖經(jīng)

42、 引腳上輸入，等待高電平的到來，當檢測到高電 平時開定時器開始計數(shù)，然后檢測低電平，當檢測到低電平時已經(jīng)測得脈沖的 脈寬，但我們測得是頻率，故在程序中藥繼續(xù)檢測等待下一個高電平的到來， 此時關(guān)定時器停止計數(shù)，用此計數(shù)值乘以機器的周期數(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的頻率。程序流程 圖如圖 17 所示。 圖 17 頻率計算程序流程圖 開始 程序初始化 數(shù)據(jù)處理 開定時器 tr=1 fw 是否為 1 fw 是否為 1 fw 是否為 0 結(jié)束 n n n y y y 結(jié)束語結(jié)束語 畢業(yè)論文是一個把理論和實踐相結(jié)合很好的機會,通過電容、電感測試儀 設(shè)計的課

43、題設(shè)計,鍛煉了我的動手能力,增強了我的能力去解決實際工程問題,同 時也提高我的查閱文獻資料、規(guī)格設(shè)計和計算機制圖,和其他專業(yè)能力水平。 本設(shè)計的硬件電路簡單,可降低生產(chǎn)成本。采用單片機可以提高系統(tǒng)的可靠 性和穩(wěn)定性,縮小了系統(tǒng)的體積,調(diào)試和維護方便,用 mcs - 51 單片機最小系統(tǒng) 為核心的設(shè)計滿足工作的需求,實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的測試和測量的電阻 555 振蕩器 頻率的電容參數(shù),測量電感電容三點振蕩器電路實現(xiàn)了參數(shù)頻率,頻率以模擬開 關(guān) cd4052 成單片機計數(shù),再通過顯示電路顯示測量值的參數(shù)測量,軟件使用 c 語 言編程,要根據(jù)具體情況測量參數(shù)對應(yīng)的程序,靈活控制開始齒輪開關(guān)控制參數(shù) 來衡

44、量。在測試之后,系統(tǒng)每個模塊可以正常在所有組織,成功地實現(xiàn)了設(shè)計的 硬件需求。 軟件部分的系統(tǒng)是實現(xiàn)各種工作狀態(tài)的關(guān)鍵。通過硬件電路的組合,在 keil51 平臺、混合編程使用 c 語言和匯編語言編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序,應(yīng)用程序能 正常運行,達到了設(shè)計要求。 總之,整個系統(tǒng)正常工作,完成了所有設(shè)計任務(wù)的要求。 雖然這個系統(tǒng)完成了設(shè)計設(shè)計要求,但也存在很多需要改進的地方。工作測 量,測量電容有一定的誤差,c 值越大,誤差越大,誤差來源于頻率的振蕩電路產(chǎn) 生和單片機應(yīng)用程序誤差。希望在接下來的設(shè)計可以進一步解決。在人機交流 方面、顯示部分可以切換到顯示效果更好的液晶屏顯示,使系統(tǒng)工作狀態(tài)和數(shù)據(jù) 顯示更清

45、晰,更有人性化。 參 考 文 獻 1申忠如，申淼，譚亞麗.mcs-51 單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計【m】.西安交通大學 出版社，2008 年 3 月第 1 版 2劉軍，李智.基于單片機的高精度電容電感測量儀【j】.國外電子測量技術(shù). 2007.26（6） 3付家才.單片機控制工程實踐技術(shù)m.北京化學工業(yè)出版社，2004 4陳江華等.一種實用的電容、電感、電阻自動測試儀【j】.計量與測試技術(shù). 2002.29（1） 5張毅剛.mcs-51 單片機應(yīng)用系統(tǒng)【m】.哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997 6夏繼強.單片機實驗與實踐教程【m】.北京航空航天大學出版社，2001 7郝鵬,王大明.基于 51 單片機的電

46、阻、電容、電感測試儀【m】.科技向?qū)? 2011.20. 8付曉光.單片機原理與使用技術(shù)【m】.清華大學出版社，isbn7- 81082- 169- 5tp 9李正浩,姜寶鈞.51 單片機在 led 數(shù)碼管顯示中的應(yīng)用【j】.實驗科學與技 術(shù).2006.b12. 10j.c.whitaker.thermal design of elektronic equipment,crc press llc.lond on2001 致 謝 畢業(yè)設(shè)計結(jié)束了，本文是我在湖南工學院做畢業(yè)設(shè)計期間學習、工作的總 結(jié)，是在老師指導下完成的。 首先，我衷心地感謝所有在我做畢業(yè)設(shè)計期間幫助過我的人，尤其是老師。 在這幾

47、個月畢業(yè)設(shè)計的學習和工作中，導師的精心指導和培養(yǎng)使我在各個方面 都受益非淺。在分析問題、解決問題及獨立工作的能力有了很大的提高。在此 期間，老師提出了很多有益的建議并給予我很大幫助。在本文的課題研究及寫 作過程中，也給予了大力支持。在此謹向老師表示衷心的感謝。 再次，我要感謝我的母校，湖南工學院，在工學院這個學習氛圍活躍、團 結(jié)友愛的集體里，大家互相幫助，彼此討論問題，共同提高。在此也要感謝我 的各位學友，有了大家的支持和幫助使得論文研究工作得以順利的進行。 最后，再次向老師以及幫助過我的同學們表示最真誠的謝意！ 附錄一附錄一系統(tǒng)原理圖及系統(tǒng)原理圖及 pcbpcb 附圖 附圖 2 附錄二附錄二

48、源程序源程序 源程序： #include #include #include #include unsigned char inte=0; /頻率值溢出定時器值 unsigned long int uu=0; /頻率相對應(yīng)的計數(shù)值 unsigned long int ff=0; /實際頻率值 typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; uchar key1; int m=0,w=0,q=0,b=0,s=0,g=0; #define ledsegxbyte0 xbfff #define leddatxbyte0 xdfff /*

49、 按鍵 */ sbit sl=p10; sbit sc=p11; sbit sr=p12; sbit fw=p35; sbit srg=p15; sbit srd=p16; void delay_5ms() uchar i,j; for(j=0;j5;j+) for(i=0;i125;i+); void delay_50us() uchar i; for (i=0; i6; i+); void display(uchar num,uchar seg) switch(num) case 1:num=0 x06;break; case 2:num=0 x5b;break; case 3:num=0 x4f;break; case 4:num=0 x66;break; case 5:num=0 x6d;break; case 6:num=0 x7d;break; case 7:num=0 x07;break; case 8:num=0 x7f;break; case 9:num=0 x6f;break; case 0:num=0 x3f;break; default :num=0 x00;break; switch(seg) case 1:seg=0 x01;break; case 2:seg=0