电阻电感电容测试仪

德州学院物理系09级电子信息工程专业课程设计1电阻、电容、电感测试仪唐先勇（德州学院物理系，山东德州253023）摘要系统的硬件设计是以MCS-51单片机为核心的电阻、电容、电感测试仪，将电阻，电容，电感，使用对应的振荡电路转化为频率实现各个参数的测量。其中电阻和电容是采用555多谐振荡电路产生的，而电感则是根据电容三点式产生的，将振荡频率送入AT89C52的计数端端，通过定时并且计数可以计算出被测频率，再通过该频率计算出被测参数。系统的软件设计是以Keil51为仿真平台，使用C语言与汇编语言混合编程编写了系统应用软件；包括主程序模块、显示模块、电阻测试模块、电容测试模块和电感测试模块。关键词单片机；555多谐振荡电路；LED动态显示模块；电容三点式振荡1绪论目前，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。因此，设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。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。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。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。由于测量电阻，电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考555振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用555振荡器将被测参数转化为频率，这里我们将RLC的测量电路产生的频率送入AT89C52的计数端端，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参数。2系统总体设计德州学院物理系09级电子信息工程专业课程设计22.1电阻、电容、电感测试仪设计方案比较电阻、电容、电感测试仪的设计可用多种方案完成，例如利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电容可用恒流法和比较法，电感可用时间常数发和同步分离法等、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前对各种方案进行了比较：1)利用纯模拟电路虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。2)可编程逻辑控制器(PLC)应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高。3)采用CPLD或FPGA实现应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言规模大，结构复杂。4)利用振荡电路与单片机结合利用555多谐振荡电路将电阻，电容参数转化为频率，而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置灵活。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。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。综上所述，利用振荡电路与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本次设计选定以单片机为核心来进行。2.2系统的原理框图德州学院物理系09级电子信息工程专业课程设计3本设计中，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用MCS-51系列的单片机为核心来实现电阻、电容、电感测试仪的控制。系统分四大部分：测量电路、控制电路、通道选择和显示电路。通过P1.3和P1.4向模拟开关送两位地址信号，取得相应的振荡频率，然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据进行处理后，得出相应的参数值。系统设计框图如图2.1如下所示。被测电容被测电阻51单片机LED显示被测电感电容三点式振荡电路RC振荡电路RC振荡电路多路选择开关CD4052二极管指示灯按键选择测量电路图2.1系统设计框图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89C51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。德州学院物理系09级电子信息工程专业课程设计43)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。3系统硬件设计3.1MCS-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。本设计中单片机的设计电路如下图3.1所示：EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(AD0)P0.039(AD1)P0.138(AD2)P0.237(AD3)P0.336(AD4)P0.435(AD5)P0.534(AD6)P0.633(AD7)P0.732(A8)P2.021(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30(TXD)P3.111(RXD)P3.010GND20VCC40U1AT89C51VCCGND1KR1Res21uFC1CapS1SW-PB12YXTALGNDVCC30pC2Cap30pC3CapGNDx1x2x1x2图3.1单片机的设计电路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(3-1)当需要复位时，也可以按下复位按键，进行复位。德州学院物理系09级电子信息工程专业课程设计53.2LED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3.2所示：R3Res2R4Res2R5Res2S2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBD1D2D3GNDP1.0P1.1P1.2VCC图3.2发光二极管的接口电路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VCC5V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。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。德州学院物理系09级电子信息工程专业课程设计6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(AT89S52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3.3所示。德州学院物理系09级电子信息工程专业课程设计7231U5ASN74F02D564U5BSN74F02DP2.5P2.6WDLE1LE2图3.3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3.4所示：231U5ASN74F02D564