基于單片機的電阻電容電感測試儀.doc

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 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) 在系統(tǒng)的軟件設計是以 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 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 LED 動態(tài)顯示模塊 電容三點式振蕩 ABSTRACT With the development of electronic industry electronic components rapidly increased the scope of electronic components widely up gradually in applications we often measured resistors capacitors inductors size Therefore the design of reliable safe convenient resistance capacitance inductance tester of great practical necessity In the system hardware design take the MCS 51 monolithic integrated circuit as the core resistance the electric capacity the inductance reflectoscope reflector the resistance the electric capacity the inductance the use correspondence s oscillating circuit transforms for the frequency realizes each parameter survey And the resistance and the electric capacity are use 555 multiresonant circuits to produce but the inductance is produces according to the electric capacity bikini the oscilation frequency will send AT89C52 the counting to be neat through and fixed time counts may calculate by the frequency measurement rate figures out again through this frequency meter is measured the parameter In system s software design is take Keil51 as the simulation platform used the C language and the assembly language mix programming has compiled the system application software including master routine module display module resistance test module electric capacity test module and inductance test module Finally the actual production of a prototype tested in the laboratory results show that the prototype of the functions and indicators are the design requirements KEY WORDS Single slice of machine 555 resonance swings circuit LED dynamic display module Capacitance three point shock 目 錄 1 前言 1 1 1 設計的背景及意義 1 1 2 電阻 電容 電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 1 1 3 本設計所做的工作 3 1 4 本論文的結構安排 3 2 電阻 電容 電感測試儀的系統(tǒng)設計 5 2 1 電阻 電容 電感測試儀設計方案比較 5 2 2 系統(tǒng)的原理框圖 5 3 電阻 電容 電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計 7 3 1 MCS 51 單片機電路的設計 7 3 2 LED 數(shù)碼管電路與鍵盤電路的設計 9 3 3 測量電阻 電容電路的設計 13 3 3 1 555 定時器簡介 13 3 3 2 測量電阻電路的設計 15 3 3 3 測量電容電路的設計 16 3 4 測量電感電路的設計及仿真 17 3 4 1 測量電感電路的設計 17 3 4 2 測量電感電路的仿真 18 3 5 多路選擇開關電路的設計 20 4 電阻 電容 電感測試儀的軟件設計 22 4 1 I O 口的分配 22 4 2 主程序流程圖 22 4 3 頻率參數(shù)計算的原理 24 5 PCB 板的設計與系統(tǒng)的調試 26 5 1 PROTEL99SE 的介紹與 PCB 板的設計 26 5 2 系統(tǒng)調試與系統(tǒng)測試 28 5 2 1 系統(tǒng)軟件調試 28 5 2 2 系統(tǒng)硬件調試 28 5 2 3 系統(tǒng)測試 32 6 結論與展望 34 致謝 36 參考文獻 37 附錄 38 附錄一 系統(tǒng)原理圖及 PCB 38 附錄二 源程序 40 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 設計測量 LED 動態(tài)顯示電路 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 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 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 89C51 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 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 驅動和 6 個數(shù)碼管 采用共陽極方式連接構成動態(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 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 電阻 電容 電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計 3 1 MCS 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 七位數(shù)碼管等 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 C2 C3 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 10u 10k 100ms 當需要復位時 也可以按下復位按鍵 進行復位 3 2 LED 數(shù)碼管電路與鍵盤電路的設計 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 壽命長 通過調制通過的電流強弱可以方便地調制發(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 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 3 2 所示 圖 3 2 發(fā)光二極管的接口電路 發(fā)光二極管的設計中 每個二極管與單片機接口間有一個電阻 其阻值至 少為 180 歐 按 3 3V 時的工作電流 15mA 來計算 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 在本設計中 LED 應用于七位數(shù)碼管中 實現(xiàn)了被測參數(shù)的顯示 七位數(shù)碼管以共陰極的方式經(jīng)過 74LS573 鎖存器與單片機的 P0 口相連 六位 數(shù)碼管顯示被測參數(shù)的示值從左到右依次代表十萬 萬 千 百 十和個位 這樣顯示結果更為簡單可行 數(shù)碼管要正常顯示 就要用驅動電路來驅動數(shù)碼管的各個段碼 從而顯示 出我們要的數(shù)字 因此根據(jù)數(shù)碼管的驅動方式的不同 可以分為靜態(tài)式和動態(tài) 式兩類 1 靜態(tài)顯示驅動 靜態(tài)驅動也稱直流驅動 靜態(tài)驅動是指每個數(shù)碼管的每一 個段碼都由一個單片機的 I O 端口進行驅動 或者使用如 BCD 碼二 十進制譯 碼器譯碼進行驅動 靜態(tài)驅動使編程簡單 顯示亮度高 2 動態(tài)顯示驅動 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯 示方式之一 動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 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 通由各自獨立的 I O 線控制 當單片機輸出字形碼時 所有數(shù)碼管都接收到相 同的字形碼 但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形 取決于單片機對位選通 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 該位就顯 示出字形 沒有選通的數(shù)碼管就不會亮 通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的 COM 端 就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示 這就是動態(tài)驅動 在輪流顯示過程中 每 位數(shù)碼管的點亮時間為 1 2ms 由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效 應 盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮 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) 不會有閃爍感 動態(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)過對兩種顯示方式的比較分析 靜態(tài)方式需要大量 I O 而動態(tài)掃描顯 示方式能夠節(jié)省大量的 I O 口 且電路結構也比較簡單 顯示效果良好 因此 最終采用動態(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 三個或非門相類似 都是兩個輸入端的其中一端接在 單片機的 16 管腳 WR 而另一端分別接在 P2 5 P2 6 單片機片選電路如圖 3 3 所示 圖 3 3 單片機片選電路 或非門片選電路分析 當單片機通過 P0 口總線輸出數(shù)據(jù)時 16 管腳 WR 為低電平 0 片選信號端 P2 5 P2 7 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 與之前電路結合可以實現(xiàn)片選功能 在本設計中 LED 顯示接口電路如下圖 3 4 所示 圖 3 4 LED 顯示接口電路 電路由 6 個共陰極數(shù)碼管 兩個 74HC573 和一個 ULN2803 組成 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 C000H DFFFH 位碼片選地址為 A000H BFFFH 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 由 于電路使用的是共陰極動態(tài)顯示方式 ULN2803 在位碼數(shù)據(jù)鎖存器后連接八個 數(shù)碼管的 COM 端 可以增強驅動數(shù)碼管的能力 使數(shù)碼管的顯示效果更好 本設計中設置了 Sr Sc SL 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 控制R L C的三個按鍵接入一個10K大小的上拉電阻 起限流保護作用 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 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 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 2 3 1 3 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)器端的輸入信號 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 0 比較器 A1輸出為高電平 A2輸出為低電 1 3 平 即 1 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 定時器內部放電三極管截止 電源 Vcc經(jīng) R1 R2向電容 C 0 充電 uc逐漸升高 當 uc上升到時 A2輸出由 0 翻轉為 1 這時 1 3 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 時刻 uc上升到 比較器 A1的輸出由 1 變?yōu)?0 這時 1 2 3 0 1 R S 觸發(fā)器復 0 定時器輸出 u0 0 期間 放電三極管 T 導通 電容 C 通過 R2放電 uc按指數(shù) 1 2 1 規(guī)律下降 當時比較器 A1輸出由 0 變?yōu)?1 R S 觸發(fā)器的 1 Q 2 3 的狀態(tài)不變 u0的狀態(tài)仍為低電平 時刻 uc下降到 比較器 A2輸出由 1 變?yōu)?0 R S 觸發(fā)器的 2 1 3 1 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?3 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 1 1 2 ln2 0 7 1 2 放電時間 3 3 2 2 ln2 0 7 2 矩形波的振蕩周期 3 4 1 2 ln2 1 2 2 0 7 1 2 2 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 3 5 1 1 1 2 1 2 1 2 2 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 1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 得出 3 7 1 ln2 1 2 1 即 3 8 1 ln2 1 1 2 電路分為 2 檔 1 100Rx 1000 按下電阻測試建 Sr 閉合開關 Srd R2 330 C2 0 22uF 3 9 6 56 6 2 330 2 2 1000Rx 1M 按下電阻測試建 Sr 閉合開關 Srg R1 20K C3 103pF 3 10 1 443 8 2 4 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 T1 t1 t2 ln2 R1 R2 CX ln2 R2 CX 我們設置 R1 R2 得出 3 12 1 3 ln2 1 即 3 13 1 3 ln2 1 電路分為 1 檔 R4 510K R4 R6 3 14 0 94 6 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 1 2 即 3 16 1 4 3 17 38 6 2 電感測試電路見圖 3 10 所示 圖 3 10 電感測試電路 3 4 2 測量電感電路的仿真 PSpice 仿真軟件簡介 這次設計中主要用到 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 相對而言后者比前者較簡單直觀 它既可 以生成新的電路原理圖文件 又可以打開已有的原理圖文件 電路元器件符 號庫中備有各種原器件符號 除了電阻 電容 電感 晶體管 電源等基本 器件及符號外 還有運算放大器 比較器等宏觀模型級符號 組成電路圖 原理圖文件后綴為 sch 圖形文字編輯器自動將原理圖轉化為電路網(wǎng)單文件 以提供給模擬計算程序運行仿真 而在 輸出結果繪圖程序 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行后形成的后綴為 dat 的數(shù)據(jù)文件 它可 以起到萬用表 示波器和掃描儀的作用 在屏幕上繪出仿真結果的波形和曲 線 隨著計算機圖形功能的不斷增強 PC 機上 windows95 98 2000 XP 的 出現(xiàn) Probe 的繪圖能力也越來越強 利用 PSpice 仿真軟件對電容三點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 由仿真結果可知該輸出波形為正弦波 為了方便頻率測量 把該波形通過 555 構成的施密特觸發(fā)器整形為方波 送入單片機 T1 口進行頻率計算 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 P1 4 P1 3 測量類別 00Y0 R 01Y1 C 10Y2 L 11 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 4 電阻 電容 電感測試儀的軟件設計 4 1 I O 口的分配 P1 0 R 測量程序的選擇 P1 1 C 測量程序的選擇 P1 2 L 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 在本設計的模塊中 模塊是以單片機為核心 再通過按鍵控制測量的被測 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 結束 初始化 執(zhí)行鍵功能 有無按鍵操 作 有 無 圖 4 2 RLC 測試儀的軟件流程圖 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 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 No Yes 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 1 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 1 1 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 圖 4 4 頻率計算程序流程圖 開始 程序初始化 數(shù)據(jù)處理 開定時器 TR 1 fw 是否為 1 fw 是否為 1 fw 是否為 0 結束 N N N Y Y Y 5 PCB 板的設計與系統(tǒng)的調試 5 1 PROTEL99SE 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 Protel 99 SE 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 Advanced Schematic 99 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) Advanced PCB 99 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) Advanced Route 99 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) Advanced SIM 99 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) Advanced PLD 99 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) Advanced Integrity 99 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 Protel 99 SE 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 1 PCB 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 為 CPU 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)硬件調試 本設計的硬件部分通過調試 在調試過程中遇到很多問題 由于本單路是 由面包板搭成的 所以電路不穩(wěn)定 剛開始數(shù)碼管全亮但是單片機供電出現(xiàn)問 題 用萬用表測試后發(fā)現(xiàn)單片機地線連接斷路 問題解決后在顯示測試過程中 數(shù)碼管顯示不變 然后發(fā)現(xiàn)一片 573 芯片發(fā)熱 斷電后用萬用表測試發(fā)現(xiàn)連接 該 573 芯片的數(shù)據(jù)口出現(xiàn)斷路 再次更換面包板后 測試顯示部分基本正常 有時會出現(xiàn)數(shù)碼管 g 段顯示不穩(wěn)定 分析后可能因上次 g 段數(shù)據(jù)斷路導致 573 芯片發(fā)熱有損壞 更換新的 573 后顯示正常 其調試內容為 1 面包板接通電源 程序在 KEIL4 0 軟件上運行后 調試數(shù)碼管全亮顯示 效果 數(shù)碼管調試結果如圖 5 2 所示 圖 5 2 數(shù)碼管調試 2 被測電阻的調試 按下 Sr 鍵后 閉合開關 Srg 數(shù)碼管顯示被測電阻 20K 的阻值 電阻調試經(jīng)修正后的結果如圖 5 3 所示 圖 5 3 電阻調試 3 被測電容的調試 按下 Sc 鍵后 數(shù)碼管顯示被測電容 103 的示值 電容調試經(jīng)修正后的結果如圖 5 4 所示 圖 5 4 電容調試 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 振蕩頻率 Hz 系統(tǒng)測量 相對誤差 33069293330 9 20095012052 5 53049815280 4 4700503648924 1 200002596192163 9 4700001574646831 1 b 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 振蕩頻率 Hz 標稱值 pF 相對誤差值 103316101051 0 10429962063 8 224161995839 2 c 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取 第二種途徑是通過理論推導求取 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 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