1、 陕西理工学院毕业设计I数字式 R、L、C 测量仪的设计任浩伟（陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业,20011 级 1 班，陕西 汉中 723003）指导教师：梁芳摘要本设计以 AT89C52 单片机为核心，利用 555 多谐振荡原理，设计并制作了一个电阻、电感、电容测试仪。把模拟量转换成频率用单片机测量频率，易测量，且便于使仪表实现自动化，测量精度也高。单片机构成的应用系统有较大的可靠性。在电阻、电容、电感测试系统中，用 LED 来显示测量结果，既简单又显而易见。该设计不仅能够快速、自动测量，而且能够在 LED 上显示结果。经测试，该系统性能稳定，测量精度高，符合设计要求。关
2、键词 AT89C52；555 定时器；频率计陕西理工学院毕业设计IIDesign 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 FangAbstract This
3、design takes the AT89C52 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 instr
4、ument automatic, and the 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
5、be quick and automatic, but 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 555 Timers;AT89C52;Frequency meter陕西理工学院毕业设计III目录引言 .11 任务分析与方案确定 .21.1 任务分析 .21.2 方案论证 .21.2.1 方案一
6、 .21.2.2 方案二 .31.2.3 方案确定 .42 系统硬件设计 .52.1 电阻测量部分 .52.1.1 原理分析 .52.1.2 具体电路 .72.2 电容测量部分 .92.2.1 原理分析 .92.2.2 具体电路 .92.3 电感测量部分 .102.3.1 原理分析 .102.3.2 具体电路 .112.4 通道选择部分 .132.5 显示部分 .132.6 单片机控制部分 .153 系统软件设计 .183.1 总体流程图 .183.2 测频模块 .194 系统安装与测试 .214.1 系统安装 .214.2 测试与分析 .22陕西理工学院毕业设计IV5 结论 .23致 谢 .
7、24参考文献 .25附录 A 英语科技文献原文及其翻译稿 .26附录 B 电路总图 .35附录 C 元器件清单 .36附录 D 源程序 .37陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 49 页引言随着电子技术的发展，电子元器件急剧增加。在应用中我们常常要测定电阻、电容、电感的大小。另外，随着测量技术的飞速发展，测量仪器的已趋向于小型化和智能数字化。而且采用微控制器技术构成的电子系统比传统测量方式有无法比拟的优越性。目前教学实验中普遍采用的数字式万用表对于阻抗的测量却无能为力。因此设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有广泛的使用价值和应用前景。本课题要求采用最新的技术设计并制作出快速,准确,
8、自动检测系统并数字显示的 RLC 测试仪。测试 RLC 的方法比较多, 例如传统的阻抗法、Q 表、电桥平衡法等。这些都不够智能，而且体积笨重，价格昂贵，测试操作过程中需要调节很多参数，对初学者来说很不方便。所以要综合考虑选择合理的方案,这里我们根据任务书的要求结合当前国内外在仪器仪表测试方面的发展状况，采用 555 多谐震荡原理将电阻、电容、电感的值转换成频率进行测量，这样就将模拟信号转换成了数字信号便于进行据处理和计算。其次,要求快速准确和自动检测,这就要求采用 MCU 来实现,这里我们采用最常见的 STC89C52 单片机，利用单片机处理信号和控制，简单快速而且性能稳定不容易出错。最后采用
9、廉价的 7 段数码管显示测量值并且采用发光二极管显示元件类型和单位。确定好方案后就要进行具体电路的设计。硬件方面首先利用 Proteus 软件进行分步仿真，一步步验证并找出存在的问题进行分析解决。然后进行总体仿真，仿真没有问题后就做实物。软件方面利用 Keil 工具采用我们熟悉的 C 语言编写单片机程序，调试、编译后生成 HEX 文件烧进单片机，然后在和 Proteus 级联进行调试。如果出现问题就逐个模块检查，找出问题在解决问题，最后完成任务。制作过程中遇到了很多问题，仿真后硬件并不像我想的那样理所当然的可以直接工作，但是经过我不断的努力最后终于找出了问题的原因。并且想到了解决的办法，最后终
10、于成功的完成了作品。对于这次毕业设计，我很认真的做好每一步，但是由于能力有限错误在所难免，希望老师同学提出批评。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 49 页陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 49 页1 任务分析与方案确定1.1 任务分析本设计要求采用最新的技术设计并制作出快速、准确、自动测量系统并数字显示的 RLC 测试仪。指标要求：（1）测量范围：电阻：1-10M，误差 1%（2）电感：10uH-10mH,误差 1%（3）电容：100PF-10000PF,误差 1%（4）用四位数码管显示各参数值。（5）用发光二极管显示所测元件类型及单位。从任务书中可以看出，此次设计要求首先要快速准确自动测
11、量。其次测量范围广、精度要高，所以要找出合理的方案进行论证。目前，测量电阻、电容、电感的方法多种多样。例如电阻可用串联分压法、直流电桥法、比例运算器法和积分运算器法。电容可用电桥法、恒流法和比较法。电感可用震荡电路、时间常数法和同步分离法等。由于这些测量方法差别都比较大，能同时测量三种参数的方法却很少。所以本次主要选择两种比较全面的方法进行论证，最后选择出比较合适的方法进行设计。1.2 方案论证1.2.1 方案一电桥法是根据比较原理所提出的一种测量电参数的方法，最简单的电桥如图 1.1 所示，四个支路是电桥的四个臂 1。图 1.1 电桥原理假如上图 4 个参数固定，若满足 则中间电表 G 的读
12、数为零。利用这个原理，321ZZ当等式两边四个量中的一个为未知量的时候，如果调节其余三个量的值能使等式成立，也就是让中间电表读数为零，那么就能计算出所求的未知量。这也就是我们平常所说的“平衡电桥”的概念。电桥有直流电桥和交流电桥之分，对于电阻我们采用直流电桥但是对于电感和电容这些电抗元件就必须使用交流电桥。陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 49 页直流电桥就是其电源采用直流，是我们最常见的。如一开始就接触到的惠斯通电桥。原理就不再熬述。电桥的平衡条件为： 3241R则被测电组： Rx交流电桥就是电源采用交流。交流电桥的线路虽然和直流单臂电桥线路具有同样的结构形式，但因为它的四个臂是阻抗，所以
13、它的平衡条件、线路的组成以及实现平衡的调整过程都比直流电桥复杂。平衡条件为： 1 2() ()12n xj jnxZeZe通过调节阻抗 、 使电桥平衡。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可以求出被测参2数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解。1.2.2 方案二很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思想，我们把电子元件的集中参数 R、L、C 转换成频率信号 f,然后测量频率就能算出所求参数。本方案从 555 出发，电阻电容采用 RC 积分电路和 555 构成多谐振荡器，电感部分采用电感的充放电原理也同样利用 555 最后产生方波信号。这样就把模拟的
14、电参数转化成了单片机可以识别的频率信号，再用单片机测量频率。然后再进行分析和计算，就可以得出被测量。系统构成框图如下：被测电阻被测电容被测电感555振荡器555振荡器555振荡器通道选择51单片机按键控制数码管显示陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 49 页图 1.2 方案二系统框图该系统以 51 单片机为核心，可分为五个模块：控制模块、测量模块、选通模块、显示模块 2。（1）控制模块：采用 89C52，扫描键盘值，制选择测量类型和量程切换。（2）测量模块：又分为三个小模块，分别是电阻测量模块，电容测量模块和电感测量模块。电阻测量模块和电容测量模块以 RC 振 荡电路和 555 组成，电感测量
15、模块由电感充放电和 555 构成。该整体模块的功能是将电参数转换成频率。（3）通道选择模块：采用 CD4052 芯片，其实质是一个多路选择器。选择送入单片机的频率信号。（4）显示模块：采用 6 个七段数码管显示优点是操作容易价格低廉。（5）按键控制模块:其实就是三个键盘,选择当前将测试那一个。1.2.3 方案确定方案 1 采用电桥法虽然精度高，但是调节电桥平衡一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。而且电路复杂，实现起来较为困难，不易实现自动测量。方案 2 把模拟量转换成频率用单片机测量频率，一方面容易测量，另一方面便于使仪表实现自动化，测量精度也高，而且单片机构成的应用系统有较大的可
16、靠性。系统扩展性强、配置灵活。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。陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 49 页所以，综合以上分析，本次设计采用方案 2 进行设计。2 系统硬件设计2.1 电阻测量部分2.1.1 原理分析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 3，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 定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面,其内部结构如图 2.1 所示。
