智能電阻電容和電感測試儀的設(shè)計

1、南 昌 工 程 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文) 信息工程學(xué)院 系（院） 通信技術(shù) 專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 智能電阻、電容和電感測試儀的設(shè)計 學(xué)生姓名 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 2010 年 6 月 19 日智能電阻、電容和電感測試儀的設(shè)計Smart resistors, capacitors and inductors Test Instrument總計 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 頁 表 格 1 個插 圖 12 幅摘 要本文先對設(shè)計功能及要求進(jìn)行了闡述，然后提出要完成該功能的設(shè)計方案，最后會對電阻，電容，電感的測試進(jìn)行設(shè)計。本設(shè)計是利用AT89C52芯片的單片機來實現(xiàn)測試的，其中電

2、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，從而實現(xiàn)各個參數(shù)的測量。這樣，一方面測量精度較高，另一方面便于使儀表實現(xiàn)智能化。關(guān)鍵詞：AT89C52芯片555多諧振蕩電路電容三點式AbstractThis paper first to design function and requirement are expounded, then puts forward to finish the design scheme of the function, and finally to resistance, capacitance and inductance. This

3、 design is used to realize the AT89C52 chip microcontroller test, resistor and capacitor is used at 555 resonance swings, which is produced by the inductance circuits are produced according to SanDianShi capacitance, thus realize each parameter measurement. So, on the one hand, the measurement preci

4、sion, on the other hand to make intelligent instrument.Key words：AT89C52Chip;555 resonance swings circuit; SanDianShi capacitance目 錄摘 要IAbstractI引言1第一章 設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)21.1設(shè)計要求21.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)3第二章 系統(tǒng)硬件電路及芯片介紹42.1 AT89C52單片機42.2 555多諧振蕩電路62.2.1 555電路的工作原理72.2.2 利用555芯片構(gòu)成多諧振蕩器82.3 電容三點式振蕩電路92.4 按鍵電路9第三章 硬件電路測量123.

5、1 電阻測量電路123.2 電容測試電路133.3 電感測試電路14第四章 程序總體模塊15總結(jié)17參考文獻(xiàn)18附 錄 一19附 錄 二20 引言現(xiàn)代電子產(chǎn)品正以前所未有的速度，向著多功能化、體積最小化、功耗最低化的方向發(fā)展，機電產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家電、通信、一般工業(yè)乃至航空航天和軍事領(lǐng)域。無論是日常生活還是高端科技領(lǐng)域，電子技術(shù)的應(yīng)用均日益深入。掌握必備的電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計制作基礎(chǔ)知識和基本技能，能夠滿足我國目前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對廣大技術(shù)工人、工程技術(shù)人員基本素質(zhì)的要求，而且能為從事高端電子系統(tǒng)開發(fā)培養(yǎng)能力和素質(zhì)，適應(yīng)信息時代的需要。目前市面上測量電子元器件參數(shù)R、C和L的儀表種類較多，方法和優(yōu)缺點也各有

6、不同。一般的測量方法都存在計算復(fù)雜，不易實現(xiàn)自動測量而且很難實現(xiàn)智能化等缺點。在本設(shè)計中我們著重介紹一種把電子元件的參數(shù)R，C和I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和L并應(yīng)用LCD顯示的方法。轉(zhuǎn)換原理分別是RC振蕩和LC三點式振蕩，這樣就能夠把模擬量近似轉(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)字化的處理一方面使測量精度提高了，另一方面也便于使儀表實現(xiàn)智能化。第一章 設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)1.1設(shè)計要求（1）測量范圍：電阻1001M；電容100pF10000pF；電感100H10mH。（2）測量精度：±5% 。（3）制作4位數(shù)碼管顯示器，顯示測量數(shù)值，并用發(fā)光

7、二極管分別指示所測元件的類型和單位。（4）使用三個按鍵分別控制R、C、L的測試紅、黃、綠三個二極管分別代表三種類別的測試。 圖1-1示意框圖1.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)電容三點式振蕩被測電阻被測電容被測電感RC振蕩電路RC振蕩電路按鍵選擇測量電路啟動單片機電路AT89C52發(fā)光二極管顯示顯示數(shù)字顯示1-2系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分三大部分，及測量電路，顯示電路和控制電路。測量電路包括：被測電阻，被測電容，被測電感，RC振蕩電路，電容三點式振蕩電路，；控制電路包括：按鍵選擇測量電路，AT89C52單片機,啟動單片機；顯示電路包括：二極管顯示，數(shù)字顯示。第二章 系統(tǒng)硬件電路及芯片介紹2.1 AT89C52單片

8、機AT89C52是美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲器和12B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(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(tǒng)等方面兼容。其主要工作特性是：（1）片內(nèi)程序存儲器內(nèi)含8KB的Flash程序存儲器，可擦寫壽命為1000次；（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲

9、器內(nèi)含256字節(jié)的RAM；（3）具有32根可編程I/O口線；（4）具有3個可編程定時器；（5）中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；（6）串行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口；（7）具有一個數(shù)據(jù)指針DPTR；（8）低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；（9）具有可編程的3級程序鎖定位；（10）AT89C52工作電源電壓為5（1+0.2）V，且典型值為5V；（11）AT89C52最高工作頻率為24MHz。功能特性描述：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工

10、業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電

11、保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性：· 兼容MCS51指令系統(tǒng) ·

12、; 8k可反復(fù)擦寫(>1000次）Flash ROM· 32個雙向I/O口 · 256x8bit內(nèi)部RAM· 3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 · 時鐘頻率0-24MHz· 2個串行中斷 · 可編程UART串行通道· 2個外部中斷源 · 共6個中斷源· 2個讀寫中斷口線 · 3級加密位· 低功耗空閑和掉電模式 · 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能引腳功能特性：·P1.0 T2,時鐘輸出·P1.1 T2EX,(定時/計數(shù)器2)·P2 口：P2 是一個帶

13、有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口P2 寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)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(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時，P2 口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。Flash 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。·P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的

14、8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。·RST：復(fù)位輸入。當(dāng)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(fù)位。·ALE/PROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振

15、蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)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）。如有必要，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。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 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(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無效。·PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，

16、即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。·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(fù)位時內(nèi)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(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。·XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。2.2 555多諧振蕩

17、電路555多諧振蕩電路，是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，應(yīng)用十分廣泛。它是一種產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號的電路，由于內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了三個5K電阻，故取名555電路。其電路類型有雙極型和CMOS型兩大類，二者的結(jié)構(gòu)與工作原理類似。幾乎所有的雙極型產(chǎn)品型號最后的三位數(shù)碼都是555或556；所有的CMOS產(chǎn)品型號最后四位數(shù)碼都是7555或7556，二者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。555和7555是單定時器。556和7556是雙定時器。雙極型的電源電壓VCC+5V+15V，輸出的最大電流可達(dá)200mA，CMOS型的電源電壓為+3+18V。2.2.1 555電路的工作原理 555電

18、路的內(nèi)部電路方框圖如圖2-2-1(a)所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)管T，比較器的參考電壓由三只 5K的電阻器構(gòu)成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器A1 的同相輸入端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1與A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號自6腳，即高電平觸發(fā)輸入并超過參考電平時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關(guān)管截止。 是復(fù)位端（4腳），當(dāng)0，555輸出低電平。平時 端開路或接VCC 。 （a） (b)圖2-2-1 5

19、55定時器內(nèi)部框圖及引腳排列 VC是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1 的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01f的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電通路。555定時器主要是與電阻、電容構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路，可方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換電路。2.2.2 利用555

20、芯片構(gòu)成多諧振蕩器如圖2-2-2(a)，由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端 Ct 放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在和之間充電和放電，其波形如圖2-2-2 (b)所示。輸出信號的時間參數(shù)是 Ttw1tw2， tw10.7(R1R2)C， tw20.7R2C 555電路要求R1 與R2 均應(yīng)大于或等于1K ，但R1R2應(yīng)小于或等于3.3M。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸

21、出能力。因此這種形式的多諧振蕩器應(yīng)用很廣。 （a） (b) 圖2-2-2多諧振蕩器2.3 電容三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路，又稱考畢茲振蕩電路。如圖2-3(a)所示,Q是三極管，其結(jié)構(gòu)與電感三點式振蕩電路相似,只是將電感、電容互換了位置。該電路的交流通路如圖2-3(b) 所示。(a) (b) 圖2-3三點式振蕩電路 電容 C1、C2 和電感 L 構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，反饋信號取自電容 C2 兩端，故稱為電容三點式振蕩電路，也稱電容反饋式振蕩電路。反饋信號與輸入端電壓同相，滿足振蕩的相位平衡條件，LC諧振回路Q值足夠高的條件下，電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率。 計算公式如下：&

22、#160;    其中 電容三點式振蕩器電路的特點是振蕩頻率可做得較高,一般可達(dá)到100MHz以上,由于C2對高次諧波阻抗小,使反饋電壓中的高次諧波成分較小,因而振蕩波形較好。另外當(dāng)振蕩頻率較高時，C1,C2的值很小，三極管的級間電容就會對頻率的產(chǎn)生影響。2.4 按鍵電路按鍵和二極管分別表示不同類別的測量，如下表2-4所示：表2-4按鍵二極管對應(yīng)測試項KEY1L1測試LKEY2L2測試CKEY3L3測試R圖2-4 測量選擇電路圖2-5數(shù)碼管顯示電路第三章 硬件電路測量3.1 電阻測量電路電阻的測量采用“脈沖計數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計

23、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：T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1得出： 即： 電路分為2檔:1檔：100Rx<1000歐姆：IOA5設(shè)置為高電平輸出，IOA7設(shè)為低電平輸出；R2=330歐姆；CC8=0.22uF； 2檔：1000Rx<1M歐姆：IOA6設(shè)置為高電平輸出，IOA8設(shè)為低電平輸出。R1=20k歐姆；C1=104PF； 圖3-1電阻測試電路3.2 電容測試電路電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，如下圖3-2所示由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。55

24、5接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+R2）*Cx+（ln2）R2*Cx我們設(shè)置R1=R2;得出： 即： 電路分為2檔:1檔：100PF<Cx<1000PF;R4510K歐姆：IOA10設(shè)置為高電平輸出； R4=R6； 對應(yīng)的頻率范圍為： 0.94Kfx <9.4K;2檔：1000PF<Cx<10000PF;R1100K歐姆： IOA9設(shè)置為高電平輸出;R5=R6；對應(yīng)的頻率范圍為： 480Hzfx <4.8KHz 圖3-2電容測量電路3.3 電感測試電路電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)的。三點式電路是指：LC回路中

25、與發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射極相連的兩個電抗元件同為電容時的三點式電路，成為電容三點式電路。 得出： 即： 圖3-3電感測量電路第四章 程序總體模塊根據(jù)設(shè)計要求及硬件電路的設(shè)計，智能測試儀的軟件設(shè)計可分為五個模塊，分別是：主程序模塊、中斷采樣程序模塊、轉(zhuǎn)量程程序模塊、顯示程序模塊及數(shù)據(jù)處理程序模塊。主程序模塊中斷采樣程序模塊顯示程序模塊轉(zhuǎn)換量程程序模塊數(shù)據(jù)處理程序模塊圖4-1軟件設(shè)計的總體框圖1. 主程序模塊： 主程序模塊是程序運行的核心軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊之間的關(guān)系，在整個系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度的角色。它的主要功能是對程序進(jìn)行

26、初始化，調(diào)用各個子程序，使程序能夠正常有序的運行。2. 中斷采樣程序模塊： 該模塊的主要功能是將電阻、電容或電感的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使單片機控制系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。3. 轉(zhuǎn)量程程序模塊： 該模塊是根據(jù)測量時測量參數(shù)在量程范圍內(nèi)的超欠，并進(jìn)行量程的自動轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)該測量儀的測量智能化。 4. 顯示程序模塊： 該模塊采用共陰極動態(tài)顯示方式，通過譯碼器依次選通五位數(shù)碼管，對測量結(jié)果進(jìn)行動態(tài)顯示。5. 數(shù)據(jù)處理程序模塊： 該模塊是程序內(nèi)部的一些數(shù)據(jù)處理程序。入口：0000H設(shè)置棧底賦采樣結(jié)果存儲單元，采樣次數(shù)設(shè)置量程轉(zhuǎn)換狀態(tài)信息設(shè)置中斷參數(shù)值，開中斷NY轉(zhuǎn)量程范圍到？轉(zhuǎn)量程濾 波超欠？ 顯示顯

27、示結(jié)果顯示“1”NY顯示“1”07H=1測電阻測電容測電感06H=105H=1判斷20H標(biāo)志位圖4-2主程序流程圖總結(jié) 本文所設(shè)計的RLC測量儀是用555構(gòu)成的多諧振蕩器和電容三點式振蕩電路把R、L、C作為諧振電路中的一個元件，當(dāng)阻抗值變化時諧振電路的輸出頻率將隨著改變，分別用555和電容三點式振蕩電路構(gòu)成了振蕩器測量不同RLC值產(chǎn)生的不同頻率，在內(nèi)部建立頻率阻抗對照表數(shù)據(jù)庫，從測得的頻率值直接查表可獲得元件的阻抗值并顯示。RLC智能測量儀用對小阻抗元件和大阻抗元件能進(jìn)行自動識別，實現(xiàn)測量檔位的自動切換和準(zhǔn)確測量。參考文獻(xiàn)1 何小艇編著，電子系統(tǒng)設(shè)計M，杭州：浙江大學(xué)出版社，2000.10； 2 謝自美主編，電子電路設(shè)計M，武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000； 3 徐愛鈞編著，智能化測量控制儀表原理與設(shè)計M，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.9； 4 何立民編著，MCS-51 系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)配置與接口技術(shù)M，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.1；5 劉守義主編，單片機應(yīng)用技術(shù)M，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.16 馬忠梅，單片機的C語言Windows環(huán)境編程寶典M,