簡(jiǎn)易電阻電容電感測(cè)試儀器

1、中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械電子工程研究生課程考核（研究報(bào)告、論文等）題目：簡(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)試儀課程名稱：嵌 入 式 技 術(shù) 姓 名：李 超 學(xué) 號(hào)：3 1 2 1 1 0 2 2 院 系：國(guó)家海洋局第一海洋研究所專 業(yè)：海洋地球物理 時(shí) 間：2011-01-06 簡(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)試儀摘要：本系統(tǒng)利用555多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，而電感則是根據(jù)電容三點(diǎn)式轉(zhuǎn)化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率f是單片機(jī)很容易處理的數(shù)字量，一方面測(cè)量精度高，另一方面便于使姨表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置靈活。容易構(gòu)成何種規(guī)模的應(yīng)用

2、系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機(jī)具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)計(jì)時(shí)間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感測(cè)試儀更為簡(jiǎn)便可行，節(jié)約成本。所以，本次設(shè)計(jì)選定以單片機(jī)為核心來進(jìn)行。1系統(tǒng)的原理框圖本設(shè)計(jì)中，考慮到單片機(jī)的物美價(jià)廉、功能強(qiáng)、使用方便靈活、可靠性高等特點(diǎn)，擬采用ARM-7系列的單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感的測(cè)量。系統(tǒng)可以分為四大部分：測(cè)量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖對(duì)于系統(tǒng)各部分說明如下：1） 控制部分：本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，采用MCS-51單片機(jī)，利用其管腳特殊功能以及具備的中斷系統(tǒng)

3、，定時(shí)/計(jì)數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈：本設(shè)計(jì)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(jiǎn)單。6個(gè)數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動(dòng)態(tài)顯示部分、降低功能。鍵盤：本設(shè)計(jì)有Sr，Sc，Sl三個(gè)按鍵，可以方便控制不同測(cè)量參數(shù)的切換，實(shí)現(xiàn)一鍵測(cè)量。2） 通道選擇：本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)控制被測(cè)頻率的自動(dòng)選擇。3） 測(cè)量電路：RC振蕩電路時(shí)利用555振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電阻和被測(cè)電容頻率化。利用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電感參數(shù)頻率化。通過51單片機(jī)的IO接口自動(dòng)識(shí)別量程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)設(shè)計(jì)電路：本電路使用單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器，11.0592MH

4、z的晶體諧振器直接接在單片機(jī)的時(shí)鐘端口X1和X2，電路中C2、C3為振蕩器的匹配電容。在電阻、電容、電感測(cè)試系統(tǒng)中，用LED等來顯示測(cè)量參數(shù)的類別和電源指示，既簡(jiǎn)單又顯而易見。下面是一個(gè)LED顯示接口電路圖：電路由6個(gè)共陰極數(shù)碼管、兩個(gè)74HC573和一個(gè)ULN2803組成。其中兩個(gè)74HC573分別為段和位的鎖存器。按鍵電路圖：如下圖所示控制R、L、C的三個(gè)按鍵介入一個(gè)10K大小的上拉電阻，起到限流保護(hù)的作用，當(dāng)有鍵按下時(shí)為低電平，無按鍵按下時(shí)為高電平測(cè)量電阻的電路設(shè)計(jì)：根據(jù)題目要求，采用555多諧振電路，將電阻量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻率信號(hào)值。考慮到單片機(jī)對(duì)頻率的敏感度，具體的講就是單片機(jī)對(duì)10H

5、z10KHz的頻率計(jì)數(shù)精度最高。所以要選用合理的電阻和電容大小。同時(shí)又要考慮到不能使電阻的功率過大，所以在選第一個(gè)量程時(shí)取R4=200歐，C8=0.22微法（此時(shí)Rx=100歐為測(cè)量下限）；在第二個(gè)量程取R4=20千歐，C8=1000皮法（此時(shí)Rx=1兆歐為 測(cè)量上限）。 因?yàn)镽C振蕩的穩(wěn)定性可達(dá)0.001，單片機(jī)測(cè)頻率最多誤差一個(gè)脈沖，因此由單片機(jī)測(cè)頻率引起的誤差在0.01以下。 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)在第一個(gè)頻率的記錄中發(fā)現(xiàn)頻率過小，即通過繼電器轉(zhuǎn)換量程。再測(cè)頻率，求Rx值。 誤差分析：因?yàn)?R4+2Rx=1/(ln2)C8f) 所以2Rx=-f/(ln2) C8f*f) 經(jīng)分析知：由于

6、電路中采用了穩(wěn)定性良好的獨(dú)石電容，從理論上講只要使|C8/C8|小于1%，所測(cè)電阻的精度也能小于1%。又由于單片機(jī)程序中采用了多位數(shù)的浮點(diǎn)運(yùn)算，其計(jì)算精度可遠(yuǎn)小于1%。電路分為了兩個(gè)檔：測(cè)量電容的電路設(shè)計(jì)：測(cè)量電容采用的RC振蕩電路與測(cè)電阻的振蕩電路完全一樣。同樣也選用兩個(gè)量程。第一個(gè)量程R1=R2=510千歐；第二個(gè)量程R1=R2=10千歐。這樣可使電容擋的測(cè)量范圍很寬。 誤差分析：同Rx的測(cè)量，有：|Cx/ Cx |= |f /f |+|C/C| 已知|f /f |能滿足1%以下的精度，而精密的金屬膜電阻，其阻值的變化率 |R1/R1|亦滿足1%左右的精度。這樣電容的測(cè)量精度也可以做的比較

7、高。注意：由于建立RC穩(wěn)定振蕩的時(shí)間較長(zhǎng)，在測(cè)量電容和電阻時(shí)，應(yīng)在顯示穩(wěn)定后再讀取參數(shù)值。 電容的測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩路，通過計(jì)算振蕩電路的輸出頻率計(jì)算被測(cè)電容的大小。 電路圖如下所示：測(cè)量電感的電路設(shè)計(jì)：以據(jù)電感的特點(diǎn)，三點(diǎn)式振蕩電路把電感值轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的頻率值。在此處這個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路中，C1,C2分別采用1000皮法和2200皮法的獨(dú)石電容，因其電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶體管極間電容值，所以可把極間電容值忽略。這樣根據(jù)振蕩頻率公式可以確定電感值。 這里要注意：由于單片機(jī)采用6MHz晶振，最快只能計(jì)幾百千赫茲的頻率，所以在測(cè)電感這一檔時(shí)，只能用MSI分頻后送單片機(jī)計(jì)數(shù)。

8、 誤差分析：因?yàn)樗詜L/ L |= |2f/f|+|C/C| 由此可見，因?yàn)閨2f/f|相當(dāng)小，|L/ L |的精度主要取決于電容值的穩(wěn)定性，從理論上講，只要|C/C|小于1%，|L/ L |也就能達(dá)到相應(yīng)的水平。一般而言，電容的穩(wěn)定性，特別是像獨(dú)石電容一類性能比較好的電容，|C/C|都可以滿足小于5%的要求，這樣誤差精度就能保持在-1%+1%以內(nèi)。電路圖如下所示：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4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。硬件電路開關(guān)如下圖：數(shù)據(jù)處理并用數(shù)碼管顯示模塊： 將三個(gè)模塊產(chǎn)生的信號(hào)分別通過三個(gè)不同的I/O口與MCS-51單片機(jī)相連，同時(shí)將數(shù)碼關(guān)于單片機(jī)相應(yīng)的管腳相連接。通過一定的軟件過程將相應(yīng)地被測(cè)量參數(shù)顯示出來。3測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)I/O接口的分配在本設(shè)計(jì)的模塊中，模塊是單片機(jī)的核心，根據(jù)每一個(gè)不同的功能對(duì)R測(cè)量程序的選擇C測(cè)量程序的選擇L測(cè)量程序的選擇以及多路選擇開關(guān)控制選擇、輸入及測(cè)量指示燈來分配接口。主程序流程圖：在電阻、電容、電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，便于直觀性，在數(shù)碼管上顯示被測(cè)參數(shù)的選擇，被測(cè)參數(shù)各個(gè)等的選擇以及具體設(shè)置