數(shù)字式RLC測量儀設(shè)計(jì)報(bào)告

1、2012廣西區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字式rlc測量儀（b題）摘要本系統(tǒng)是基于stc89c52單片機(jī)控制的數(shù)字式rlc測量儀，利用單片機(jī)對r、l、c的參數(shù)進(jìn)行測量，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，然后對其值進(jìn)行補(bǔ)償，智能切換量程，測量結(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：stc

2、89c52，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

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上述三種方案從對測量精度要求而言，方案一的測量精度極差，方案二需要有較高精度的電阻組成橋，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 電容測量方案方案一：直接通過串聯(lián)電路原理。通過

4、電容換算的容抗跟已知電阻分壓，通過測量電壓值，再經(jīng)過公式換算得到電容的值。原理同電阻測量的方案一。方案二：采用平衡電橋法。將待測電感和已知標(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，該方案測量精準(zhǔn)，同時(shí)可以測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

5、案三。1.1.3電感測量方案方案一：采用平衡電橋法測量電感。將待測電感和已知標(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，該方案測量精準(zhǔn)，同時(shí)可以測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，通過測輸出頻率大小的方法來實(shí)現(xiàn)對電感值測量。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)測出其頻率，并轉(zhuǎn)換為電感值。相比之下，方案二的測量精度比方案一要高得多，并且也容易實(shí)現(xiàn)，所以

6、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?；诒驹O(shè)計(jì)題目要求和選擇的需要，考慮成本及控制簡易程度等，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?；诒驹O(shè)計(jì)題目要求，需要液晶顯示和測量的量程范圍，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)相對便宜，完全能滿足題目所要求的測量顯示，故本設(shè)計(jì)采用的是lcd1602液晶顯示。圖

7、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st

8、c89c52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)成的振蕩電路長生的一定頻率的波。再通過單片機(jī)的i/o口對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被測電阻被

9、測電容被測電感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：測量并顯示被測電阻電容電感的值。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電阻測量電路電阻的測量采用“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)算被測電阻的大小。555接成多諧振蕩器的形式，

10、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:1.100rx<1000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對應(yīng)的頻率范圍為： 2.8kfx <16k 。2.1000rx<1m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)對應(yīng)的頻率范圍為： 16k<fx <714khz 。電

11、阻測量電路見圖8所示。圖8 電阻測量電路在測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電容測量電路 電容的測量同樣采用“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我們設(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;對應(yīng)的頻率范圍為： 9.4kfx <0.94k2、r1010k歐姆： ac1設(shè)置為高電

12、平輸出；r10=r12； cx =(4.81*(1e+6)/ fx;對應(yīng)的頻率范圍為： 480hzfx <4.8k電容測量電路見圖9所示。圖9 電容測量電路在測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電感測量電路電感的測量是采用電容三點(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

13、*fx*fx*clx=(38*(le+6)/fx2電感測量電路見圖10所示。圖10 電感測量電路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)制輸入信號選通四對通到中的一通道。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測量類別00y0-r01y1-c10y2-l11*（表1-1中*表示未定義

14、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(jī)對頻率測量的原理如下圖13所示。圖14 測頻率原理圖示說明：圖13中t1時(shí)刻檢測到高電平開定時(shí)器1，開始計(jì)數(shù)；t2時(shí)刻等待檢測低電平；t3時(shí)刻第二次檢測到高電平時(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)檢測到高電

15、平時(shí)開定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，然后檢測低電平，當(dāng)檢測到低電平時(shí)已經(jīng)測得脈沖的脈寬，但測得是頻率，故在程序中要繼續(xù)檢測等待下一個(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的頻率。3.2程序流程圖15 程序流程3.3部分程序清單#include <reg52.h>#include "1602.h"#define dataport p0#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit button_r=p20;sbit

16、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: ","

17、00000000 "uchar code m10="0123456789"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;i>0;i-);void delay_ms(uchar t)unsigned char i=0;while(t-)for(i=0;i<120;i+);void writedata(uchar dat)en=0; rs=0; /*rs寄存器選擇輸入端，當(dāng)rs=0

18、；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;i<20;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;i<20;i+);void

19、 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;pp<16;pp+)disch

20、ar(pp,*(meun0+pp);for(pp=0;pp<16;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;d

21、ischar(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：測電阻 led_r=0; led_c=1; led_l=1;if(button_c=0)func=2;/功能2：測電容 led_r=1; led_c=0; led_l=1; if(button_l=0) func=3;/功能3：測電感 led_r=1; led_c=

22、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&#

23、39; 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=(65536-500

24、45)%256; timecount+; if(timecount=20) tr0=0; tr1=0; timecount=0; flag=1; 二、系統(tǒng)測試1.軟件測試測試軟件：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電阻測量調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，測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測試顯示相對誤差(%)10010001k10010.110k100080.0851k510120.0235100k1009000.91m10000010.00011.2電容測量替換不同電容，測量不同電容產(chǎn)生的多諧振蕩脈

25、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測試顯示相對誤差(%)101100pf01021000pf010310010pf0.1104100100pf0.11051001100pf0.110uf10000000pf01.3電感測量替換不同電感，測量不同電感產(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測試顯示相對誤差(%)33uh33uh050uh50uh0100uh100uh0220uh220uh0470uh475uh1.064680uh685uh0.7351mh1010uh110mh10100uh12.硬件測試測試儀器：萬用表，示波器測試所用電阻、電容、

26、電感是在市場買的標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容、電感。2.1電阻測量調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，測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測試顯示相對誤差(%)10010221k10080.810k100580.5851k510120.0235100k1009460.9641m9997520.02482.2電容測量替換不同電容，測量不同電容產(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測試顯示相對誤差(%)10199pf11021003pf0.310310089pf0.89104100125 pf0.1251051003793 pf0.379

27、10uf10000000 pf02.3電感測量替換不同電感，測量不同電感產(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測試顯示相對誤差(%)33uh33uh050uh50uh0100uh102uh2220uh220uh0470uh480uh2.127680uh690uh1.471mh1028uh2.810mh10979uh9.79三、誤差分析3.1電阻測量誤差分析相對誤差計(jì)算公式 從上面的硬件測量中電阻測量數(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電容誤差分析相對誤差計(jì)算公式 從上面的硬件測量中電容測