基于PIC單片機的電阻電容電感測試儀

目錄PAGE7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，在應用中我們常常要測定電阻，電容，電感的大小。因此，設計可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感測試儀具有極大的現(xiàn)實必要性。在系統(tǒng)硬件設計中，以MCS-51單片機為核心的電阻、電容、電感測試儀，將電阻，電容，電感，使用對應的振蕩電路轉化為頻率實現(xiàn)各個參數(shù)的測量。其中電阻和電容是采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生的，而電感則是根據(jù)電容三點式產(chǎn)生的，將振蕩頻率送入STC89C52的計數(shù)端端，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出被測參數(shù)。在系統(tǒng)的軟件設計是以Keil51為平臺，使用C語言編程編寫了系統(tǒng)應用軟件；包括主程序模塊、顯示模塊、電阻測試模塊、電容測試模塊和電感測試模塊。最后，實際制作了一臺樣機，在實驗室里進行了測試，結果表明該樣機的功能和指標得到了設計要求。關鍵詞：單片機，555多諧振蕩電路，LCD顯示模塊，電容三點式振蕩目錄1前言 11.1設計的背景及意義 11.2電阻、電容、電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 11.3本設計所做的工作 31.4本論文的結構安排 32電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)設計 52.1電阻、電容、電感測試儀設計方案比較 52.2系統(tǒng)的原理框圖 53電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計 73.1MCS-51單片機電路的設計 73.2顯示電路與按鍵電路的設計 93.3測量電阻、電容電路的設計 133.3.1555定時器簡介 133.3.2測量電阻電路的設計 153.3.3測量電容電路的設計 163.4測量電感電路的設計及仿真 173.4.1測量電感電路的設計 173.4.2測量電感電路的仿真 3.5多路選擇開關電路的設計 184電阻、電容、電感測試儀的軟件設計 204.1I/O口的分配 204.2主程序流程圖 204.3頻率參數(shù)計算的原理 225PCB板的設計與系統(tǒng)的調試 245.1PROTEL99SE的介紹與PCB板的設計 245.2系統(tǒng)調試與系統(tǒng)測試 255.2.1系統(tǒng)軟件調試 255.2.2系統(tǒng)硬件調試 265.2.3系統(tǒng)測試 296結論與展望 32致謝 33參考文獻 34附錄 35附錄一系統(tǒng)原理圖及PCB 35附錄二源程序 37電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)設計1前言1.1設計的背景及意義目前，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，在應用中我們常常要測定電阻，電容，電感的大小。因此，設計可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感測試儀具有極大的現(xiàn)實必要性。通常情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進行測量。電阻測量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測量技術的發(fā)展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法和比較法。電感測量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖然能較準確的測量電感但交流電橋的平衡過程復雜，而且通過測量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法。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。是嘗試用555振蕩器將被測參數(shù)轉化為頻率，這里我們將RLC的測量電路產(chǎn)生的頻率送入AT89C52的計數(shù)端端，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率再通過該頻率計算出各個參數(shù)。1.2電阻、電容、電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀當今電子測試領域，電阻，電容和電感的測量已經(jīng)在測量技術和產(chǎn)品研發(fā)中應用的十分廣泛。電阻、電容和電感測試發(fā)展已經(jīng)很久，方法眾多，常用測量方法如下。電阻測量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測量技術的發(fā)展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法和比較法。電感測量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖然能較準確的測量電感但交流電橋的平衡過程復雜，而且通過測量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法。在我國1997年05月21日中國航空工業(yè)總公司研究出一種電阻、電容、電感在線測量方法及裝置等電位隔離方法，用于對在線的電阻、電容、電感元件實行等電位隔離，其特征在于，(1)將一個運算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個電壓跟隨器；(2)將基準精密電阻(R)的一端與被隔離的在線元件(Z↓[x])的一端通過導線連接，基準精密電阻(R)的另一端與信號源(V↓[i])或者地連接，被隔離的在線元件(Z↓[x])的另一端通過導線與地或者信號源(V↓[i])連接，基準精密電阻(R)與被隔離的在線元件(Z↓[x])連接的一端同時與運算放大器的同相輸入端連接；(3)通過導線將運算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點(C)連接，隔離點(C)的確定方法是：在線路板上凡是與被隔離的在線元件(Z↓[x])靠近信號源(V↓[i])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)。中國本土測量儀器設備發(fā)展的主要瓶頸。盡管本土測試測量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說中國開發(fā)測試測量儀器還普遍比較落后。每當提起中國測試儀器落后的原因，就會有許多不同的說法，諸如精度不高，外觀不好，可靠性差等。實際上，這些都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國測量儀器發(fā)展的瓶頸為：1.測試在整個產(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，而測試則處于從屬和輔助位置。關于這一點，在幾乎所有的研究機構部門配置上即可窺其一斑。這種錯誤觀念上的原因，造成整個社會對測試的重視度不夠，從而造成測試儀器方面人才的嚴重匱乏，造成相關的基礎科學研究比較薄弱，這是中國測量儀器發(fā)展的一個主要瓶頸。實際上，即便是研發(fā)隊伍本身，對測試的重視度以及對儀器本身的研究也明顯不夠。2.面向應用和現(xiàn)代市場營銷模式還沒有真正建立起來。本土儀器設備廠商只是重研發(fā)，重視生產(chǎn)，重視狹義的市場，還沒有建立起一套完整的現(xiàn)代營銷體系和面向應用的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的營銷模式在計劃經(jīng)濟年代里發(fā)揮過很大作用，但無法滿足目前整體解方案流行年代的需求。所以，為了快速縮小與國外先進公司之間的差距，國內儀器研發(fā)企業(yè)應加速實現(xiàn)從面向仿制的研發(fā)向面向應用的研發(fā)的過渡。特別是隨著國內應用需求的快速增長，為這一過渡提供了根本動力，應該利用這些動力，跟蹤應用技術的快速發(fā)展。3.缺乏標準件的材料配套體系。由于歷史的原因，中國儀器配套行業(yè)的企業(yè)多為良莠不齊的小型企業(yè)，標準化的研究也沒有跟上需求的快速發(fā)展，從而導致儀器的材料配套行業(yè)的技術水平較低。雖然目前已有較大的改觀，但距離整個產(chǎn)業(yè)的要求還有一定距離。所以，還應把標準化和模塊化的研究放到重要的位置。還有，在技術水平?jīng)]有達到的條件下，一味地追求精度或追求高指標，而沒有處理好與穩(wěn)定性之間的關系。上述這些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。近年來我國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進步，特別是通用電子測量設備研發(fā)方面，與國外先進產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對國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的發(fā)展，為中國的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機，加上各級政府日益重視，以及中國自主應用標準研究的快速進展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動力和機遇。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過30%以上的速度在快速增長。在此快速增長的過程中，無疑催生出了許多測試行業(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本設計所做的工作本設計是以555為核心的振蕩電路，將被測參數(shù)模擬轉化為頻率，并利用單片機實現(xiàn)計算頻率，所以，本次設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)設計測量電阻，電容，電感的振蕩電路。(4)設計LCD電路。(5)設計測量頻率程序，設置程序。(6)用PROTEL軟件繪制電原理圖和印刷電路版圖。(7)安裝和調試，并進行實際測試，記錄測試數(shù)據(jù)和結果。(8)撰寫畢業(yè)論文。(9)完成英文翻譯。1.4本論文的結構安排本論文的結構安排為：第1章前言，第2章電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)設計，第3章電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計，第4章電阻、電容、電感測試儀的軟件設計，第5章PCB板的設計與系統(tǒng)的調試，第六章結論與展望。2電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)設計2.1電阻、電容、電感測試儀設計方案比較電阻、電容、電感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，電感可用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法等、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩電路與單片機結合或CPLD與EDA相結合等等來實現(xiàn)。在設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MAXPLUS=2\*ROMANII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，結構復雜。4)利用振蕩電路與單片機結合利用555多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)轉化為頻率，而電感則是根據(jù)電容三點式電路也轉化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉換為數(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系統(tǒng)的原理框圖本設計中，考慮到單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用MCS-51系列的單片機為核心來實現(xiàn)電阻、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向模擬開關送兩位地址信號，取得相應的振蕩頻率，然后根據(jù)所測頻率判斷是否轉換量程，或者是把數(shù)據(jù)進行處理后，得出相應的參數(shù)值。系統(tǒng)設計框圖如圖2-1如下所示。二極管指示燈51單片機多路選擇開關CD4052RC振蕩電路二極管指示燈51單片機多路選擇開關CD4052RC振蕩電路被測電阻液晶顯示電路RC振蕩電路被測電容液晶顯示電路RC振蕩電路被測電容電容三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路按鍵選擇測量電路被測電感按鍵選擇測量電路被測電感圖2-1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89C52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LCD顯示功能等。在本設計中，設置了1盞電源指示燈，采用LCD1602液晶顯示：本設計中有1個CD4502、3個LM555、3個測量選擇按鍵和3個指示燈。按鍵：本設計中有R，C，L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。電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計3電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計3.1MCS-51單片機電路的設計在本設計中，考慮到單片機構成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構成各種規(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)。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，選擇以單片機為核心進行設計具有極大的必要性。在硬件設計中，選用MS-51系列單片機，其各個I/O口分別接有按鍵、LED燈、LCD液晶屏等，通過軟件進行控制。MCS-51單片機包含中央處理器、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、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。2)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：內部有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)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。6)全雙工串行口：內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(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。本設計中單片機的設計電路如下圖3-1所示：圖3-1單片機的設計電路本電路使用單片機內部振蕩器，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C7、C9為振蕩器的匹配電容。該電路簡單，工作可靠。另外本系統(tǒng)的容阻上電復位，就是利用RC電路的充電過程來給單片機復位。RC電路的時間常數(shù)計算公式：T=RC(3-1)即：T=RC=3.3u*10k=33ms。當需要復位時，也可以按下復位按鍵，進行復位。 3.2顯示電路與按鍵電路的設計隨著智能儀器設備的快速發(fā)展，液晶顯示器的使用越來越普遍。與傳統(tǒng)的數(shù)碼管相比，液晶顯示器具有顯示信息多顯示規(guī)范體積小和功耗低等優(yōu)點，因此是智能儀器智能設備顯示終端的首選。目前，液晶顯示器主要可分為點陣字符式和點陣圖形式。點陣字符式價格比較低廉使用也比較方便，但它一般只能顯示模塊預先存儲的幾十到一百個字符，使用受到一定的限制：而點陣圖形式可以根據(jù)需要顯示各種圖形曲線漢字和字符，因此有更加廣泛的用途。點陣字符型液晶顯示器專門用于顯示數(shù)字字母圖形符號及少量自定義符號的顯示器。這類顯示器把LCD控制器/點陣驅動器/字符存貯器全做在一塊印刷版上。本設計中采用常用的2行16列的字符型的LCD1602液晶模塊來顯示電容值。LCD1602采用標準的14腳接口，其中：第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光電源正極第16腳：背光電源負極LCD1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，如表1所示，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。單片機P2口分別控制RS，EN，R/和使能端E。D0~D7為LCD1602液晶模塊的8位雙向數(shù)據(jù)線，分別與STC89C52RC單片機的P0.0~P0.7相連，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機與LCD1602液晶模塊連接圖如圖3.9。圖3.9顯示電路設計本設計中設置了R,C,L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)程序的調整。見圖3-5按鍵電路所示圖3-5按鍵電路當有鍵按下時為低電平，無鍵按下時則為高電平。3.3測量電阻、電容電路的設計3.3.1555定時器簡介555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結合的中規(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。1)555定時器內部結構555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結合的中規(guī)模集成電路,其內部結構如圖3-6(A)部分及管腳排列如圖(B)部分所示。圖3-6定時器內部結構它由分壓器、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5KΩ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QUOTE，加在同相輸入端，比較器A2的參考電壓為QUOTE，加在反相輸入端。比較器由兩個結構相同的集成運放A1、A2組成。高電平觸發(fā)信號加在A1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本R--S觸發(fā)器QUOTE端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在A2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本R--S觸發(fā)器QUOTE端的輸入信號?；綬--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震蕩器工作原理設電容的初始電壓Uc＝0，t＝0時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端VTH＝VTL＝0QUOTEQUOTE，比較器A1輸出為高電平，A2輸出為低電平，即QUOTE=1，QUOTE=0(1表示高電位，0表示低電位)，R--S觸發(fā)器置1，定時器輸出u0=1此時QUOTE，定時器內部放電三極管截止，電源Vcc經(jīng)R1，R2向電容C充電，uc逐漸升高。當uc上升到QUOTE時，A2輸出由0翻轉為1，這時QUOTE=QUOTE=1，R--S觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<t1期間，定時器輸出u0為高電平1。QUOTE時刻，uc上升到QUOTE，比較器A1的輸出由1變?yōu)?，這時QUOTE=0，QUOTE=1，R--S觸發(fā)器復0，定時器輸出u0=0。QUOTE期間，QUOTE，放電三極管T導通，電容C通過R2放電。uc按指數(shù)規(guī)律下降,當時比較器A1輸出由0變?yōu)?，R--S觸發(fā)器的QUOTE=QUOTE=1，Q的狀態(tài)不變，u0的狀態(tài)仍為低電平。QUOTE時刻，uc下降到QUOTE，比較器A2輸出由1變?yōu)?，R--S觸發(fā)器的QUOTE=1，QUOTE=0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出u0=1。此時電源再次向電容C放電，重復上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出u0=1，電容放電時，u0=0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質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為電容充電時間，T2為電容放電時間。充電時間：(3-2)放電時間：(3-3)矩形波的振蕩周期：QUOTE(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。對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個參數(shù)：占空比q，q=(脈寬tw)/(周期T)，tw指輸出一個周期內高電平所占的時間。圖（C）所示電路輸出矩形波的占空比：QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE(3-5)3.3.2測量電阻電路的設計定時器555是一種用途很廣的集成電路，只需外接少量R、C元件，就可以構成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器。電阻的測量采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。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)其中R16=1KΩ,R17=1KΩ,C11=0.1uF：電阻測試電路見圖3-8所示。圖3-8電阻測試電路3.3.3測量電容電路的設計電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電容的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：(3-11)我們設置R1=R2,得出：(3-12)即：(3-13)電路分為1檔：R14=30KΩ,R15=3.9K；(3-14)電容測試電路見圖3-9所示。圖3-9電容測試電路3.4測量電感電路的設計及仿真3.4.1測量電感電路的設計電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)的。電容三點式振蕩電路又稱考畢茲振蕩電路，三點式振蕩電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質的，另外一個電抗元件必須為異性質的，而與發(fā)射級相連的兩個電抗元件同為電容式的三點式振蕩電路，也就是"射同基反"的構成原則成為電容三點式振蕩電路。其振蕩頻率為：(3-15)即：(3-16)(3-17)電感測試電路見圖3-10所示。圖3-10電感測試電路3.5多路選擇開關電路的設計利用CD4052實現(xiàn)測量類別的轉換，CD4052是差分四通道數(shù)字控制模擬開關器件，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，多路選擇開關控制如表3-1所示。表3-1多路選擇開關控制P2.0P2.1測量類別00Y0-L01Y1-R10Y2-C11*表3-1中*表示未定義此功能。多路選擇開關硬件電路如圖3-13所示。圖3-13多路選擇開關電阻、電容、電感測試儀的軟件設計4電阻、電容、電感測試儀的軟件設計4.1I/O口的分配P1.0R測量程序的選擇P1.1C測量程序的選擇P1.2L測量程序的選擇P1.3-P1.4多路選擇開關控制選擇P1.0、P1.1和P1.2按鍵輸入及測量指示燈開始結束開始結束初始化執(zhí)行鍵功能有無按鍵操？作？有無圖4-1按鍵主程序流程圖4.2主程序流程圖在電阻、電容、電感測試儀的設計中，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置。通過三個按鍵Sr,Sc,SL來進行靈活控制，具體操作流程如4-2所示。開始初始化開始初始化鍵掃描健分析，置狀態(tài)R測試狀態(tài)C測試狀態(tài)L測試狀態(tài)開中斷定時器設置通道及指示燈的設置采值并計算顯示結束NoYes首先插入被測元件，開關打開以后，按下SET鍵，進行復位，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)按鍵類別啟動相應的參數(shù)測試程序，測試完畢后將結果送入數(shù)碼管顯示。4.3頻率參數(shù)計算的原理本設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4-3所示。圖4-3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)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4-4所示。開始開始程序初始化數(shù)據(jù)處理開定時器TR=1fw是否為1fw是否為1fw是否為0結束NNNYYY圖4-4頻率計算程序流程圖PCB板的設計與系統(tǒng)的調試5PCB板的設計與系統(tǒng)的調試5.1PROTEL99SE的介紹與PCB板的設計Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網(wǎng)設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源--地層和16個機加工層。一、Protel99SE的系統(tǒng)組成按照系統(tǒng)功能來劃分，Protel99se主要包含以下兩大部分和6個功能模塊。1、電路工程設計部分(1)電路原理設計部分(AdvancedSchematic99)：電路原理圖設計部分包括電路圖編輯器(簡稱SCH編輯器)、電路圖零件庫編輯器(簡稱Schlib編輯器)和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關電路圖和零件庫的各種報表。(2)印刷電路板設計系統(tǒng)(AdvancedPCB99)：印刷電路板設計系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器(簡稱PCB編輯器)、零件封裝編輯器(簡稱PCBLib編輯器)和電路板組件管理器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。(3)自動布線系統(tǒng)(AdvancedRoute99)：本系統(tǒng)包含一個基于形狀(Shape-based)的無柵格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實現(xiàn)PCB設計的自動化。2、電路仿真與PLD部分(1)電路模擬仿真系統(tǒng)(AdvancedSIM99)：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個數(shù)字/模擬信號仿真器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號和模擬信號，以便對電路原理圖進行信號模擬仿真，從而驗證其正確性和可行性。(2)可編程邏輯設計系統(tǒng)(AdvancedPLD99)：可編程邏輯設計系統(tǒng)包含一個有語法功能的文本編輯器和一個波形編輯器(Waveform)。本系統(tǒng)的主要功能是；對邏輯電路進行分析、綜合；觀察信號的波形。利用PLD系統(tǒng)可以最大限度的精簡邏輯部件，使數(shù)字電路設計達到最簡化。(3)高級信號完整性分析系統(tǒng)(AdvancedIntegrity99）：信號完整性分析系統(tǒng)提供了一個精確的信號完整性模擬器，可用來分析PCB設計、檢查電路設計參數(shù)、實驗超調量、阻抗和信號諧波要求等。二、Protel99SE的功能特性1、開放式集成化的設計管理體系2、超強功能的、修改與編輯功能3、強大的設計自動化功能本設計中，PCB的設計如圖5-1所示：圖5-1PCB板的設計電路5.2系統(tǒng)調試與系統(tǒng)測試5.2.1系統(tǒng)軟件調試單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部份組合在一起。運行Keil軟件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。5.2.2系統(tǒng)硬件測試本設計的硬件部分通過調試，在調試過程中遇到很多問題，由于本電路是由腐蝕板腐蝕而成的，焊接完成后，發(fā)現(xiàn)1602不顯示，經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)電路板腐蝕時間過長或者印刷不好導致線路斷路發(fā)現(xiàn)后更改后工作正常了。5.2.3系統(tǒng)測試(1)測試原理：在系統(tǒng)設計中，以MCS-51單片機為核心的電阻、電容、電感測試儀，將電阻，電容，電感，使用對應的振蕩電路轉化為頻率實現(xiàn)各個參數(shù)的測量。其中電阻和電容是采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生的，而電感則是根據(jù)電容三點式產(chǎn)生的，將振蕩頻率送入AT89C52的計數(shù)端端，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出被測參數(shù)。以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)應用軟件；包括主程序模塊、顯示模塊、電阻測試模塊、電容測試模塊和電感測試模塊。(2)測試方法：在測試時將被測參數(shù)通過本系統(tǒng)測量出來的示值與參數(shù)的標稱值進行對比，進而可以知道本系統(tǒng)的測試精度。(3)測試儀器：示波器，萬用表，穩(wěn)壓電源，計算機。(4)測試結果：通過按鍵，實現(xiàn)其按鍵所對應的功能，并觀察測試結果，對設計進一步的進行校正和對實現(xiàn)功能的可靠性的確認，并記錄觀察結果。測試結果如下：a)電阻測試數(shù)據(jù)如表5-1所示。表5-1電阻測試數(shù)據(jù)標稱值(Ω)系統(tǒng)測量（Ω）相對誤差(%)3303330.92002052.55305280.4470048924.120000192163.94700004646831.1b)電容測試數(shù)據(jù)如表5-2所示。表5-2電容測試數(shù)據(jù)讀取示值（pF）標稱值（pF）相對誤差值（%）1001011.02212231.322221801.0c)由于電感制作復雜本次測試暫未對電感進行測試。(4)測試分析：在實際測量中，由于測試環(huán)境，測試儀器，測試方法等都對測試值有一定的影響，都會導致測量結果或多或少地偏離被測量的真值。為了減小本設計中誤差的大小，主要利用修正的方法來減小本測試儀的測量誤差。所謂修正的方法就是在測量前或測量過程中，求取某類系統(tǒng)誤差的修正值。在測量的數(shù)據(jù)處理過程中選取合適的修正值很關鍵，修正值的獲得有三種途徑。第一種途徑是從相關資料中查??；第二種途徑是通過理論推導求??；第三種途徑是通過實驗求取。本測試修正值選取主要通過實驗求取，對影響測量讀數(shù)的各種影響因素，如溫度、濕度、電源電壓等變化引起的系統(tǒng)誤差。通過對相同被測參數(shù)的多次測量結果和不同被測參數(shù)的多次測量選取平均值，最后確定被測參數(shù)公式的常數(shù)K值，從而達到減小本設計系統(tǒng)誤差的目的。由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成，所以由振蕩電路產(chǎn)生的被測參數(shù)對應的頻率有一定的誤差，所以只能通過多次實驗測量，選取合適的修正值來盡可能的減少本測試系統(tǒng)的誤差。設計總結6結論與展望畢業(yè)論文是一次非常好的將理論與實際相結合的機會，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,調試和維護方便，而且以MCS-51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，電容三點式振蕩電路實現(xiàn)了被測電感參數(shù)的頻率化，被測頻率通過CD4052模擬開關送入單片機計數(shù)，再經(jīng)過顯示電路顯示被測參數(shù)的測量值，軟件用C語言編程，根據(jù)具體情況控制啟動被測參數(shù)的相應程序,能靈活控制被測參數(shù)的檔位切換。經(jīng)過測試，系統(tǒng)各個模塊都能正常共組，成功地達到了設計的硬件要求。系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)實現(xiàn)各種工作狀態(tài)的關鍵。通過結合硬件電路，在Keil51的平臺上，使用C語言與匯編語言混合編程編寫了系統(tǒng)應用程序，使程序能夠正常運行，實現(xiàn)了設計的要求?？傊麄€系統(tǒng)的工作正常，完成了設計任務的全部要求。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。在人機交換方面，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。致謝致謝在這幾個月畢業(yè)設計的學習和工作中，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，xx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xx老師表示衷心的感謝。在電信學院這個學習氛圍活躍、團結友愛的集體里，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xxxxxx老師以及幫助過我的同學們表示最真誠的謝意！參考文獻參考文獻參考文獻[1]申忠如，申淼，譚亞麗.MCS-51單片機原理及系統(tǒng)設計.西安交通大學出版社，2008年3月第1版[2]申忠如，郭福田，丁暉．現(xiàn)代測試技術與系統(tǒng)設計．西安：西安交通大學出版社，2006.2．[3]付家才.單片機控制工程實踐技術[M].北京化學工業(yè)出版社，2004[4]張毅剛.MCS-51單片機應用系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997[5]夏繼強.單片機實驗與實踐教程.北京航空航天大學出版社，2001[6]肖洪兵.跟我學用單片機.北京航空航天大學出版社，2002

[7]付曉光.單片機原理與使用技術.清華大學出版社，ISBN7-81082-169-5TP[8]李桂安.電子技術實驗及課程設計.東南大學出版社，2008[9]J.C.Whitaker.ThermalDesignofElektronicEquipment,CRCPressLLC.London2001[10]W.Janke.Zjawiskatermiznewelementachi.ukladachpolprzewodnikowych.WNT.Warszawa.1992西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文）附錄附錄附錄一系統(tǒng)原理圖及PCB附圖１附圖２附錄二源程序源程序：外文翻譯單片機AT89C51簡介AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4Kb字節(jié)的快速可擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。主要性能參數(shù)：1）與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；2）4K字節(jié)可重復寫flash閃速存儲器；3）1000次擦寫周期；4）全靜態(tài)操作：0HZ－24MHZ；5）三級加密程序存儲器；6）128*8字節(jié)內部RAM；7）32個可編程I/O口；8）2個16位定時/計數(shù)器；9）6個中斷源；10）可編程串行UART通道；11）低功耗空閑和掉電模式。功能特性概述：AT89C51提供以下標準功能：4K字節(jié)閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。引腳功能說明：Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復位口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可做熟出口。做輸出口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。Flash編程和程序校驗期間，P1接受低8位地址。P2口：P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部地山拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸出口，作輸出口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，他們被內部上拉電阻拉高并可作為輸出口。做輸出端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。表1P3功能引腳功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4TOP3.5T1P3.6WRP3.7RDRST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于所存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有不要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該外置位后，只要一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。PSEN：程序存儲允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩個^PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。EA/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是;如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flas