rlc测量仪设计论文

1毕业设计（论文）课题名称RLC测量仪设计学生姓名学号系、年级专业指导教师2012年12月30日11索引摘要……………………………………………………………1引言……………………………………………………………1设计要求………………………………………………………1设计框图……………………………………………………….2单片机介绍…………………………………………………….3单片机系统与显示部分电路………………………………….4555多谢振荡器介绍…………………………………………..6TLC1543介绍………………………………………………….7电压测量方案………………………………………………….电阻测量方案电容测量方案软件设计流程图总结参考文献附带的仿真、制版图和实物图，及程序1引言：随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适应范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常需要测量电阻的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电阻、电容、电压测量仪具有极大的现实必要性。此次设计我们采用的方法为：电阻测量方案：待测电阻与已知电阻进行分压，电压比等于电阻比，依此来算出待测电阻的大小，测量不同阻值的电阻可以用不同阻值的电阻分成几个测量档位，可以适当减小误差。因为我们此次设计为验证性的，所以我们只设计了一个档位。电压测量方案：电压测量我们是用11通道的十位数模转换芯片TLC1543进行电压采集，采集数据交由单片机处理并且显示。同样，此芯片我们应用在了电阻测量中的电压数据采集部分。由于我们采用基准源是由TL431产生的2.5V电压，因此，我们采用了电阻分压的方法来扩大测量范围，我们只设定了一个档位进行验证。电容测量方案：电容的测量方案我们采用的是由555多谐振荡器产生随电容大小变化的方波，通过单片机对方波周期的测量，测出电容充放电时间，通过公式求出电容值的大小。设计要求：用电阻和电容的充、放电电路可计算电路时间常数。用A/D转换器测量电压值，能测得时间常数值，经单片机计算，算出电阻或电容值并在LCD上显示。系统框图：1STC单片机及显示电路的设计STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。特点：1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU。2.工作电压：5.5V–3.4V。3.工作频率范围：0–40MHZ，相当于普通8051的0-80MHZ，实际工作频率可达48MHZ。4.用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节。5.片上集成1280字节/512字节RAM。6.通用I/O口（32/36个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉P0口是开漏输出，作为总线扩展用是，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需要上拉电阻。7.ISP（在线可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片。8.EEPROM功能。9.看门狗。STC89C51555多谐振荡电路TLC1543模数转换LCD显示待测电容待测电压待测电阻110.内部集成MAX810专门复位电路，外部晶振20M以下时，可省外部复位电路。11.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器用。12.外部中断4个，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。13.通用异步串行口（UART），还可以用定时器实现多个UART。14.工作温度范围：0–75℃/-40–85℃。15.封装：DIP-40,PDIP-40,LQFP-44,PQFP-44。本设计中单片机最小系统及显示电路的设计电路如下图所示：555多谐振荡电路的设计555定时器简介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定时器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,其内部结构如下图(A)部分及管脚排列如下图(B)部分所示。1它由分压器、比较器、基本R--S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5KΩ的等值电阻串联而成。分压器为比较器A1、A2提供参考电压，比较器A1的参考电压为，加在同相输入端，比较器A2的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放A1、A2组成。高电平触发信号加在A1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在A2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S触发器端的输入信号。基本R--S触发器的输出状态受比较器A1、A2的输出端控制。多谐振荡器工作原理由555定时器组成的多谐振荡器如下图(C)部分所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)部分所示。1设电容的初始电压Uc＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTH＝VTL＝0CCV31，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即=1，=0(1表示高电位，0表示低电位)，R--S触发器置1，定时器输出u0=1此时，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经R1，R2向电容C充电，uc逐渐升高。当uc上升到CCV31时，A2输出由0翻转为1，这时==1，R--S触发顺保持状态不变。所以0tt1期间，定时器输出u0为高电平1。1tt时刻，uc上升到CCV32，比较器A1的输出由1变为0，这时=0，=1，R--S触发器复0，定时器输出u0=0。1tt2t期间，，放电三极管T导通，电容C通过R2放电。uc按指数规律下降,当cuCCV32时比较器A1输出由0变为1，R--S触发器的==1，Q的状态不变，u0的状态仍为低电平。2tt时刻，uc下降到CCV31，比较器A2输出由1变为0，R--S触发器的=1，=0，触发器处于1，定时器输出u0=1。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u0=1，电容放电时，u0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。3)振荡周期由图(D)可知，振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。1充电时间：(3-2)放电时间：(3-3)矩形波的振荡周期：(3-4)因此改变R1、R2和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。TLC1543介绍:TLC1543美国TI司生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543为20脚DIP装的CMOS10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图1所示。其中A0～A10（1～9、11、12脚）为11个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/OCLOCK（18脚）和DATAOUT（16脚）。ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个1的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATAOUT为A/D换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/OCLOCK数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（10µS转换时间），高精度（10分辨率，最大±1LSB不可调整误差）和低噪声的特点。1图1引脚排列1．TLC1543工作时序TLC1543工作时序如图2示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或禁止，工作时CS必须置低电平。CS为高电平时，I/OCLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATAOUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/OCLOCK、ADDRESS使能，DATAOUT脱离高阻状态。随后，CPU向ADDRESS提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送到采样保持电路。同时，I/OCLOCK输入时钟时序，CPU从DATAOUT端接收前一次A/D转换结果。I/OCLOCK从CPU接收10时钟长度的时钟序列。前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4个I/OCLOCK下降沿，而采样一直持续6个I/OCLOCK周期，并一直保持到第10个I/OCLOCK下降沿。转换过程中，CS的下降沿使DATAOUT引脚脱离高阻状态并起动一次I/OCLOCK工作过程。CS上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATAOUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/OCLOCK和ADDRESS端。12软硬件设计要点TLC1543三个控制输入端CS、I/OCLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI口。但大多数单片机均未内置SPI口（如目前国内广泛采用的MCS51和PIC列单片机），需通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。TLC1543芯片的三个输入端和一个输出端与51系列单片机的I/O口可直接连接，具体连接方式可参见图3。软件设计中，应注意区分TLC1543的11个模拟输入通道和3个内部测试电压地址（后3个地址只用来测试你写的地址是不是正确的，真正使用时不用后三个地址）。附表为模拟通道和内部电压测试地址。程序软件编写应注意TLC1543通道地址必须为写入字节的高四位，而CPU读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。附表1电压测量方案：方法通过TLC1543的电压采集通道提取电压值。通过TL431取得稳定的2.5V电压信号，则TLC1543的分辨率为2.5/1023V，用9k和1k的电阻分压，将1k电阻的分压值采样，可将电压量程扩展到25V。如果需要更大的量程，可以用更大的电阻分压。在此，我们仅用了9k和1k分压的一个档位。原理图如下：1电阻测量方案：通过测量如图两点电压可以分别得出两电阻所分的电压大小，通过公式Rx/R7=Ux/Ur7可以算出电阻值Rx的大小。电容测量方案：电容测量方案为555多谢振荡器，通过改变电容参数的大小改变其产生方波的周期，通过其周期的大小来计算电容值的大小。1Cx=T/（ln2*（R1+2R*2））周期T的提取由单片机的中断系统和定时计数系统完成。当检测到前一时间为低电平，后一时间为高电平时启动定时器和计数器，当定时器溢出时向计数器加一，当再次检测到前一时间为低电平，后一时间为高电平时关闭定时器和计数器。如图所示为定时计数启动停止时机。1程序流程图：总结：通过段时间的努力我们成功做出了电阻、电容、电压测量仪的实物，通过检测，在合适的的范围呢测定的参数符合要求，误差较小。在设计过程中我们上网、跑图书馆搜集资料，锻炼了我们的资料搜集筛选能力。用计算机进行软件的设计仿真，锻炼了我们对相关软件的应用能力。通过制作硬件电路，锻炼了我们的动手能力。功夫不负有心人，我们成功了，收获了知识与喜悦。再此我们要感谢这次锻炼机会，感谢队员之间的团结协作，让我们大学生活多出了一段难忘的时光。参考文献：[1]张毅刚单片机原理与应用设计电子工业出版社[2]郭天祥51单片机c语言教程电子工业出版社开始