陳健升——電容、電阻參數(shù)單片機測試系統(tǒng)的設計

1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 通信電子線路課程設計 題 目 電容、電阻參數(shù)單片機測試系統(tǒng)的設計 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 通信08-1 學生姓名 陳健升 學生學號 指導教師 張玉波 李宏 2010年 7月 31 日大慶石油學院課程設計任務書課程 通信電子線路課程設計 題目 電容、電阻參數(shù)單片機測試系統(tǒng)的設計 專業(yè) 通信工程 姓名 陳健升 學號 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：本文章主要闡述以89C51單片機為核心的電阻、電容測試儀。通過系統(tǒng)內(nèi)的電阻、電容測量電路，將電阻，電容的參數(shù)R、C轉(zhuǎn)化為頻率并計算，從而實現(xiàn)對電阻，電容參數(shù)的測量?；疽螅?1)測量范

2、圍：電阻1001M;電容100pF10000pF。(2)測量精度：±5%。主要參考資料： 1申忠如，郭福田，丁暉現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)設計M西安：西安交通大學出版社，2006.22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 3張毅剛.MCS-51單片機應用系統(tǒng)M.哈爾濱工業(yè)大學出版社，19974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，20015肖洪兵.跟我學用單片機M.北京航空航天大學出版社，20026李桂安.電子技術(shù)實驗及課程設計M.東南大學出版社，2008完成期限 2010.7.26 2010.8.6 指導教師 專業(yè)負責人 2010年 7 月 26

3、 日摘要隨著電子工業(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，在應用中本設計常常要測定電阻，電容的大小。因此，設計可靠，安全，便捷的電阻，電容，有極大的現(xiàn)實必要性。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。電阻和電容的測量是采用555多諧震蕩電路產(chǎn)生的，定時器可以利用外部的時鐘源來計數(shù)，這里本設計將RC的測量電路產(chǎn)生的頻率作為單片機的時鐘源，通過定時和計數(shù)可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出各個參數(shù)。本系統(tǒng)是通過16位單片機89C51測量電阻、電容對應震蕩電路所產(chǎn)生的頻率實現(xiàn)各個參數(shù)的測量，一方面可

4、以提高測量精度，另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，而且還能加入語音播報的功能使其更加智能化。 關(guān)鍵詞：單片機，555多諧振蕩電路，LED動態(tài)顯示模塊，電容三點式振蕩目錄1.設計要求22.方案比較與論證22.1電阻、電容測試儀設計方案的比較22.2方案論證33.系統(tǒng)原理和參數(shù)計算33.1系統(tǒng)原理33.2參數(shù)計算53.2.1電阻測量電路53.2.2電容測量電路54.電路的工作原理54.1 555定時器簡介54.2 電阻測試電路74.3 電容測量電路84.4 多路選擇開關(guān)設計94.5 89C51單片機電路104.6 發(fā)光二級管接口電路124.7 LED顯示接口電路134.8 電路總原理圖155.總結(jié)16

5、6.系統(tǒng)需要的元器件清單16參考文獻171.設計要求設計一個能測量電容、電阻參數(shù)的測試系統(tǒng)。具體要求：(1)測量范圍：電阻1001M;電容100pF10000pF。(2)測量精度：±5%。(3)選定設計方案，畫出系統(tǒng)框圖，寫出詳細的設計過程。(4) 利用Protel DXP軟件畫出一套完整的設計電路圖，并列出所有的元件清單。2.方案比較與論證2.1電阻、電容測試儀設計方案的比較電阻、電容測試儀的設計可用多種方案完成，例如利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算器法，電容可用恒流法和比較法，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)合等等來實現(xiàn)。在設

6、計前對各種方案進行了比較：1)利用純模擬電路雖然避免了編程的麻煩，但電路復雜，所用器件較多，靈活性差，測量精度低，現(xiàn)在已較少使用。 2)可編程邏輯控制器(PLC) 應用廣泛，它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設計中可采用PLC對硬件進行控制，但是用PLC實現(xiàn)價格相對昂貴，因而成本過高。 3)采用CPLD或FPGA實現(xiàn)應用目前廣泛應用的VHDL硬件電路描述語言，實現(xiàn)電阻，電容，電感測試儀的設計，利用MAXPLUSII集成開發(fā)環(huán)境進行綜合、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)復雜。4)利用振蕩電路與

7、單片機結(jié)合利用555多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)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是單片機很容易處理的數(shù)字量，一方面測量精度高，另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，而且單片機構(gòu)成的應用系統(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)模的應用系統(tǒng)，且應用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(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)，而且設計時間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機結(jié)合實現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀更為簡便可行，節(jié)約成本。所以，本次設計選定以單片機為核心來進行。2.2方案論證測量電子元器件集中參數(shù)R、C的儀表種類較多，方法也各有不同，但都

8、有其優(yōu)缺點，一般的測量方法都存在計算復雜、不易實現(xiàn)自動測量而且很難實現(xiàn)智能化。在這里本設計著重要介紹的是把電子元件的參數(shù)R、C轉(zhuǎn)換成頻率信號f，然后用單片機計數(shù)后再運算求出R、C，并送顯示，轉(zhuǎn)換原理是RC振蕩，這樣就能把模擬量近似轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化的處理便于使儀表實現(xiàn)智能化。方案中用到的單片機是16位單片機89C51，由于該CPU具有豐富的I/O口和豐富的時基信號，為本設計提供了極大的方便，其中可以利用I/O口置高低電平來實現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換，由于單片機89C51的定時器可以通過外部時鐘源來計數(shù)，本設計便可以將555電路產(chǎn)生的頻率作為89C51的定時器的時鐘

9、源，這樣就很容易得到被測R/C對應產(chǎn)生的頻率。而且89C51具有語音處理功能，本設計在顯示的基礎上還可以加入語音播報，使得整個測量過程更加智能化。同時89C51還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)，而且設計時間短，成本低，可靠性高。3.系統(tǒng)原理和參數(shù)計算3.1系統(tǒng)原理系統(tǒng)分三大部分：測量電路、通道選擇和控制電路，如下圖所示。被測電容RC振蕩電路振蕩電路多路選擇開關(guān)CD4052被測電阻RC振蕩電路振蕩電路單片機二極管指示數(shù)字顯示語音播報f0f0量程切換Addrdr測量頻率控制部分通道選擇測量電路圖1 系統(tǒng)設計框圖框圖各部分說明如下：1)控制部分：本設計以單片機為核心，采用89C51單

10、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：本設計中，設置了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：本設計中有1個74HC02、2個74LS573、1個2803驅(qū)動，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

11、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。3.2參數(shù)計算3.2.1電阻測量電路555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： （1）·得出： （2）即： （3）3.2.2電容測量電路555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： （4）得出： （5）即： （6）4.電路的工作原理4.1 555定時器簡介555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時被廣泛應用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。555定時器

12、是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)它由分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個5K的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器、提供參考電壓，比較器的參考電壓為，加在同相輸入端，比較器的參考電壓為，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運放、組成。高電平觸發(fā)信號加在的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R-S觸發(fā)器RD端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R-S觸發(fā)器端的輸入信號?；綬-S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器的、輸出端控制。4.2 電阻測試

13、電路電阻的測量采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。電路分為2檔：1、100Rx<1000 ：閉合開關(guān)Srd,R2=330,C2=0.22uF： （7）2、1000Rx <1M ：閉合開關(guān)Srg,R1=20K,C3=103pF： （8）電阻測試電路見圖3所示。圖3 電阻測量電路4.3 電容測量電路電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電容的大小。電路分為1檔：R4=510K,R4=R6； （9）電容測試電路見圖所示。圖4 電容測量電路4.4 多路選擇開關(guān)設計利用CD

14、4052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INH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P1.4P1.3測量類別00Y0-R01Y1-C10Y2-L11未定義多路選擇開關(guān)硬件電路如圖5所示。圖5 多路選擇開關(guān)4.5 89C51單片機電路在本設計中，考慮到單片機89C51構(gòu)成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應

15、用系統(tǒng)，且應用系統(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89C51為核心進行設計具有極大的必要性。單片機89C51包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在分別加以說明：1)中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能

16、等操作。2)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。3)程序存儲器(ROM)：共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。4)定時/計數(shù)器(ROM)：有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。5)并行輸入輸出(I/O)口：共有4組8位I/O口，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。6)全雙工串行口：內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設

17、備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。7)中斷系統(tǒng)：具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串口中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。8)時鐘電路：內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序。單片機電路圖如圖6所示。圖6 單片機電路4.6 發(fā)光二級管接口電路在電阻、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。與小白熾燈泡和氖燈相比，LED的特點是：工作電壓很低(有的僅一點幾伏)；工作電流很小(有的僅零點幾毫安即可發(fā)光)；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命

18、長；通過調(diào)制通過的電流強弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強弱。由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些光電控制設備中常常用作光源。在本設計中，利用單片機的P0.0、P0.1口直接和發(fā)光二極管相連接，控制程序放在單片機的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，與之相連的相應指示燈會亮；I/0口輸出高電平時，相應的指示燈會滅。發(fā)光二極管的接口電路如圖7所示：圖7 發(fā)光二極管接口電路4.7 LED顯示接口電路電路由2個或非門、兩個74HC573和一個ULN2803組成?；蚍情T片選作用：當單片機通過總線輸出數(shù)據(jù)時，18管腳為低電平“0”，片選信號端

19、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。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。LED顯示接口電路如圖8所示。圖8 LED顯示接口電路4.8 電路總原理圖電路總原理圖如圖9

20、所示。圖9 電路總原理圖5.總結(jié)課程設計是一次非常好的將理論與實際相結(jié)合的機會，通過對電阻、電容、電感測試儀的課題設計，鍛煉了我的實際動手能力，增強了我解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。本設計的硬件電路圖簡單,可降低生產(chǎn)成本。采用單片機可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)的體積,調(diào)試和維護方便，而且以單片機最小系統(tǒng)為核心的設計能夠滿足了整個系統(tǒng)的工作需求，555振蕩器實現(xiàn)了被測電阻和被測電容參數(shù)的頻率化。雖然本系統(tǒng)完成了設計設計要求，但其中仍然存在著很多需要改進的地方。作品實測中，測量電容值有一定的誤差，而且C值越大時誤差越大，該誤差則是來源于振蕩電路產(chǎn)生的頻率和單片機程序上的誤差。希望在之后的設計之中能夠得到進一步解決。6.系統(tǒng)需要的元器件清單表2 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注電阻R1-R4、R6、Rv2