基于单片机的电阻、电容、电感测试仪 毕业论文电阻、电容、电感测试仪毕业论文

目录

1绪论 (1)

1.1选题的目的意义 (1)

1.2电阻、电容、电感测试仪的发展现状 (2)

1.3本设计所作的工作 (2)

2 电阻、电容、电感的系统设计 (3)

2.1电阻、电容、电感的系统设计方案比较 (3)

3系统总体设计思路 (5)

3.1总体思路 (5)

3.2系统总体框图 (5)

4电阻、电容、电感测试系统的硬件设计 (6)

4.1 MCS-51单片机电路的设计 (6)

4.2 555振荡电路 (8)

4.3电阻、电容测试电路设计 (9)

4.4电感测试电路设计 (12)

4.5 多路选择开关设计 (13)

4.6 LED数码管电路与键盘电路的设计 (14)

5测试电路仿真 (20)

5.1 电感测试电路仿真 (20)

5.2系统测试 (21)

6电阻、电容、电感测试仪的软件设计 (24)

6.1 I/O口的分配 (24)

6.2 主程序流程图 (25)

6.3频率参数计算的原理 (27)

参考文献 (29)

附录 (31)

附录一系统原理图及PCB (31)

附录二源程序 (33)

致谢 (38)

1绪论

1.1选题的目的意义

目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电阻，电容，电感的大小。另外，随着测量技术的飞速发展以及人们对电参数的测量精度要求的提高，目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足测量要求，因此设计可靠，安全，便捷，测量精度更高的电阻，电容，电感测试仪具有广泛的使用价值和应用前景。

在目前的生产制造业中,与传统的手动交流电桥相比,数字LRC阻抗测量仪因其测量性能稳定可靠,无需进行反复的、复杂的手动平衡,还可以减少测量误差和结果计算,故已被越来越多地被应用于交流阻抗参数的测量。要保证LRC阻抗测量仪测量准确度,对其性能的考核就显得尤为重要。

本毕业设计希望通过对电容、电感测试仪的设计来培养学生综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力，系统的掌握单片机的开发设计过程，强化实际应用技能训练，为今后开展单片机应用系统的设计和开发打下初步的基础。

1.2电阻、电容、电感测试仪的发展现状

当今电子测试领域，电阻，电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。国内外电阻、电容和电感测试发展已经很久，方法众多，常用测量方法如下。

1.电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。

2.传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。

3.电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。

早在我国1997年05月21日中国航空工业总公司研究出一种电阻、电容、电感在线测量方法及装置等电位隔离方法，用于对在线的电阻、电容、电感元件实行等电位隔离。

纵览目前国内外的LRC测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。例如传统的用阻抗法、Q表、电桥平衡法等测试LRC的过程中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调很多参数，对初学者来说很不方便，当今社会，对LRC的测试虽然已经很成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的LRC测试仪，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能LRC测试仪，人机界面友好、操作方便的智能LRC测试仪，具有十分重要的意义。

1.3本设计所作的工作

本设计是以555为核心的振荡电路，将被测参数模拟转化为频率，并利用单片机实现计算频率，所以，本次设计需要做好以下工作：

(1)学习单片机原理等资料。

(2)学习PROTEL99SE等工具软件的使用方法。

(3)设计测量电阻、电容、电感的振荡电路。

(4)设计测量LED动态显示电路。

(5)设计测量频率程序，设置程序。

(6)用PROTEL 软件绘制电原理图和印刷电路版图。 (7)调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。 (8)撰写毕业论文。

2 电阻、电容、电感的系统设计

2.1电阻、电容、电感的系统设计方案比较

(1)电阻测试方案论证 方案一：电阻分压法。

图1

结构图如图1所示，将待测电阻Rx 和基准电阻R 串联在电路中。由于电阻分压的作用，当串联到电路上的电阻Rx 的值不同时其Rx 上分的压降也不同。通过测量上Vx 便可求得Rx 。

)(X X X V VCC R V R -=

该方案原理简单，理论上只要参考电阻精确，就可以测量任何阻值的电阻，但实际上由于AD 的分辨率有限，当待测电阻的很大或是很小时就很难测出Rx 上的压降Vx ，从而使测量范围缩小，要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高AD 的分辨率。这无疑会增加系统的复杂性和成本。

方案二：电桥法。

图 2

结构图如图2所示，

132R R R R X

电桥法又称零示法。它利用指零电路作为测量的指示器，工作频率很宽，能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响，精度很高。但为保证电桥的平衡，要求信号源的电压和频率稳定，特别是波形失真要小，增大硬件电路的难度。

方案三：555多谐振荡。

利用RC 和555定时器组成的多谐振荡电路，通过测量输出振荡频率的大小即可求得电阻的大小，如果固定电阻值，该方案硬件电路实现简单，通过选择合适的电容值即可获得适当的频率范围，再交由单片机处理。

综合比较，本设计采用方案三，采用RC 多谐振荡电路，电路简单可行，单片机易控制。

(2)电容测量方案论证

方案一：利用RC 充电原理，根据电路原理电容充电的时间常数τ=RC 。通过选择适当的参考电容，通过测量充电到一个固定电压时所需的时间即可以测量出相应的电阻阻值。此方案下测量大电容较准，但在电容容量较小时，电容在极短的时间内就能充满，即充电时间较短，所以很难测准。

方案二：同样利用RC 和555定时器组成的多谐振荡电路，通过测量输出振荡频率的大小即可求得电容的大小，如果固定电阻值，该方案硬件电路实现简单，能测出较宽的电容范围，能够较好满足题目的要求。

综合比较，本设计采用方案二，采用RC 多谐振荡电路，电路简单可行，单片机易控制。

(3)电感测量方案论证

方案一:采用平衡电桥法测量电感。将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥，通过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡，此时，电感的大小由电阻和电桥的本征频率即可求得，该方案测量精准，同时可以测量电容和电阻的大小，但其电路电路复杂，实现起来较为困难。

方案二:采用LC 配合三极管组成三点式震荡振荡电路，通过测输出频率大小的方法来实现对电感值测量。该方案成本低，其输出波形为正弦波，将其波形整形后交给单片机测出其频率，并转换为电感值。

综合比较，本设计采用方案二，电路简单，性价比高。

3系统总体设计思路

3.1总体思路

本设计是基于单片机AT89S51智能处理，根据单片机的外接按键控制测量电路的选择，通过555定时器构成的多谐振荡器和电容反馈式三点式构成的振荡电路长生的一定频率的波。再通过单片机的I/O口对高低电平的捕获读出频率，再通过程序算法处理换算成电阻电容电感的值，然后再通过单片机送给液晶显示。

RLC简易测量仪设计的关键问题是：如何完成RLC的测量。

RLC简易测量仪设计的核心问题是：如何产生转化电路输出频率。

3.2系统总体框图

系统设计框图如图3如下所示：

图3

框图各部分说明如下：

1)控制部分：本设计以单片机为核心，采用51单片机，利用其管脚的特殊功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和LED显示功能等。LED灯：本设计中，设置了1盏电源指示灯，采用红色的LED以共阳极方式来连接，直观易懂，操作也简单。数码管显示：本设计中有1个74HC02、2个74LS573、1个2803驱动和6个数码管，采用共阳极方式连接构成动态显示部分，降低功耗。键盘：本设计中有Sr，Sc，SL三个按键，可灵活控制不同测量参数的切换，实现一键测量。

2)通道选择：本设计通过单片机控制CD4052模拟开关来控制被测频率的自动选择。

3)测量电路：RC震荡电路是利用555振荡电路实现被测电阻和被测电容频率化。电容三点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现被测电感参数频率化。通过51单片机的IO口自动识别量程切换，实现自动测量。

4电阻、电容、电感测试系统的硬件设计

4.1 MCS-51单片机电路的设计

在本设计中，考虑到单片机构成的应用系统有较大的可靠性，容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。还具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现。另外，本设计还需要利用单片机的定时计数器、中断系统、串行接口等等，所以，选择以单片机为核心进行设计具有极大的必要性。在硬件设计中，选用MS-51系列单片机，其各个I/O口分别接有按键、LED灯、七位数码管等，通过软件进行控制。

MCS-51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：

1)中央处理器：

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

2)数据存储器(RAM)：

内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

3)程序存储器(ROM)：

共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

4)定时/计数器(ROM)：

有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

5)并行输入输出(I/O)口：

共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。

6)全双工串行口：

内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

7)中断系统：

具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串口中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

8)时钟电路：

内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序。本设计中单片机的设计电路如下图4所示：

图4

本电路使用单片机内部振荡器，11.0592MHz的晶体谐振器直接接在单片机的时钟端口X1和X2，电路中C2、C3为振荡器的匹配电容。该电路简单，工作可靠。另外本系统的容阻上电复位，就是利用RC电路的充电过程来给单片机复位。RC电路的时间常数计算公式：

T=RC

即：T=RC=10u*10k=100ms。当需要复位时，也可以按下复位按键，进行复位。

4.2 555振荡电路

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

1)555定时器内部结构

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图5(A)部分及管脚排列如图(B)部分所示。

图5 555定时器内部结构

555含有两个比较器A 1、A 2。A 1参考电压为CC U 3

2，A 2参考电压为CC U 3

1。当

C C TL U 3

1

U >时，A 2输出为

1；当C C TL U U 3

1<时，A 2输出为0，则使R-S 触发器置1。

当C C TH U 3

2U <时，A 1输出为1；C C TH

U U 3

2

>时，A 1输出为0，使R-S 触发器置0。5

端为电压控制端，通过外接一个参考电源，可以改变上、下触发电位值，不用时，可通过一个0.01μF 旁路电容接地。4端为触发器复位端，不用时应接高电平。总之，555相当于一个可用模拟电压来控制翻转的R-S 触发器。

555

1

2

3

4

5

6 7 8 555定时器的引脚图

5k Ω

- ∞ + +

A 1

- ∞

+

+ A 2

-

1 5k Ω

5k Ω

R D - S D

-

Q Q

U CC 电源地

WR 4 8 5 6

2

7

555定时器的原理电路

3

OUT

GND DIS TL TH

VC 复位端

输出端

高触发端 放电端

低触发端

电压控制端

电源端

T

2)多谐振荡器工作原理

用555定时器组成的多谐振荡器的原理图如图6所示。R 1、R 2、C 是外接元件。当u c 因电源接通对C 充电而上升到CC U 3

2时，比较器A 1输出为低电平，

使R-S 触发器输出置0，T 导通，电容C 通过T 放电；当u c 因电容放电而减小到略低于CC U 3

1时，比较器A 2输出为低电平，使R-S 触发器输出置1，T 截止，

电容C 继续充电直到u c 略高于CC U 3

2时，触发器又翻转到0，从而完成一个周期

振荡。其振荡周期可用下式计算：

T=0.7（R 1+2R 2）C

图 6 555多谐振荡器原理图

4.3电阻、电容测试电路设计

(1)电阻测试电路

定时器555是一种用途很广的集成电路，只需外接少量R 、C 元件，就可以构成多谐、单稳及施密特触发器。电阻的测量采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。

3 1

5

7

8 4 6 2 U CC =5V

R 1

R 2

C

u O

0.01 F

u C

555

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：

得出：

即：

电路分为2档：

○1100≤Rx<1000 Ω：按下电阻测试建Sr，闭合开关Srd,R2=330Ω,C2=0.22uF：

○21000≤Rx <1M Ω：按下电阻测试建Sr，闭合开关Srg,R1=20KΩ,C3=103pF：

电阻测试电路见图7所示。

图7 电阻测试电路

(2) 电容测试电路

电容的测量同样采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：

我们设置R1=R2,

得出：

即：

电路分为1档：

R4=510KΩ,R4=R6；

电容测试电路见图8所示。

图8 电容测试电路

4.4电感测试电路设计

电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路，三点式振荡电路是指：LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射级相连的两个电抗元件同为电容式的三点式振荡电路，也就是"射同基反"的构成原则成为电容三点式振荡电路。其振荡频率为：

即：

电感测试电路见图9所示。

图9 电感测试电路

4.5 多路选择开关设计

利用CD4052实现测量类别的转换，CD4052是差分四通道数字控制模拟开关器件，有A0和A1两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止电流。当INH输入端=“1”时所有通道截止，二位二进制输入信号选通四对通到中的一通道。当选择了某一通道的频率后，Y输出频率通过T1送入单片机进行计数，通过计算得到要被测值，多路选择开关控制如表1 所示。

P1.

测量类别

4 P1.3

0 0 Y0-R

0 1 Y1-C

1 0 Y2-L

1 1 *

表1 多路选择开关控制

表1中*表示未定义此功能。

多路选择开关硬件电路如图10所示。

图10 多路选择开关

4.6 LED数码管电路与键盘电路的设计

在电阻、电容、电感测试系统中，用LED灯来显示测量参数的类别和电源指示，既简单又显而易见。

与小白炽灯泡和氖灯相比，LED的特点是：工作电压很低(有的仅一点几伏)；工作电流很小(有的仅零点几毫安即可发光)；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中常常用作光源。在本设计中，利用单片机的P1.0、P1.1和P1.2口直接和发光二极管相连接，控制程序放在MCS-51单片机的ROM中。由于测试指示灯为发光二极管且阳极通过限流电阻与电源正极相接，所以为共阳极。因此I/0口输出低电平时，与之相连的相应指示灯会亮；I/0口输出高电平时，相应的指示灯会灭。发光二极管的接口电路如图11所示：

发光二极管的设计中，每个二极管与单片机接口间有一个电阻，其阻值至少为180欧。按3.3V时的工作电流15mA来计算，需要让与之串联的电阻，分去VCC 5V电压中的2.7V电压，则得到R=U/I=2.7V/0.015A=180欧，且电阻的功率为P=UI=2.7V*0.015A=0.041W。

图11发光二极管的接口电路

另外，在本设计中，LED应用于七位数码管中，实现了被测参数的显示，七位数码管以共阴极的方式经过74LS573锁存器与单片机的P0口相连。六位数码管显示被测参数的示值从左到右依次代表十万、万、千、百、十和个位，这样显示结果更为简单可行。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

1)静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动，静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动使编程简单，显示亮度高。

2)动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示

方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端

连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

经过对两种显示方式的比较分析：静态方式需要大量I/O，而动态扫描显示方式能够节省大量的I/O口，且电路结构也比较简单，显示效果良好，因此最终采用动态扫描显示方式。

系统核心电路(AT89S51最小系统)的P0口以总线方式与二片数据锁存器(74HC573)相连接，二片74HC573的片选使能端(LE)分别连接在或非门(74HC02)的1、4管脚，三个或非门相类似，都是两个输入端的其中一端接在单片机的16管脚(WR)，而另一端分别接在P2.5~P2.6。单片机片选电路如图12所示。

图12 单片机片选电路

或非门片选电路分析：当单片机通过P0口总线输出数据时，16管脚(WR)为低电平“0”，片选信号端P2.5~P2.7中，要被片选端为“0”，其它为“1”，这样三个或非门中，只有需要片选中或非门的输出为高电平“1”，其它两个或非门的输出信号为低电平“0”。另外，74HC573数据锁存器的LE使能端为高电平有效，与之前电路结合可以实现片选功能。

在本设计中，LED显示接口电路如下图13所示：

电路由6个共阴极数码管、两个74HC573和一个ULN2803组成。

两个74HC573分别作为段码和位码的数据锁存器，它们的片选信号来自最小系统AT89S52的P2.5和P2.6，由此可以计算出它们的片选地址：段码片选

地址为[C000H~DFFFH]，位码片选地址为[A000H~BFFFH]。

图13 LED显示接口电路

ULN2803是达林顿管，在电路中能起到大电流输出和高压输出的作用。由于电路使用的是共阴极动态显示方式，ULN2803在位码数据锁存器后连接八个数码管的COM端，可以增强驱动数码管的能力，使数码管的显示效果更好。

本设计中设置了Sr,Sc,SL三个按键，利用单片机的P1.0、P1.1和P1.2口直接和按键相连接，控制程序放在MCS-51单片机的ROM中用于启动各个被

测参数程序的调整。见图14按键电路所示