基于單片機(jī)的電阻、電容、電感測(cè)試儀

1、1 前言1.1 設(shè)計(jì)的背景及意義目前，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(lái)，在應(yīng)用中我們常常要測(cè)定電阻，電容，電感的大小。因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感測(cè)試儀具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。通常情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測(cè)量是把被測(cè)參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進(jìn)行測(cè)量。電阻測(cè)量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法。比例運(yùn)算器法測(cè)量誤差稍大，積分運(yùn)算器法適用于高電阻的測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡(jiǎn)單，速度快，但精度低；后者測(cè)量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)

2、字化測(cè)量常采用恒流法和比較法。電感測(cè)量可依據(jù)交流電橋法，這種測(cè)量方法雖然能較準(zhǔn)確的測(cè)量電感但交流電橋的平衡過(guò)程復(fù)雜，而且通過(guò)測(cè)量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測(cè)量常采用時(shí)間常數(shù)發(fā)和同步分離法。由于測(cè)量電阻，電容，電感方法多并具有一定的復(fù)雜性，所以本次設(shè)計(jì)是在參考555振蕩器基礎(chǔ)上擬定的一套自己的設(shè)計(jì)方案。是嘗試用555振蕩器將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，這里我們將RLC的測(cè)量電路產(chǎn)生的頻率送入AT89C52的計(jì)數(shù)端端，通過(guò)定時(shí)并且計(jì)數(shù)可以計(jì)算出被測(cè)頻率再通過(guò)該頻率計(jì)算出各個(gè)參數(shù)。1.2 電阻、電容、電感測(cè)試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀當(dāng)今電子測(cè)試領(lǐng)域，電阻，電容和電感的測(cè)量已經(jīng)在測(cè)量技術(shù)和產(chǎn)品

3、研發(fā)中應(yīng)用的十分廣泛。電阻、電容和電感測(cè)試發(fā)展已經(jīng)很久，方法眾多，常用測(cè)量方法如下。電阻測(cè)量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法。比例運(yùn)算器法測(cè)量誤差稍大，積分運(yùn)算器法適用于高電阻的測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡(jiǎn)單，速度快，但精度低；后者測(cè)量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測(cè)量常采用恒流法和比較法。電感測(cè)量可依據(jù)交流電橋法，這種測(cè)量方法雖然能較準(zhǔn)確的測(cè)量電感但交流電橋的平衡過(guò)程復(fù)雜，而且通過(guò)測(cè)量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測(cè)量常采用時(shí)間常數(shù)發(fā)和同步分離法。在我國(guó)1997年0

4、5月21日中國(guó)航空工業(yè)總公司研究出一種電阻、電容、電感在線測(cè)量方法及裝置等電位隔離方法，用于對(duì)在線的電阻、電容、電感元件實(shí)行等電位隔離，其特征在于，(1)將一個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個(gè)電壓跟隨器；(2)將基準(zhǔn)精密電阻(R)的一端與被隔離的在線元件(Zx)的一端通過(guò)導(dǎo)線連接，基準(zhǔn)精密電阻(R)的另一端與信號(hào)源(Vi)或者地連接，被隔離的在線元件(Zx)的另一端通過(guò)導(dǎo)線與地或者信號(hào)源(Vi)連接，基準(zhǔn)精密電阻(R)與被隔離的在線元件(Zx)連接的一端同時(shí)與運(yùn)算放大器的同相輸入端連接；(3)通過(guò)導(dǎo)線將運(yùn)算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點(diǎn)(C)連接，隔離點(diǎn)(C)的確定方法

5、是：在線路板上凡是與被隔離的在線元件(Zx)靠近信號(hào)源(Vi)的一端(A)相連的電阻、電容、電感元件的另一端均為隔離端(C)。中國(guó)本土測(cè)量?jī)x器設(shè)備發(fā)展的主要瓶頸。盡管本土測(cè)試測(cè)量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說(shuō)中國(guó)開(kāi)發(fā)測(cè)試測(cè)量?jī)x器還普遍比較落后。每當(dāng)提起中國(guó)測(cè)試儀器落后的原因，就會(huì)有許多不同的說(shuō)法，諸如精度不高，外觀不好，可靠性差等。實(shí)際上，這些都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國(guó)測(cè)量?jī)x器發(fā)展的瓶頸為：1.測(cè)試在整個(gè)產(chǎn)品流程中的地位偏低。由于人們的傳統(tǒng)觀念的影響，在產(chǎn)品的制造流程中，研發(fā)始終處于核心位置，而測(cè)試則處于從屬和輔助位置。關(guān)于這一點(diǎn)，在幾乎所有的研究機(jī)構(gòu)部門配置上即可窺其一斑。這種錯(cuò)誤觀念上的

6、原因，造成整個(gè)社會(huì)對(duì)測(cè)試的重視度不夠，從而造成測(cè)試儀器方面人才的嚴(yán)重匱乏，造成相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究比較薄弱，這是中國(guó)測(cè)量?jī)x器發(fā)展的一個(gè)主要瓶頸。實(shí)際上，即便是研發(fā)隊(duì)伍本身，對(duì)測(cè)試的重視度以及對(duì)儀器本身的研究也明顯不夠。2.面向應(yīng)用和現(xiàn)代市場(chǎng)營(yíng)銷模式還沒(méi)有真正建立起來(lái)。本土儀器設(shè)備廠商只是重研發(fā)，重視生產(chǎn)，重視狹義的市場(chǎng)，還沒(méi)有建立起一套完整的現(xiàn)代營(yíng)銷體系和面向應(yīng)用的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的營(yíng)銷模式在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)年代里發(fā)揮過(guò)很大作用，但無(wú)法滿足目前整體解方案流行年代的需求。所以，為了快速縮小與國(guó)外先進(jìn)公司之間的差距，國(guó)內(nèi)儀器研發(fā)企業(yè)應(yīng)加速實(shí)現(xiàn)從面向仿制的研發(fā)向面向應(yīng)用的研發(fā)的過(guò)渡。特別是隨著國(guó)內(nèi)應(yīng)用需求的快速

7、增長(zhǎng)，為這一過(guò)渡提供了根本動(dòng)力，應(yīng)該利用這些動(dòng)力，跟蹤應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。3.缺乏標(biāo)準(zhǔn)件的材料配套體系。由于歷史的原因，中國(guó)儀器配套行業(yè)的企業(yè)多為良莠不齊的小型企業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)化的研究也沒(méi)有跟上需求的快速發(fā)展，從而導(dǎo)致儀器的材料配套行業(yè)的技術(shù)水平較低。雖然目前已有較大的改觀，但距離整個(gè)產(chǎn)業(yè)的要求還有一定距離。所以，還應(yīng)把標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的研究放到重要的位置。還有，在技術(shù)水平?jīng)]有達(dá)到的條件下，一味地追求精度或追求高指標(biāo)，而沒(méi)有處理好與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。上述這些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。近年來(lái)我國(guó)測(cè)量?jī)x器的可靠性和穩(wěn)定性問(wèn)題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測(cè)試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過(guò)低谷階段，重新回

8、到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國(guó)本土儀器取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是通用電子測(cè)量設(shè)備研發(fā)方面，與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對(duì)國(guó)外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術(shù)的發(fā)展，為中國(guó)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器行業(yè)帶來(lái)了新的契機(jī)，加上各級(jí)政府日益重視，以及中國(guó)自主應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究的快速進(jìn)展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動(dòng)力和機(jī)遇。從中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒中可以看出，中國(guó)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器每年都以超過(guò)30%以上的速度在快速增長(zhǎng)。在此快速增長(zhǎng)的過(guò)程中，無(wú)疑催生出了許多測(cè)試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。1.3 本設(shè)計(jì)所做的工作本設(shè)計(jì)是以555為核心的振蕩電路，將被測(cè)參數(shù)模

9、擬轉(zhuǎn)化為頻率，并利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算頻率，所以，本次設(shè)計(jì)需要做好以下工作：(1)學(xué)習(xí)單片機(jī)原理等資料。(2)學(xué)習(xí)PROTEL99E, KEL3.0等工具軟件的使用方法。(3)設(shè)計(jì)測(cè)量電阻，電容，電感的振蕩電路。(4)設(shè)計(jì)測(cè)量LED動(dòng)態(tài)顯示電路。(5)設(shè)計(jì)測(cè)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(jìn)行實(shí)際測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果。2 電阻、電容、電感測(cè)試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 電阻、電容、電感測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案比較電阻、電容、電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)可用多種方案完成，例如利用模擬電路，電阻可用比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時(shí)間常數(shù)

10、發(fā)和同步分離法等、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合或CPLD與EDA相結(jié)合等等來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)前對(duì)各種方案進(jìn)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(fù)雜，所用器件較多，靈活性差，測(cè)量精度低，現(xiàn)在已較少使用。 2)可編程邏輯控制器(PLC) 應(yīng)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(shè)計(jì)中可采用PLC對(duì)硬件進(jìn)行控制，但是用PLC實(shí)現(xiàn)價(jià)格相對(duì)昂貴，因而成本過(guò)高。3)采用CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語(yǔ)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(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真，并

11、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。4)利用振蕩電路與單片機(jī)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，而電感則是根據(jù)電容三點(diǎn)式電路也轉(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，另一方面便于使儀表實(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)。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

12、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(lái)進(jìn)行。2.2 系統(tǒng)的原理框圖本設(shè)計(jì)中，考慮到單片機(jī)具有物美價(jià)廉、功能強(qiáng)、使用方便靈活、可靠性高等特點(diǎn)，擬采用MCS - 51系列的單片機(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感測(cè)試儀的控制。系統(tǒng)分四大部分：測(cè)量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。通過(guò)P1.3和P1.4向模擬開(kāi)關(guān)送兩位地址信號(hào)，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測(cè)頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2-1如下所示。圖2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖框圖各部分說(shuō)明如下：1)控制部分：本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，采用89C51單片機(jī)，利用其管腳的特殊功能以及

13、所具備的中斷系統(tǒng)，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(yáng)極方式來(lái)連接，直觀易懂，操作也簡(jiǎn)單。數(shù)碼管顯示：本設(shè)計(jì)中有1個(gè)74HC02、2個(gè)74LS573、1個(gè)2803驅(qū)動(dòng)和6個(gè)數(shù)碼管，采用共陽(yáng)極方式連接構(gòu)成動(dòng)態(tài)顯示部分，降低功耗。鍵盤：本設(shè)計(jì)中有Sr，Sc，SL三個(gè)按鍵，可靈活控制不同測(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(guò)單片機(jī)控制CD4052模擬開(kāi)關(guān)來(lái)控制被測(cè)頻率的自動(dòng)選擇。3)測(cè)量電路：RC震蕩電路是利用555振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電阻和被測(cè)電容頻率化。電容三點(diǎn)式振蕩電路是利用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電感參數(shù)頻率化。通過(guò)5

14、1單片機(jī)的IO口自動(dòng)識(shí)別量程切換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。3 電阻、電容、電感測(cè)試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 MCS-51單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，考慮到單片機(jī)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(shí)現(xiàn)。另外，本設(shè)計(jì)還需要利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)具有極大的必要性。在硬件設(shè)計(jì)中，選用MS-51系列單片機(jī)，其各個(gè)I/O口分別接有按鍵、LED燈、七位數(shù)碼管等，通過(guò)軟件進(jìn)行控制。MCS-51單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)

15、/計(jì)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(shuō)明：1)中央處理器：中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)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(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)：內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)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(wèn)，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(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。3)程序存儲(chǔ)器(ROM)

16、：共有4096個(gè)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(shí)/計(jì)數(shù)器(ROM)：有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)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(P0、 P1、P2或P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。6)全雙工串行口：內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)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(dāng)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(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串口中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。8)時(shí)鐘電路：內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整

17、個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的設(shè)計(jì)電路如下圖3-1所示：圖3-1單片機(jī)的設(shè)計(jì)電路本電路使用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器，11.0592MHz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。該電路簡(jiǎn)單，工作可靠。另外本系統(tǒng)的容阻上電復(fù)位，就是利用RC電路的充電過(guò)程來(lái)給單片機(jī)復(fù)位。RC電路的時(shí)間常數(shù)計(jì)算公式：T=RC (3-1)即：T=RC=10u*10k=100ms。當(dāng)需要復(fù)位時(shí)，也可以按下復(fù)位按鍵，進(jìn)行復(fù)位。3.2 LED數(shù)碼管電路與鍵盤電路的設(shè)計(jì)在電阻、電容、電感測(cè)試系統(tǒng)中，用LED燈來(lái)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(jiàn)。與小白熾燈泡和氖燈相比，

18、LED的特點(diǎn)是：工作電壓很低(有的僅一點(diǎn)幾伏)；工作電流很小(有的僅零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光)；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào)制通過(guò)的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。由于有這些特點(diǎn)，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中常常用作光源。在本設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)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(jī)的ROM中。由于測(cè)試指示燈為發(fā)光二極管且陽(yáng)極通過(guò)限流電阻與電源正極相接，所以為共陽(yáng)極。因此 I/0口輸出低電平時(shí)，與之相連的相應(yīng)指示燈會(huì)亮；I/0口輸出高電平時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)滅。發(fā)光二極管的接口電路如圖3-2所示：圖3-2 發(fā)光二極管的接口電路發(fā)光二極

19、管的設(shè)計(jì)中，每個(gè)二極管與單片機(jī)接口間有一個(gè)電阻，其阻值至少為180歐。按3.3V時(shí)的工作電流15mA來(lái)計(jì)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/0.015A=180歐，且電阻的功率為P=UI=2.7V*0.015A=0.041W。另外，在本設(shè)計(jì)中，LED應(yīng)用于七位數(shù)碼管中，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)參數(shù)的顯示，七位數(shù)碼管以共陰極的方式經(jīng)過(guò)74LS573鎖存器與單片機(jī)的P0口相連。六位數(shù)碼管顯示被測(cè)參數(shù)的示值從左到右依次代表十萬(wàn)、萬(wàn)、千、百、十和個(gè)位，這樣顯示結(jié)果更為簡(jiǎn)單可行。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此

20、根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。1)靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)，靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)使編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高。2)動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形

21、，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。經(jīng)過(guò)對(duì)兩種顯示方式的比較分析：靜態(tài)方式需要大量I/O，而動(dòng)態(tài)掃描顯示方式能夠節(jié)省大量的I/O口，且電路結(jié)構(gòu)也比較

22、簡(jiǎn)單，顯示效果良好，因此最終采用動(dòng)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(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(gè)或非門相類似，都是兩個(gè)輸入端的其中一端接在單片機(jī)的16管腳(WR)，而另一端分別接在P2.5P2.6。單片機(jī)片選電路如圖3-3所示。圖3-3 單片機(jī)片選電路或非門片選電路分析：當(dāng)單片機(jī)通過(guò)P0口總線輸出數(shù)據(jù)時(shí)，16管腳(WR)為低電平“0”，片選信號(hào)端P2.5P2.7中，要被片選端為“0”，其它為“1”，這樣三個(gè)或非門中，只有需要片選中或非門的輸出為高電平“1”

23、，其它兩個(gè)或非門的輸出信號(hào)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(shí)現(xiàn)片選功能。在本設(shè)計(jì)中，LED顯示接口電路如下圖3-4所示：圖3-4LED顯示接口電路電路由6個(gè)共陰極數(shù)碼管、兩個(gè)74HC573和一個(gè)ULN2803組成。兩個(gè)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(hào)來(lái)自最小系統(tǒng)AT89S52的P2.5和P2.6，由此可以計(jì)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(dá)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(dòng)態(tài)顯示方式，ULN28

24、03在位碼數(shù)據(jù)鎖存器后連接八個(gè)數(shù)碼管的COM端，可以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的能力，使數(shù)碼管的顯示效果更好。本設(shè)計(jì)中設(shè)置了Sr,Sc,SL三個(gè)按鍵，利用單片機(jī)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(jī)的ROM中用于啟動(dòng)各個(gè)被測(cè)參數(shù)程序的調(diào)整。見(jiàn)圖3-5按鍵電路所示圖3-5 按鍵電路控制R、L、C的三個(gè)按鍵接入一個(gè)10K大小的上拉電阻，起限流保護(hù)作用。當(dāng)有鍵按下時(shí)為低電平，無(wú)鍵按下時(shí)則為高電平。3.3測(cè)量電阻、電容電路的設(shè)計(jì)3.3.1 555定時(shí)器簡(jiǎn)介555定時(shí)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

25、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(shí)被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制等方面。1)555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6(A)部分及管腳排列如圖(B)部分所示。圖3-6 定時(shí)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(gè)5K的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器A1、A2提供參考電壓，比較器A1的參考電壓為，加在同相輸入端，比較器A2的參考電壓為，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放A1、A2組成。高電平觸發(fā)信號(hào)加在A1的反相輸

26、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)器端的輸入信號(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)加在A2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(hào)。基本R-S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器A1、A2的輸出端控制。2)多諧振蕩器工作原理由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3-7(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3-7 震蕩器工作原理設(shè)電容的初始電壓Uc0，t0時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端VTHVTL0，比較器A1輸出為高電平，A2輸出為低電平，即=1，=0(1表示高電位，0表示低電位)，R-S觸發(fā)器置1

27、，定時(shí)器輸出u0=1此時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源Vcc經(jīng)R1，R2向電容C充電，uc逐漸升高。當(dāng)uc上升到時(shí)，A2輸出由0翻轉(zhuǎn)為1，這時(shí)=1，R-S觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<t1期間，定時(shí)器輸出u0為高電平1。時(shí)刻，uc上升到，比較器A1的輸出由1變?yōu)?，這時(shí)=0，=1，R-S觸發(fā)器復(fù)0，定時(shí)器輸出u0=0。期間，放電三極管T導(dǎo)通，電容C通過(guò)R2放電。uc按指數(shù)規(guī)律下降,當(dāng)時(shí)比較器A1輸出由0變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的=1，Q的狀態(tài)不變，u0的狀態(tài)仍為低電平。時(shí)刻，uc下降到，比較器A2輸出由1變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的=1，=0，觸發(fā)器處于1，定時(shí)器輸出u0=1。此時(shí)電源再

28、次向電容C放電，重復(fù)上述過(guò)程。通過(guò)上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出u0=1，電容放電時(shí)，u0=0，電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無(wú)外部信號(hào)輸入，卻能輸出矩形波，其實(shí)質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?)振蕩周期由圖(D)可知，振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時(shí)間，T2為電容放電時(shí)間。充電時(shí)間：(3-2)放電時(shí)間：(3-3)矩形波的振蕩周期：(3-4)因此改變R1、R2和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。對(duì)于矩形波，除了用幅度，周期來(lái)衡量外，還有一個(gè)參數(shù)：占空比q，q=(脈寬tw)/(周期T)，tw指輸出一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的時(shí)間。圖（C）所示電路

29、輸出矩形波的占空比：(3-5)測(cè)量電阻電路的設(shè)計(jì)定時(shí)器555是一種用途很廣的集成電路，只需外接少量R、C元件，就可以構(gòu)成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器。電阻的測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)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：(3-6)得出：(3-7)即：(3-8)電路分為2檔：1、100Rx<1000 ：按下電阻測(cè)試建Sr，閉合開(kāi)關(guān)Srd,R2=330,C2=0.22uF：(3-9)2、1000Rx <1M：按下電阻測(cè)試建Sr，閉合開(kāi)關(guān)Srg,R1=20K,C3=103pF：(3-10)電阻測(cè)試電路見(jiàn)圖3-8所示

30、。圖3-8 電阻測(cè)試電路測(cè)量電容電路的設(shè)計(jì)電容的測(cè)量同樣采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)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：(3-11)我們?cè)O(shè)置 R1=R2,得出：(3-12)即：(3-13)電路分為1檔：R4=510K,R4=R6；(3-14)電容測(cè)試電路見(jiàn)圖3-9所示。圖3-9 電容測(cè)試電路3.4測(cè)量電感電路的設(shè)計(jì)及仿真測(cè)量電感電路的設(shè)計(jì)電感的測(cè)量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來(lái)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，

31、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：(3-15)即：(3-16)(3-17)電感測(cè)試電路見(jiàn)圖3-10所示。圖3-10 電感測(cè)試電路測(cè)量電感電路的仿真PSpice仿真軟件簡(jiǎn)介：這次設(shè)計(jì)中主要用到Pspice軟件中的電路原理圖編輯程序Schematics模塊和輸出結(jié)果繪圖程序Probe模塊。其中在電路原理圖編輯程序Schematics模塊中PSPICE的輸入有兩種形式，一種是網(wǎng)單文件(或文本文件)形式，一種是電路原理圖形式，相對(duì)而言后者比前者較簡(jiǎn)單直觀，它既可以生成新的電路原理圖文件，又可以打

32、開(kāi)已有的原理圖文件。電路元器件符號(hào)庫(kù)中備有各種原器件符號(hào)，除了電阻，電容，電感，晶體管，電源等基本器件及符號(hào)外，還有運(yùn)算放大器，比較器等宏觀模型級(jí)符號(hào)，組成電路圖，原理圖文件后綴為.sch。圖形文字編輯器自動(dòng)將原理圖轉(zhuǎn)化為電路網(wǎng)單文件以提供給模擬計(jì)算程序運(yùn)行仿真。而在輸出結(jié)果繪圖程序Probe模塊中Probe程序是PSPICE的輸出圖形后處理軟件包。該程序的輸入文件為用戶作業(yè)文本文件或圖形文件仿真運(yùn)行后形成的后綴為.dat的數(shù)據(jù)文件。它可以起到萬(wàn)用表，示波器和掃描儀的作用，在屏幕上繪出仿真結(jié)果的波形和曲線。隨著計(jì)算機(jī)圖形功能的不斷增強(qiáng)，PC機(jī)上windows95,98,2000/XP的出現(xiàn)，P

33、robe的繪圖能力也越來(lái)越強(qiáng)。利用PSpice仿真軟件對(duì)電容三點(diǎn)式振蕩電路的仿真原理如圖3-11，雙擊XSC1后可查看仿真波形，仿真波形如圖3-12所示。圖3-11仿真原理圖圖3-12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(cè)量，把該波形通過(guò)555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器整形為方波，送入單片機(jī)T1口進(jìn)行頻率計(jì)算。3.5 多路選擇開(kāi)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(kāi)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

34、了某一通道的頻率后，Y輸出頻率通過(guò)T1送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到要被測(cè)值，多路選擇開(kāi)關(guān)控制如表3-1 所示。表3-1 多路選擇開(kāi)關(guān)控制P1.4 P1.3 測(cè)量類別00Y0-R01Y1-C10Y2-L11*表3-1中*表示未定義此功能。多路選擇開(kāi)關(guān)硬件電路如圖3-13所示。圖3-13 多路選擇開(kāi)關(guān)4 電阻、電容、電感測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)4.1 I/O口的分配P1.0 R測(cè)量程序的選擇P1.1 C測(cè)量程序的選擇P1.2 L測(cè)量程序的選擇多路選擇開(kāi)關(guān)控制選擇P1.0、P1.1和P1.2按鍵輸入及測(cè)量指示燈開(kāi)始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵功能有無(wú)按鍵操？作？有無(wú)在本設(shè)計(jì)的模塊中，模塊是以單片機(jī)為核心，再通過(guò)按鍵

35、控制測(cè)量的被測(cè)參數(shù)在數(shù)碼管顯示，按鍵主流程圖如4-1所示。圖4-1按鍵主程序流程圖4.2 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)燈的選擇以及具體設(shè)置。通過(guò)三個(gè)按鍵Sr,Sc,SL來(lái)進(jìn)行靈活控制，具體操作流程如4-2所示。開(kāi)始初始化鍵掃描健分析，置狀態(tài)R測(cè)試狀態(tài)C測(cè)試狀態(tài)L測(cè)試狀態(tài)開(kāi)中斷定時(shí)器設(shè)置通道及指示燈的設(shè)置采值并計(jì)算顯示結(jié)束NoYes圖4-2 RLC測(cè)試儀的軟件流程圖首先插入被測(cè)元件，開(kāi)關(guān)打開(kāi)以后，按下SET鍵，進(jìn)行復(fù)位，然后進(jìn)行按鍵選擇，選擇被測(cè)參數(shù)類別，之后單片機(jī)根據(jù)按鍵類別啟動(dòng)相應(yīng)的參數(shù)測(cè)試程序，測(cè)試完畢后將結(jié)果送入數(shù)碼

36、管顯示。4.3 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(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的校正來(lái)完成。單片機(jī)對(duì)頻率測(cè)量的原理如下圖4-3所示。圖4-3 測(cè)頻率原理圖示說(shuō)明：圖4-3中t1時(shí)刻檢測(cè)到高電平開(kāi)定時(shí)器1，開(kāi)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(lái)，當(dāng)檢測(cè)到高電平時(shí)開(kāi)定時(shí)器開(kāi)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，但我們測(cè)得是頻率，故在程序中藥繼續(xù)檢測(cè)等待下一個(gè)高電平的到來(lái)，此時(shí)

37、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(guò)數(shù)據(jù)處理便得到輸入信號(hào)的頻率。程序流程圖如圖4-4所示。開(kāi)始程序初始化數(shù)據(jù)處理開(kāi)定時(shí)器TR=1fw是否為1fw是否為1fw是否為0結(jié)束NNNYYY圖4-4 頻率計(jì)算程序流程圖6 結(jié)論與展望通過(guò)對(duì)電阻、電容、電感測(cè)試儀的課程設(shè)計(jì)，鍛煉了我的實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)了我們解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。本設(shè)計(jì)的硬件電路圖簡(jiǎn)單,可降低生產(chǎn)成本。采用單片機(jī)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(hù)方便，而且以MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心的設(shè)

38、計(jì)能夠滿足了整個(gè)系統(tǒng)的工作需求，555振蕩器實(shí)現(xiàn)了被測(cè)電阻和被測(cè)電容參數(shù)的頻率化，電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)了被測(cè)電感參數(shù)的頻率化，被測(cè)頻率通過(guò)CD4052模擬開(kāi)關(guān)送入單片機(jī)計(jì)數(shù)，再經(jīng)過(guò)顯示電路顯示被測(cè)參數(shù)的測(cè)量值，軟件用C語(yǔ)言編程，根據(jù)具體情況控制啟動(dòng)被測(cè)參數(shù)的相應(yīng)程序,能靈活控制被測(cè)參數(shù)的檔位切換。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)各個(gè)模塊都能正常共組，成功地達(dá)到了設(shè)計(jì)的硬件要求。系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種工作狀態(tài)的關(guān)鍵。通過(guò)結(jié)合硬件電路，在Keil51的平臺(tái)上，使用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程編寫了系統(tǒng)應(yīng)用程序，使程序能夠正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求?？傊麄€(gè)系統(tǒng)的工作正常，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)的全部要求。雖然本系統(tǒng)完

39、成了設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求，但其中仍然存在著很多需要改進(jìn)的地方。作品實(shí)測(cè)中，測(cè)量電容值有一定的誤差，而且C值越大時(shí)誤差越大，該誤差則是來(lái)源于振蕩電路產(chǎn)生的頻率和單片機(jī)程序上的誤差。希望在之后的設(shè)計(jì)之中能夠得到進(jìn)一步解決。在人機(jī)交換方面，顯示部分可以改用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)顯示更加清晰、更加人性化。附錄附錄一系統(tǒng)原理圖附圖附錄二源程序源程序：#include <reg52.h>#include <stdio.h>#include <math.h>#include <absacc.h>unsigned char inte=0; /頻率

40、值溢出定時(shí)器值unsigned long int uu=0; /頻率相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值unsigned long int ff=0; /實(shí)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 LEDSEGXBYTE0xbfff#define LEDDATXBYTE0xdfff/* 按鍵 */sbit sl=P10;sbit sc=P11;sbit sr=P12;sbit fw=P35;sbit srg=P15;sbit srd=P16; v

41、oid delay_5ms()uchar i,j;for(j=0;j<5;j+)for(i=0;i<125;i+);void delay_50us() uchar i;for (i=0; i<6; i+);void display(uchar num,uchar seg)switch(num)case 1:num=0x06;break;case 2:num=0x5b;break;case 3:num=0x4f;break;case 4:num=0x66;break;case 5:num=0x6d;break;case 6:num=0x7d;break;case 7:num=0

42、x07;break;case 8:num=0x7f;break;case 9:num=0x6f;break;case 0:num=0x3f;break;default :num=0x00;break;switch(seg)case 1:seg=0x01;break;case 2:seg=0x02;break;case 3:seg=0x04;break;case 4:seg=0x08;break;case 5:seg=0x10;break;case 6:seg=0x20;break;default :seg=0x00;break;LEDSEG=seg;delay_50us();LEDDAT=num;delay_50us();void timer1(void) interrupt 3TL1=0x00;TH1=0x00;void cafrequent(void)reentrant long int l1=0x00; long int h1=0x00; float tt=0; /tt用于計(jì)算頻率 TMOD=(TM