數(shù)字式RLC測量儀的設(shè)計說明

1、 .PAGE44 / NUMPAGES49數(shù)字式R、L、C測量儀的設(shè)計任浩偉（理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院 電子信息工程專業(yè),20011級1班， 723003）指導(dǎo)教師：梁芳摘要本設(shè)計以AT89C52單片機為核心，利用555多諧振蕩原理，設(shè)計并制作了一個電阻、電感、電容測試儀。把模擬量轉(zhuǎn)換成頻率用單片機測量頻率，易測量，且便于使儀表實現(xiàn)自動化，測量精度也高。單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。在電阻、電容、電感測試系統(tǒng)中，用LED來顯示測量結(jié)果，既簡單又顯而易見。該設(shè)計不僅能夠快速、自動測量，而且能夠在LED上顯示結(jié)果。經(jīng)測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高，符合設(shè)計要求。關(guān)鍵詞AT89C52；5

2、55定時器；頻率計Design of Digital Resistance, Inductance, Capacitance TesterRen Haowei (Grade 11,Class 1,Major electronics and information engineering,School of physics and electrical engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)Tutor: Liang FangAbstractThis design takes the AT89C52

3、microcontroller as the core, uses the 555 multi - harmonic oscillation principle, designs and makes a resistance, inductance, the capacitance tester. The analog quantity is converted into the frequency of the frequency measurement, easy to measure, and easy to make the instrument automatic, and the

4、measurement accuracy is also high. The application system of the monolithic integrated circuit has the big reliability. In the resistance, capacitance and inductance of the test system, LED is used to display the results, which is simple and obvious. The design can not only be quick and automatic, b

5、ut also can display the results on LED. After testing, the system performance is stable, the measurement accuracy is high, and it accords with the design requirement.Key words 555Timers;AT89C52;Frequency meter目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358011312引言 PAGEREF _Toc358011312 h 1HYPERLINK l _Toc358

6、0113131任務(wù)分析與方案確定 PAGEREF _Toc358011313 h 2HYPERLINK l _Toc3580113141.1任務(wù)分析 PAGEREF _Toc358011314 h 2HYPERLINK l _Toc3580113151.2方案論證 PAGEREF _Toc358011315 h 2HYPERLINK l _Toc3580113161.2.1方案一 PAGEREF _Toc358011316 h 2HYPERLINK l _Toc3580113171.2.2方案二 PAGEREF _Toc358011317 h 3HYPERLINK l _Toc35801131

7、81.2.3方案確定 PAGEREF _Toc358011318 h 4HYPERLINK l _Toc3580113192系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc358011319 h 5HYPERLINK l _Toc3580113202.1 電阻測量部分 PAGEREF _Toc358011320 h 5HYPERLINK l _Toc3580113212.1.1原理分析 PAGEREF _Toc358011321 h 5HYPERLINK l _Toc3580113222.1.2具體電路 PAGEREF _Toc358011322 h 7HYPERLINK l _Toc358011323

8、2.2 電容測量部分 PAGEREF _Toc358011323 h 9HYPERLINK l _Toc3580113242.2.1原理分析 PAGEREF _Toc358011324 h 9HYPERLINK l _Toc3580113252.2.2具體電路 PAGEREF _Toc358011325 h 9HYPERLINK l _Toc3580113262.3 電感測量部分 PAGEREF _Toc358011326 h 10HYPERLINK l _Toc3580113272.3.1原理分析 PAGEREF _Toc358011327 h 10HYPERLINK l _Toc35801

9、13282.3.2具體電路 PAGEREF _Toc358011328 h 11HYPERLINK l _Toc3580113292.4 通道選擇部分 PAGEREF _Toc358011329 h 13HYPERLINK l _Toc3580113302.5 顯示部分 PAGEREF _Toc358011330 h 13HYPERLINK l _Toc3580113312.6單片機控制部分 PAGEREF _Toc358011331 h 15HYPERLINK l _Toc3580113323系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc358011332 h 18HYPERLINK l _Toc3

10、580113333.1總體流程圖 PAGEREF _Toc358011333 h 18HYPERLINK l _Toc3580113343.2 測頻模塊 PAGEREF _Toc358011334 h 19HYPERLINK l _Toc3580113354系統(tǒng)安裝與測試 PAGEREF _Toc358011335 h 21HYPERLINK l _Toc3580113364.1系統(tǒng)安裝 PAGEREF _Toc358011336 h 21HYPERLINK l _Toc3580113374.2測試與分析 PAGEREF _Toc358011337 h 22HYPERLINK l _Toc35

11、80113385結(jié)論 PAGEREF _Toc358011338 h 23HYPERLINK l _Toc358011339致 PAGEREF _Toc358011339 h 24HYPERLINK l _Toc358011340參考文獻 PAGEREF _Toc358011340 h 25HYPERLINK l _Toc358011342附錄A英語科技文獻原文與其翻譯稿 PAGEREF _Toc358011342 h 26HYPERLINK l _Toc358011343附錄B電路總圖 PAGEREF _Toc358011343 h 35HYPERLINK l _Toc358011344附錄

12、C元器件清單 PAGEREF _Toc358011344 h 36HYPERLINK l _Toc358011345附錄D源程序 PAGEREF _Toc358011345 h 37引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件急劇增加。在應(yīng)用中我們常常要測定電阻、電容、電感的大小。另外，隨著測量技術(shù)的飛速發(fā)展，測量儀器的已趨向于小型化和智能數(shù)字化。而且采用微控制器技術(shù)構(gòu)成的電子系統(tǒng)比傳統(tǒng)測量方式有無法比擬的優(yōu)越性。目前教學(xué)實驗中普遍采用的數(shù)字式萬用表對于阻抗的測量卻無能為力。因此設(shè)計可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感測試儀具有廣泛的使用價值和應(yīng)用前景。本課題要求采用最新的技術(shù)設(shè)計并制作出快速,準(zhǔn)確,自動

13、檢測系統(tǒng)并數(shù)字顯示的RLC測試儀。測試RLC的方法比較多, 例如傳統(tǒng)的阻抗法、Q表、電橋平衡法等。這些都不夠智能，而且體積笨重，價格昂貴，測試操作過程中需要調(diào)節(jié)很多參數(shù)，對初學(xué)者來說很不方便。所以要綜合考慮選擇合理的方案,這里我們根據(jù)任務(wù)書的要求結(jié)合當(dāng)前國外在儀器儀表測試方面的發(fā)展?fàn)顩r，采用555多諧震蕩原理將電阻、電容、電感的值轉(zhuǎn)換成頻率進行測量，這樣就將模擬信號轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號便于進行據(jù)處理和計算。其次,要求快速準(zhǔn)確和自動檢測,這就要求采用MCU來實現(xiàn),這里我們采用最常見的STC89C52單片機，利用單片機處理信號和控制，簡單快速而且性能穩(wěn)定不容易出錯。最后采用廉價的7段數(shù)碼管顯示測量值并

14、且采用發(fā)光二極管顯示元件類型和單位。確定好方案后就要進行具體電路的設(shè)計。硬件方面首先利用Proteus軟件進行分步仿真，一步步驗證并找出存在的問題進行分析解決。然后進行總體仿真，仿真沒有問題后就做實物。軟件方面利用Keil工具采用我們熟悉的C語言編寫單片機程序，調(diào)試、編譯后生成HEX文件燒進單片機，然后在和Proteus級聯(lián)進行調(diào)試。如果出現(xiàn)問題就逐個模塊檢查，找出問題在解決問題，最后完成任務(wù)。制作過程中遇到了很多問題，仿真后硬件并不像我想的那樣理所當(dāng)然的可以直接工作，但是經(jīng)過我不斷的努力最后終于找出了問題的原因。并且想到了解決的辦法，最后終于成功的完成了作品。對于這次畢業(yè)設(shè)計，我很認真的做好

15、每一步，但是由于能力有限錯誤在所難免，希望老師同學(xué)提出批評。1任務(wù)分析與方案確定1.1任務(wù)分析本設(shè)計要求采用最新的技術(shù)設(shè)計并制作出快速、準(zhǔn)確、自動測量系統(tǒng)并數(shù)字顯示的RLC測試儀。指標(biāo)要求：（1）測量圍：電阻：110M，誤差1%（2）電感：10uH10mH,誤差1%（3）電容：100PF10000PF,誤差1%（4）用四位數(shù)碼管顯示各參數(shù)值。（5）用發(fā)光二極管顯示所測元件類型與單位。從任務(wù)書中可以看出，此次設(shè)計要求首先要快速準(zhǔn)確自動測量。其次測量圍廣、精度要高，所以要找出合理的方案進行論證。目前，測量電阻、電容、電感的方法多種多樣。例如電阻可用串聯(lián)分壓法、直流電橋法、比例運算器法和積分運算器法

16、。電容可用電橋法、恒流法和比較法。電感可用震蕩電路、時間常數(shù)法和同步分離法等。由于這些測量方法差別都比較大，能同時測量三種參數(shù)的方法卻很少。所以本次主要選擇兩種比較全面的方法進行論證，最后選擇出比較合適的方法進行設(shè)計。1.2方案論證1.2.1方案一電橋法是根據(jù)比較原理所提出的一種測量電參數(shù)的方法，最簡單的電橋如圖1.1所示，四個支路是電橋的四個臂 。圖1.1 電橋原理假如上圖4個參數(shù)固定，若滿足則中間電表G的讀數(shù)為零。利用這個原理，當(dāng)?shù)仁絻蛇吽膫€量中的一個為未知量的時候，如果調(diào)節(jié)其余三個量的值能使等式成立，也就是讓中間電表讀數(shù)為零，那么就能計算出所求的未知量。這也就是我們平常所說的“平衡電橋”

17、的概念。電橋有直流電橋和交流電橋之分，對于電阻我們采用直流電橋但是對于電感和電容這些電抗元件就必須使用交流電橋。直流電橋就是其電源采用直流，是我們最常見的。如一開始就接觸到的惠斯通電橋。原理就不再熬述。電橋的平衡條件為： 則被測電組： 交流電橋就是電源采用交流。交流電橋的線路雖然和直流單臂電橋線路具有同樣的結(jié)構(gòu)形式，但因為它的四個臂是阻抗，所以它的平衡條件、線路的組成以與實現(xiàn)平衡的調(diào)整過程都比直流電橋復(fù)雜。平衡條件為：通過調(diào)節(jié)阻抗、使電橋平衡。根據(jù)平衡條件以與一些已知的電路參數(shù)就可以求出被測參數(shù)。用這種測量方法，參數(shù)的值還可以通過聯(lián)立方程求解。1.2.2方案二很多儀表都是把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變

18、成精度較高且較容易測量的物理量?；诖怂枷耄覀儼央娮釉募袇?shù)R、L、C轉(zhuǎn)換成頻率信號f,然后測量頻率就能算出所求參數(shù)。本方案從555出發(fā)，電阻電容采用RC積分電路和555構(gòu)成多諧振蕩器，電感部分采用電感的充放電原理也同樣利用555最后產(chǎn)生方波信號。這樣就把模擬的電參數(shù)轉(zhuǎn)化成了單片機可以識別的頻率信號，再用單片機測量頻率。然后再進行分析和計算，就可以得出被測量。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如下：被測電阻被測電容被測電感555振蕩器555振蕩器555振蕩器通道選擇51單片機按鍵控制數(shù)碼管顯示圖1.2 方案二系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)以51單片機為核心，可分為五個模塊：控制模塊、測量模塊、選通模塊、顯示模塊 。（1）控

19、制模塊：采用89C52，掃描鍵盤值，制選擇測量類型和量程切換。（2）測量模塊：又分為三個小模塊，分別是電阻測量模塊，電容測量模塊和電感測量模塊。電阻測量模塊和電容測量模塊以RC振 蕩電路和555組成，電感測量模塊由電感充放電和555構(gòu)成。該整體模塊的功能是將電參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率。（3）通道選擇模塊：采用CD4052芯片，其實質(zhì)是一個多路選擇器。選擇送入單片機的頻率信號。（4）顯示模塊：采用6個七段數(shù)碼管顯示優(yōu)點是操作容易價格低廉。（5）按鍵控制模塊:其實就是三個鍵盤,選擇當(dāng)前將測試那一個。1.2.3方案確定方案1采用電橋法雖然精度高，但是調(diào)節(jié)電橋平衡一般只能手動，電橋的平衡判別亦難用簡單電路實現(xiàn)。

20、而且電路復(fù)雜，實現(xiàn)起來較為困難，不易實現(xiàn)自動測量。方案2把模擬量轉(zhuǎn)換成頻率用單片機測量頻率，一方面容易測量，另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，測量精度也高，而且單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展性強、配置靈活。且應(yīng)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(shè)計時間短，成本低，可靠性高。所以，綜合以上分析，本次設(shè)計采用方案2進行設(shè)計。2系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 電阻測量部分2.1.1原理分析555定時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。以與不需外

21、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(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面,其部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 定時器部結(jié)構(gòu)它由分壓器、比較器、基本RS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2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器A2的參考電壓為1/3Vcc QUOTE ，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)一樣的集成運放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(jié)果作為基本RS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

22、壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器端的輸入信號?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器A1、A2的輸出端控制。由555定時器組成的多諧振蕩器如圖2.2所示，其中R1、Rx和電容C1為外接元件。其工作波如圖2.3所示。圖2.2 555多諧振蕩器工作原理圖圖2.3 波形圖設(shè)電容的初始電壓0，t0時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端01/3Vcc比較器A1輸出為高電平，A2輸出為低電平，即=1，=0，RS觸發(fā)器置1，定時器輸出=1此時=0，定時器部放電三極管截止，電源Vcc經(jīng)R1，向電容C充電，逐漸升高。當(dāng)上升到1/3Vcc QUOTE 時，A2輸出由0翻轉(zhuǎn)為1，這時=1，RS觸發(fā)順保持狀態(tài)

23、不變。所以0tt1期間，定時器輸出為高電平1。t=t1時刻，上升到2/3Vcc，比較器A1的輸出由1變?yōu)?，這時=0，=1，RS觸發(fā)器復(fù)0，定時器輸出=0。tt1t2期間，=1，放電三極管T導(dǎo)通，電容C通過放電。Uc按指數(shù)規(guī)律下降,當(dāng)Uc2/3Vcc時比較器A1輸出由0變?yōu)?，RS觸發(fā)器的= QUOTE =1，Q的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。t=t2時刻，下降到1/3Vcc，比較器A2輸出由1變?yōu)?，RS觸發(fā)器的=1，=0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出=1。此時電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出=1，電容放電時，=0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩

24、形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔?。電容C1的充電所需的時間，即脈沖維持時間：放電所用時間，即脈沖低電平時間：輸出信號的占空比為：所以脈沖周期時間為：輸出脈沖頻率為：被測電阻為：所以只要已知R1、C1和震蕩電路的頻率就能求出R的值。2.1.2具體電路具體電圖以與參數(shù)如圖2.4：圖2.4 電阻測量電路電路中使用定時器為NE555，為了提高測量精度，基準(zhǔn)電阻R1選擇精度為0.1%的精密電阻，電容C3、C4選擇高精度的聚苯乙烯電容，由于電阻的測量圍較廣，定時器輸出的波形的占空比變化圍較大，為了防止占空比過大或過小，單片機難以捕捉到波形的邊沿

25、變化，設(shè)計中在定時器輸出端接上一個D觸發(fā)器將輸出信號2分頻同時將信號整形為50%占空比的方波。整形前后波形如圖2.5所示。圖2.5 整形前后仿真波形由于單片機的晶振頻率為12M所以單片機能識別的頻率信號上限為500kHz，而在10Hz到150kHz的圍反應(yīng)最靈敏，精度最高，所以設(shè)計中參數(shù)要合理讓頻率落在10Hz到150kHz的圍。因此設(shè)電阻測量分為兩檔。圖中兩個雙聯(lián)開關(guān)控制量程選擇，當(dāng)按下開關(guān)SW11時單片機選擇小量程，當(dāng)按下開關(guān)SW12時單片機選擇大量程。（1）小量程：電容C1選擇5uF， R1=1k， 此時當(dāng)Rx=0時，=26.23Hz；當(dāng)Rx=5k時，=288.6Hz；滿足單片機的頻率要

26、求，所以小量程的測量圍為：0-5k（2）大量程電容C1選擇1nF， R1=1k， 此時當(dāng)Rx=5k時，=131.2kHz；當(dāng)Rx=10M時，=721Hz；滿足單片機的頻率要求，所以大量程的測量圍為：5k-1M2.2 電容測量部分2.2.1原理分析電容測量原理和電阻的一樣在次就不再重復(fù)論述 。由于已在電阻原理部分推導(dǎo)出輸出脈沖頻率為： 所以待測電感為：所以只要已知R1、R2、和頻率就能計算出電容的值。2.2.2具體電路由于設(shè)計要求測量得電容容值在100pF到10000pF之間，容值較小，要由RC振蕩產(chǎn)生較低頻率的信號就必須將電阻的參數(shù)選很大，但一般大電阻都難以保證很高的精度。本設(shè)計中定時器選用T

27、LC555作為定時器，相對NE555,TLC555具有更高的速度，和溫度特性，能工作在更高的頻率下產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號。同電容測量一樣，為了在電阻測量圍保證震蕩頻率落在10Hz到150kHz的圍，設(shè)計中分為兩檔，通過按鍵選擇量程切換。電路具體參數(shù)如圖2.6所示。圖2.6 電容測量電路（1）小量程：選擇R1=R2=510k，此時 當(dāng)=100pF時 =9.49kHz當(dāng)=1000pF時 =949Hz滿足單片機對頻率要求，所以小量程的測量圍為：100pF-1000pF（2）大量程選擇R1=R2=10k，此時 當(dāng)=1000pF時 =48.1kHz 當(dāng)=10000pF時 =4.81kHz滿足單片機對頻率要求

28、，所以小量程的測量圍為：1000pF-10000pF2.3 電感測量理部分2.3.1原理分析電感測量原理圖如圖2.7所示 圖2.7 電感測量原理圖用555定時器和被測電感構(gòu)成多諧振蕩器，通過頻率值來確定被測電感。R1、Lx、D1為電路的定時元件。3腳輸出為TTL電平頻率隨L1而變化的方波信號。通電后，Lx中的電流不能突變，R1和Lx中的流從無到有，Lx中的磁通也隨之變化，從而產(chǎn)生變化的電動勢。2、6腳電壓V(2、6)=VCC，3腳的電壓為低電平，555部放電管導(dǎo)通。7腳與地聯(lián)通，為低電平，是L1、R1回路電流按指數(shù)規(guī)律上升。R上壓降VRV（2、6）。當(dāng)V(2、6)=1/3VCC時，電路翻轉(zhuǎn)。3

29、腳輸出高電平，7腳與地斷開，電感L1的反電動勢按指數(shù)規(guī)律減小，VR也隨之減小，V（2、6）開始上升，當(dāng)V(2、6)=2/3VCC時，電路再次翻轉(zhuǎn)。3腳出現(xiàn)低電平，7腳又與地接通，Lx再次充電，重復(fù)上述過程。從而實現(xiàn)自振蕩。VR波形與最終輸出波形如圖2.8所示。電路輸出波形高低電平時間分別為：；所以輸出頻率為： 即可求出電感量： 圖2.8 電感測量波形2.3.2具體電路鑒于題目要求測量電感的圍，由理論分析可知電路的輸出頻率很高，必須對輸出信號做分頻，單片機才能處理。設(shè)計中，同電容測量模塊采用高速定時器TLC555，由于電感測量時輸出頻率最高能達到3.6M超出單片機識別圍，所以采用計數(shù)器74LS1

30、60對信號做10分頻，不僅滿足測量要求還擴大了測量的圍。電路中放電二極管采用高速肖特基二極管1N4148以提高電路的階躍響應(yīng)。，所以必須采用分頻電路具體參數(shù)如圖2.9所示。10分頻后波形如圖2.10所示 。圖2.9 電感測量具體電路圖2.10 分頻前后仿真波形電感測量時電阻R1選擇50因為所以當(dāng)Lx=10uH時 =3.6MHz， 十分頻后=360kHZ；當(dāng)Lx=10MH時 =3.6kHz， 十分頻后=360Hz；滿足單片機頻率要求，所以電感測量只有一個量程10uH-10MH。2.4 通道選擇部分本設(shè)計中將模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率信號后通過單片機的T0口測量頻率值，應(yīng)為有電阻、電感、電容三個對于頻率信

31、號 ，所以需要對3路信號進行選擇，最后只有一路信號送至單片機T0口進行頻率測量。在此采用模擬開關(guān)8選1的多路模擬開關(guān)CD4052做為3路通道作選擇。有單片機控制到底選擇哪一個信號進行測量。具體電路如圖2-11所示。圖2.11 通道選擇電路CD4052是差分四通道數(shù)字控制模擬開關(guān)器件，有A和B兩個二進制控制輸入端和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(dāng)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(guān)控制如表2.1 所示。表2.1 多路選擇開關(guān)控制P3.0 P3.

32、1測量類別00X001X110X211X32.5 顯示部分 顯示部分如下圖2.12所示圖2.12 顯示部分電路在電阻、電容、電感測試系統(tǒng)中 ，用LED來顯示測量結(jié)果，既簡單又顯而易見。LED選用六個七段數(shù)數(shù)碼管，七位數(shù)碼管以共陰極的方式與單片機連接。單片機P0口接數(shù)碼管段選端，P2口接位選端。通過給P0、P2口賦值就能控制數(shù)碼管的顯示。由于單片機P0口需要上拉電阻所以選用1K的排阻。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(jié)果更為簡單可行。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)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(qū)動方式的不同，可以

33、分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。1)靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動，靜態(tài)驅(qū)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(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動使編程簡單，顯示亮度高。2)動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)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(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到一樣的字形碼，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

34、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(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象與發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，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(jié)構(gòu)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。2.6

35、單片機控制部分圖2.13 52單片機管腳圖上圖為單片機管腳圖。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes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)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時含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

36、法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。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。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，以與數(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(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)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)：部有128個8位用戶數(shù)據(jù)

37、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(jié)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(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)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。6)全雙工串行口：置一個全雙工串行通信口，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

38、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：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(shè)計中單片機的控制部分電路圖如圖2.14：圖2.14 單片機控制部分電路接口說明：P0口：數(shù)碼管段選P2口：數(shù)碼管位選P1.0口：電阻測量選擇位P1.1口：電容測量選擇位P1.2口：電感測量選擇位P1.3口：電阻低量程選擇位P1.4口：電阻高量程選擇位P1.4口：電容低量程選擇位P1.5口：電容高量程選擇位P3.6口：單位K指示位P3.

39、7口：單位1指示位XTAL1，XTAL2：外接12M晶振接口RST:復(fù)位電路接口本系統(tǒng)設(shè)計控制部分由單片機完成，其中P0口接數(shù)碼管段選P2接數(shù)碼管位選，控制數(shù)碼管顯示。P3.4口為定時/計數(shù)器T0口主要接受頻率信號，這里T1口工作為計數(shù)方式。由于要實現(xiàn)自動測量所以需要按鍵也比較少，上圖中SW3、SW2、SW1為類型選擇按鍵，按下SW3表示當(dāng)前測量的元件是電阻，按下SW2表示當(dāng)前測量的是電感，按下SW1表示當(dāng)前測量的是電容。同時用三個不同顏色的發(fā)光二極管來表示待測元件類型，D4、D5位單位指示，D4表示單位為K其實也就是大量程，D5表示單位為1也就是小量程。P3.5和P3.6接兩個LED燈用來顯

40、示單位。3系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1總體流程圖總體軟件流程圖如下：定時器初始化 L測試C測試R測試按鍵分析設(shè)置狀態(tài)單片機數(shù)據(jù)處理顯示開始有鍵按下YN圖3.1 軟件總流程圖軟件部分采用C語言編寫，程序簡單明了。單片機上電后先系統(tǒng)初始化，然后進入按鍵掃描子程序掃描按鍵，當(dāng)有按鍵時先判斷按鍵類型，然后把相應(yīng)的單片機接口變成低電平，單片機接收到低電平信號后，決定測量類型，然后開啟定時器測量頻率。頻率測量完畢后進行數(shù)據(jù)分析處理，最后在數(shù)碼管上顯示。程序主要包括一下幾部分：（1）頻率測量部分：這部分利用測頻法測量頻率，定時計數(shù)器工作在方式1，T1做定時器，T0做計數(shù)器。(2) 顯示部分：采用動態(tài)掃描方式，P0口送

41、段選，P2口送位選，循環(huán)顯示結(jié)果。(3) 延時部分：(4) 按鍵控制部分：(5) 中斷處理部分：計數(shù)中斷用來計數(shù)從而得出所測頻率，定時中斷定時40us，通過計數(shù)從而定出1S定時。3.2 測頻模塊頻率測量部分是本次設(shè)計的核心，主要用單片機通過軟件方式實現(xiàn)，單片機測量頻率主要有兩種方法，測頻法和測周法，下面對著兩種方法進行簡要說明。 測周法：該方法是將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號fx1送到計數(shù)器輸入端，而讓被測頻率信號fx2控制計數(shù)器的技術(shù)時間，所得的計數(shù)值N2與fx2有如下關(guān)系： fx2=fx1/N2 原理圖如下：圖3.2 測周法原理圖當(dāng)檢測到高電平時開定時器開始計數(shù)，然后檢測低電平，當(dāng)檢測到低電平時已經(jīng)測得脈

42、沖的脈寬，但我們測得是頻率，故在程序中繼續(xù)檢測等待下一個高電平的到來，此時關(guān)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。測頻法： 測頻法就是將被測信號加到計數(shù)器的輸入端，計數(shù)器在標(biāo)準(zhǔn)時間Tt進行技術(shù)所得的計數(shù)值N1與被測信號的頻率fx有如下關(guān)系： fx=N1/Tt如果我們選擇Tt=1S那么計數(shù)值N就是所測頻率值。從上面的分析可以看出測周法適用與低頻信號，測頻法適用于高頻信號，本次設(shè)計中頻率主要集中在高頻段，為了滿足測量精度達到要求，所以本次測量采用測頻法。測量時單片機利用T0定時，利用T1計數(shù)。首先單片機先初始化定

43、時計數(shù)器，設(shè)置初值開中斷。定時器計數(shù)器以中斷的方式工作，定時時設(shè)置40us時發(fā)生中斷，這樣中斷250次剛好是1S，此時計數(shù)器的中斷值就是當(dāng)前所測得的頻率值。然后單片機就進行數(shù)據(jù)分析和處理，最后控制數(shù)碼管顯示測量值。軟件流程圖如下:定時器初始化 TR1=0;TR0=0停止定時計數(shù)數(shù)據(jù)處理顯示開始定時1S到否TR1=1;TR0=1T1開始定時T0開始計數(shù)NY圖3.3 測頻部分流程圖4系統(tǒng)安裝與測試4.1系統(tǒng)安裝 首先按照一般的設(shè)計步驟，現(xiàn)在軟件里面仿真，仿真成功后再做出實物驗證、調(diào)試 。本次設(shè)計采用Proteus進行仿真，仿真時采用分步仿真，遇到問題就逐個解決，最后在整體仿真。在仿真過程中遇到了不

44、少問題，不過經(jīng)過老師和同學(xué)的幫助最后終于成功仿真出來。硬件部分也采取類似的方法。圖4.1 實物電路圖4.2測試與分析（1）電阻的測量電阻的一組測量數(shù)據(jù)如下表4.1所示：表4.1 電阻測量電阻標(biāo)值萬用表讀數(shù)本儀表讀數(shù)相對誤差109.911.2413.5100101.2102.41.11K1000998.540.141M999.5k990.2k0.9（2）電容的測量電容的一組測量數(shù)據(jù)如下表4.2所示：表4.2 電容測量電容標(biāo)值本儀表讀數(shù)相對誤差%100pF90.12pf9.81000pf980.34pf1.910000pf9750.2pf2.5（3）電感的測量電感的一組測量數(shù)據(jù)如下表4.3所示：表

45、4.3 電感測量電感標(biāo)值本儀表讀數(shù)相對誤差%100uH95.98uH4.21mH1.02mH2（4）系統(tǒng)誤差分析相對誤差計算公式 ： 由表可知當(dāng)測量元件參數(shù)過大或過小時測量誤差將隨之增大，通過分析知，本設(shè)計采用的是諧振頻率法測量元件，當(dāng)元件參數(shù)過大時其諧振頻率較小，反之，其諧振頻率較大，由于振蕩電路產(chǎn)生的頻率不太穩(wěn)定，而程序中的參數(shù)都是基于理論值的，最后通過幾個測量將程序中的數(shù)據(jù)處理參數(shù)矯正，但是只能通過取點式的找?guī)讉€特殊值，所以參數(shù)的設(shè)定不能做到很精確，加之單片機的性能所限，頻率過低或過高時測量精度將隨之降低，同時系統(tǒng)中各元件自身的精度也將影響該儀器的精度。這些因素都形成了器件測量的誤差和限

46、制了測量圍 。（5）系統(tǒng)改進由以上分析知，各測量模塊選擇更精密的元件，增加各測量模塊的檔位以限制輸出頻率或選用更好的單片機，通過更多的測量讓程序中的參數(shù)更加精確。合理的布局實物中的電路避免問題。這些都將增大該儀器的測量圍，提高系統(tǒng)的測量精度。對于量程轉(zhuǎn)換部分可以采用繼電器實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換。5結(jié)論畢業(yè)論文是一次非常好的將理論與實際相結(jié)合的機會，通過對電阻、電容、電感測試儀的課題設(shè)計，鍛煉了我的實際動手能力，增強了我解決實際問題的能力，也為將來的工作打下了基礎(chǔ)。本設(shè)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(diào)試和維護方便，而且以MCS-52單片機最小系統(tǒng)

47、為核心的設(shè)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，被測頻率通過CD4052模擬開關(guān)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(yīng)程序,能靈活控制被測參數(shù)的檔位切換。經(jīng)過測試，完成了設(shè)計設(shè)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，由于時間的關(guān)系和自己的能力有限，所以測量誤差比較大，希望在之后的設(shè)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。總體來說，本次設(shè)計是成功的。 致在本次論文的撰寫中，我得到了梁

48、芳老師的精心指導(dǎo)，不管是從開始查資料準(zhǔn)備還是中間設(shè)計制作的過程中，一直都耐心地給予我指導(dǎo)和意見，使我在專業(yè)知識和撰寫論文方面都有了較大提高；同時也顯示了老師高度的敬業(yè)精神和責(zé)任感。在此，我對梁芳表示誠摯的感以與真心的祝福。 四年大學(xué)生活即將結(jié)束，回顧幾年的歷程，老師們給了我們很多指導(dǎo)和幫助。他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)，優(yōu)良的作風(fēng)和敬業(yè)的態(tài)度，為我們樹立了為人師表的典。在此，我對所有的老師表示感，祝你們身體健康，工作順利！參考文獻1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第5版)M:高等教育,2006. 2華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)M.:高等教育,2006. 3閆玉德.單片機原理與應(yīng)用:C語言版M.:機械工

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50、-Accuracy Automated Resistance Bridge for Measuring Quantum Hall Devices.Publication Year:1985,Page(s):320-322.11Yang Zhizhong . Digital electronic technology Second Edition higher education press, 2004.2.附錄A：英語科技文獻原文與其翻譯稿Based on virtual instrument RLC parameter automatic measuring system1Introduct

51、ionRLC parameter measuring instrument is used for component concentration measurement RLC parameter, mutual inductance and capacitance M C and quality factor Q measuring instrument. Traditional RLC parameter measurement instrument, such as various communication bridge in measuring resistor, inductor

52、, bridge, when need artificial elements such as parameters adjustment on technical personnel, shift to balance null observation, we get to R, L, C and other components of the various parameters, need adjustment, and the measurement precision and with certain man-made factors, the error. With the dev

53、elopment of computer technology and equipment technology progress, instrument to intelligence, automation, virtualization of development. Automatic test instrument RLC abroad, but large, expensive 1,2. Based on PCI interface chip and CPLD chip design based on PCI bus RLC parameter automatic measurem

54、ent system components, use LabWindows/CVI for software development platform, make the system small volume, convenient, cheap price, upgrade and has good man-machine interface.2 measuring principleMeasuring resistor, inductor, the parameters of the main elements such as bridge in three ways: bridge r

55、esonance method, and voltammetry. Bridge resonance method and principle of measurement is the main technical personnel, need to realize automatic adjustment, repeated measurements. Voltammetry definition of impedance measurements from being measured, sacrificed if known through the impedance measure

56、ment vector current and tested on both ends of the voltage, resistance ratio can be got by being measured vector impedance. Obviously, this method to realize the computer must have the aid of vector measurement and divide. Voltammetry are fixed axis and free axes of the two, fixed axis of hardware d

57、emanding and existence with error, has rarely used, and the method of using computers in free shaft RLC parameter measuring element in a wide range of applications. Free axis method for measuring the parameters of the principle of RLC is shown in figure 1. By measuring the Ux voltage impedance ZX en

58、ds with the standard of voltage ZS impedance at the relation graph 2 Us. Visible, respectively, as measured in orthogonal coordinate UX US on two projection values by type (1), can be obtained by impedance ZX 2.Figure 1 measuring principle diagramType, e for A/D converter scale coefficients, namely

59、each number represents the voltage, A method for the Ui corresponding digital (i. = 1, 2, 3, 4), which is the Ui through the integral method, the A/D converter and generally adopted standard resistance RS ZS.3 measurement of the system hardware designAccording to the above principles, the design of

60、automatic measurement system RLC parameter composition diagram is shown in figure 1. As shown in figure each gives all parts of the computer to A card, this is A component based on PCI bus RLC parameter measuring boards, mainly by the PCI interface circuit, A/D circuit, sine signal generator, the be