单片机课程设计电容电阻参数单片机测试系统的设计说明.docx
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单片机课程设计电容电阻参数单片机测试系统的设计说明
湖北师学院
课程设计
课程单片机
题目电容、电阻参数单片机测试系统的设计
院系机电与控制工程学院
专业班级
学生姓名
学生学号
指导教师
1.任务书
设计一个能测量电容、电阻参数的测试系统。
具体要求：
（1）测量围：
电阻100Ω——1MΩ;电容100pF——10000pF。
（2）测量精度：
±5%。
（3）选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。
（4）利用ProtelDXP软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清单。
目 录
绪论
随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用围也逐渐广泛起来，在应用中本设计常常要测定电阻，电容的大小。
因此，设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，有极大的现实必要性。
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。
电阻和电容的测量是采用555多谐震荡电路产生的，定时器可以利用外部的时钟源来计数，这里本设计将RC的测量电路产生的频率作为单片机的时钟源，通过定时和计数可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。
本系统是通过16位单片机89C51测量电阻、电容对应震荡电路所产生的频率实现各个参数的测量，一方面可以提高测量精度，另一方面便于使仪表实现自动化，而且还能加入语音播报的功能使其更加智能化。
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
2.方案比较与论证
2.1电阻、电容测试仪设计方案的比较
电阻、电容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，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MAXPLUS
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，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方案论证
测量电子元器件集中参数R、C的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有其优缺点，一般的测量方法都存在计算复杂、不易实现自动测量而且很难实现智能化。
在这里本设计着重要介绍的是把电子元件的参数R、C转换成频率信号f，然后用单片机计数后再运算求出R、C，并送显示，转换原理是RC振荡，这样就能把模拟量近似转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化的处理便于使仪表实现智能化。
方案中用到的单片机是16位单片机89C51，由于该CPU具有丰富的I/O口和丰富的时基信号，为本设计提供了极大的方便，其中可以利用I/O口置高低电平来实现量程的转换，由于单片机89C51的定时器可以通过外部时钟源来计数，本设计便可以将555电路产生的频率作为89C51的定时器的时钟源，这样就很容易得到被测R/C对应产生的频率。
而且89C51具有语音处理功能，本设计在显示的基础上还可以加入语音播报，使得整个测量过程更加智能化。
同时89C51还具有可编程性，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。
3.系统原理和参数计算
3.1系统原理
系统分三大部分：
测量电路、通道选择和控制电路，如下图所示。
控制部分
通道选择
测量电路
图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，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。
3）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。
3.2参数计算
3.2.1电阻测量电路
555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：
（1）
·
得出：
（2）
即：
（3）
3.2.2电容测量电路
555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：
（4）
得出：
（5）
即：
（6）
4.电路的工作原理
4.1555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。
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,其部结构如图2所示。
图2定时器部结构
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
、
提供参考电压，比较器
的参考电压为
，加在同相输入端，比较器的
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
、
组成。
高电平触发信号加在
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
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的
、
输出端控制。
4.2电阻测试电路
电阻的测量采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。
电路分为2档：
1、100
Rx<1000Ω：
闭合开关Srd,R2=330Ω,C2=0.22uF：
（7）
2、1000
Rx<1MΩ：
闭合开关Srg,R1=20KΩ,C3=103pF：
（8）
电阻测试电路见图3所示。
图3电阻测量电路
4.3电容测量电路
电容的测量同样采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。
电路分为1档：
R4=510KΩ,R4=R6；
（9）
电容测试电路见图所示。
图4电容测量电路
4.4多路选择开关设计
利用CD4052实现测量类别的转换，CD4052是差分四通道数字控制模拟开关器件，有A0和A1两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止电流。
当INH输入端=“1”时所有通道截止，二位二进制输入信号选通四对
通到中的一通道。
当选择了某一通道的频率后，Y输出频率通过T1送入单片机进行计数，通过计算得到要被测值，多路选择开关控制如表1所示。
表1多路选择开关控制
P1.4
P1.3
测量类别
0
0
Y0-R
0
1
Y1-C
1
0
Y2-L
1
1
未定义
多路选择开关硬件电路如图5所示。
图5多路选择开关
4.589C51单片机电路
在本设计中，考虑到单片机89C51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89C51为核心进行设计具有极大的必要性。
单片机89C51包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：
1）中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
2）数据存储器（RAM）：
部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
3）程序存储器（ROM）：
共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
4）定时/计数器（ROM）：
有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
5）并行输入输出（I/O）口：
共有4组8位I/O口，用于对外部数据的传输。
6）全双工串行口：
置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
7）中断系统：
具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串口中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
8）时钟电路：
置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序。
单片机电路图如图6所示。
图6单片机电路
4.6发光二级管接口电路
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P0.0、P0.1口直接和发光二极管相连接，控制程序放在单片机的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7所示：
图7发光二极管接口电路
4.7LED显示接口电路
电路由2个或非门、两个74HC573和一个ULN2803组成。
或非门片选作用：
当单片机通过总线输出数据时，18管脚为低电平“0”，片选信号端中，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。
两个74HC573分别作为段码和位码的数据锁存器，它们的片选信号来自最小系统AT89S52的P2.5和P2.6，由此可以计算出它们的片选地址：
段码片选地址为[C000H~DFFFH]，位码片选地址为[A000H~BFFFH]。
ULN2803是达林顿管，在电路中能起到大电流输出和高压输出的作用。
LED显示接口电路如图8所示。
图8LED显示接口电路
4.8电路总原理图
电路总原理图如图9所示。
图9电路总原理图
5.总结
课程设计是一次非常好的将理论与实际相结合的机会，通过对电阻、电容、电感测试仪的课题设计，锻炼了我的实际动手能力，增强了我解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计规以及电脑制图等其他专业能力水平。
本设计的硬件电路图简单,可降低生产成本。
采用单片机可提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统的体积,调试和维护方便，而且以单片机最小系统为核心的设计能够满足了整个系统的工作需求，555振荡器实现了被测电阻和被测电容参数的频率化。
虽然本系统完成了设计设计要求，但其中仍然存在着很多需要改进的地方。
作品实测中，测量电容值有一定的误差，而且C值越大时误差越大，该误差则是来源于振荡电路产生的频率和单片机程序上的误差。
希望在之后的设计之中能够得到进一步解决。
6.系统需要的元器件清单
表2元器件清单
序号
元器件类型
元器件规格
数量
备注
电阻R1-R4、R6、Rv
20KΩ
1
R1
电阻
330Ω
1
R2
电阻
Rx
1
R3
电阻
510KΩ
1
R4
电阻
4KΩ
1
R5
电容
104pF
1
C1、C4
电容
103pF
1
C2
电容
0.22uF
1
C3
电容
Cx
1
C5
定时器
2
LM555
二极管
3
R、C、PLED
或非门
MC7402AN
2
MC7402AN
按键
2
Sr、Sc
数据锁存器
2
74HC573
达林顿管
1
ULN2803
多路选择开关
1
CD4052
参考文献
[1]申忠如，郭福田，丁晖．现代测试技术与系统设计[M]．：
交通大学，2006.
[2]付家才.单片机控制工程实践技术[M].北京化学工业，2004.
[3]毅刚.MCS-51单片机应用系统[M].工业大学，1997.
[4]夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京航空航天大学，2001.
[5]肖洪兵.跟我学用单片机[M].北京航空航天大学，2002.
[6]桂安.电子技术实验及课程设计[M].东南大学，2008.
指导教师：
叶梦君2013-1-10
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