基于单片机的动态元件参数测试仪的设计.docx
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基于单片机的动态元件参数测试仪的设计
2013届毕业设计说明书
基于单片机的动态元件参数测试仪的设计
系、部：
xxxxxxxxxxxxxxxxxx
学生姓名：
xxx
指导教师：
xxx职称xxx
专业：
电气工程及其自动化
班级：
xxx
完成时间：
2013年6月
摘要
进入21世纪，电子工业得到飞速发展，于是，电子元器件也跟着急剧增加，其适用范围逐渐广泛起来，在应用中经常要测定电容，电感的大小。
因此，设计可靠，安全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的必要性。
在设计系统硬件中，以51单片机为核心的电容、电感测试仪，有数据存储、通讯以及LED显示等功能。
此测试仪将电容，电感，用对应的振荡电路转化为频率得以实现各个参数的测量。
电容是采用555多谐振荡电路产生的，而电感则根据电容三点式产生的，将振荡频率输送到AT89S51的计数端，通过定时且计数则可以计算出被测频率，然后通过该频率计算出被测参数。
在此系统软件设计是根据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；其包括主程序模块、显示模块、电容测试模块和电感测试模块。
最后，根据情况，实际制作了一台样机，且在实验室里也进行了测试，结果表明该样机的功能和指标得到了设计要求。
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
ABSTRACT
Enteringthe21stcentury,electronicindustrygetrapiddevelopment,andelectroniccomponentsfollowedasharpincreaseinitsapplicablerangehasbeenup,it’softenhavetointheapplicationofmeasuringcapacitance,inductanceofthesize.Asaresult,thedesignisreliable,safe,convenientcapacitance,inductancetesterisofgreatnecessity.
Indesigningthesystemhardware,51single-chipmicrocomputerasthecoreofcapacitanceandinductancetester,suchasdatastorageandcommunicationaswellastheLEDdisplayfunction.Thetesterwillcapacitance,inductance,withcorrespondingoscillationcircuitisconvertedintofrequencytorealizeeachparametermeasurement.Capacitancewasproducedbymorethan555harmonicoscillationcircuit,whilebasedonthethree-pointcapacitanceinductance,thecountingendofoscillationfrequencytotheAT89S51,throughthemeasuredfrequencytimingandcountingcanbecalculated,andthenthroughthefrequencytocalculatetheparameterbeingmeasured.
InthesystemsoftwaredesignisbasedonKeil51simulationplatform,mixedprogrammingusingClanguageandassemblylanguagetowritethesystemapplicationsoftware;Itincludesthemainprogrammodule,displaymodule,capacitancetestingmodulesandinductancetestmodule.
Finally,accordingtotheactualsituation,madeaprototype,andalsoconductedinthelaboratorytest,theresultsshowthattheprototypeofthefunctionandindexdesignrequirements.
Keywords:
singlechipmicrocomputer；555harmonicoscillationcircuit；LEDdynamicdisplaymodule；Capacitorthree-pointoscillator
1绪论
1.1设计的背景及意义
进入21世纪，电子工业得到飞速发展，于是，电子元器件也跟着急剧增加，其适用范围逐渐广泛起来，我们在应用中经常要测定电容，电感的大小。
因此，设计可靠，安全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的必要性。
此外，伴随测量技术的飞速发展及人们对电参数的测量精度要求提高，目前在教学实验中普遍采用的数字式万用表已远远满足不了测量要求，所以设计可靠，安全，便捷，测量精度更高的电容，电感测试仪有着广泛的使用价值及应用前景。
一般情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数直接转换为直流电压或者频率之后进行测量。
测量电容的传统方法有谐振法以及电桥法两种。
前者电路简单，速度快，但是精度低；后者测量精度高，但是速度慢。
伴随着数字化测量技术的发展，在测量速度以及精度上有着很大的改善，电容的数字化测量经常采用恒流法与比较法。
电感测量可以依据交流电桥法，此测量方法尽管能较准确的测量电感但是交流电桥的平衡过程稍微复杂，并且通过测量Q值确定电感的方法误差稍大，所以电感的数字化测量经常采用时间常数发与同步分离法。
此毕业设计希望通过对电容、电感测试仪的设计来培养学生综合运用所学知识分析与解决实际问题的能力，系统的掌握单片机的开发设计过程，强化实际应用技能训练，为以后开展单片机应用系统的设计和开发奠定初步基础。
1.2电容、电感测试仪的发展历史及研究现状
伴随着科技飞速的发展，在当今电子测试领域中，电容和电感的测量已经在测量技术与产品研发中得到广泛应用。
电容和电感测试发展了很久，有着众多方法，其常用测量的方法如下：
1.测量电容的传统方法有谐振法以及电桥法两种。
前者电路简单，速度快，但是精度低；后者测量精度高，但是速度慢。
伴随着数字化测量技术的发展，在测量速度以及精度上有着很大的改善，电容的数字化测量经常采用恒流法与比较法。
2.电感测量可以依据交流电桥法，此测量方法尽管能较准确的测量电感但是交流电桥的平衡过程稍微复杂，并且通过测量Q值确定电感的方法误差稍大，所以电感的数字化测量经常采用时间常数发与同步分离法。
1997年05月21日，国内的中国航空工业总公司研究出一种对电容、电感实现在线测量方法以及装置等电位隔离方法，用于对在线的电容、电感元件实行等电位隔离。
观当前国内外的LC测试仪，硬件电路一般比较复杂，体积也是较庞大，携带不便，且价格较昂贵。
如传统的电阻抗法、Q表、电桥平衡法等测试LC的过程中不够智能且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，在操作的过程中测试需调较多参数，这对初学者来说非常不方便，而当今社会，对LC的测试尽管已经很成熟了，但价格与操作简单特别在智能方面是有待发展，价格便宜与操作简单、智能化的仪表开发以及应用方面有着巨大的发展空间，此系统正是符合社会发展的要求，研制出了一种价格便宜与操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的LC测试仪，其充分利用了现代单片机技术，研究了基于单片机的智能LC测试仪，人机界面友好、操作方便的智能LC测试仪，有着十分重要的意义。
近年来国内测量仪器的可靠性与稳定性问题以及得到了许多方面的重视，状况已经有了很大改观。
目前测试仪器行业已经跳过了低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近的几年，国内仪器已经取得了长足的进步，尤其是在通用电子测量设备研发方面，正快速缩小和国外先进产品的差距，在一定程度上对国外电子仪器巨头的垄断造成了冲击。
伴随模块化与虚拟技术的发展，给国内的测试测量仪器行业带来了新的契机，外加各级政府日益重视，及中国自主应用标准研究有了飞速进展，都为此产业提供了很大的动力与机遇。
1.3本设计所做的工作
此设计是以555为核心的振荡电路，将被测参数模拟转换为频率，并且利用单片机实现计算频率，所以，此设计需要做好以下工作：
（1）学习单片机原理等资料。
（2）学习PROTEL99E,KEL3.0等工具软件的使用方法。
（3）设计测量电容，电感的振荡电路。
（4）设计测量LED动态显示电路。
（5）设计测量频率程序，设置程序。
（6）用PROTEL软件绘制电原理图和印刷电路版图。
（7）安装和调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。
（8）撰写毕业论文。
2电容、电感测试仪的系统设计
2.1电容、电感测试仪设计方案比较
电容、电感测试仪的设计使用多种方案就可以实现，如利用模拟电路，电容可用恒流法与比较法，电感可用时间常数发与同步分离法等、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相结合等得以实现。
在设计前对各种方案也进行了比较：
1）利用纯模拟电路
利用模拟电路，电容可用恒流和比较法，电感可用时间常数发和同步分离法，尽管避免了编程的麻烦，但是电路有点复杂，其所用器件较多，灵活性较差，测量精度偏低，现在较少使用。
2）可编程逻辑控制器（PLC）
采用PLC对硬件进行控制，其应用广泛，能够极其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，但用PLC实现价格相对昂贵，所以成本过高。
3）采用CPLD或FPGA实现
应用当前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，以实现电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUS
集成开发环境进行综合、仿真，并且下载到CPLD或者FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。
但是相对而言规模大，结构复杂。
4）利用LRC数字电桥与单片机结合
利用LRC数字电桥将电容参数转为电压模拟信号，其模拟量由高精度AD转换芯片转为数字量。
而电感则是依据电容三点式电路也转化为频率，这样就可以把模拟量近似的转换为数字量，这样由单片机处理数字量，就能满足测量精度高、易于实现自动化测量等设计需要，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系统，且应用系统有较高的软、硬件设计系数。
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，且设计时间短，成本低，可靠性高。
综上所述，利用LC数字电桥与单片机结合实现电容、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
在此设计中，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、灵活使用方便、可靠性较高等特点，拟采用51系列的单片机为核心来实现电容、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1如下所示。
图1系统设计框图
框图各部分说明如下：
1）控制部分：
此设计以单片机为核心，采用51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。
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电容、电感测试仪的系统硬件设计
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。
MCS-51单片机主要由中央处理器、内部程序存储器（ROM）、内部数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行I/O口、串行口与中断控制电路等基本部分所构成，以及数据总线、地址总线与控制总线等总线，下面进行简单的说明：
1）中央处理器：
中央处理器简称CPU，是单片机的核心，用于完成运算和控制操作。
中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。
2）内部数据存储器（RAM）：
内部数据存储器包括RAM和RAM地址寄存器，用于存放可读/写的数据。
实际上80C芯片中共有256个RAM单元，但其中后128个单元为专用寄存器，能作为普通RAM存储器供用户使用的只是前128个单元。
因此，通常所说的内部数据存储器是指前128个单元，简称“内部RAM”。
3）内部程序存储器（ROM）：
内部程序存储器包括ROM和程序地址寄存器等。
80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始数据，因此称之为程序存储器，简称“内部ROM”。
4）定时/计数器：
用于控制应用的需要，80C51共有两个16位的定时器/计数器，用定时器/计数器0和定时器/计数器1表示，用于实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。
5）并行（I/O）口：
80C51有4个8位并行I/O口（P0、P1、P2或P3），以完成数据的并行输入/输出。
6）串行口：
80C51单片机有一个全双工串行口，以完成单片机和其他数据设备之间的串行数据传送。
此串行口功能比较强大，一方面可作为全双工异步通信收发器使用，又可作为同步移位器使用。
7）中断控制电路：
中断控制电路共有5个中断源，既外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。
全部中断分为高级和低级工两个优先级别。
8）时钟电路：
80C51芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
本设计中单片机的设计电路如下图2所示：
图2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
即：
T=RC=10u*10k=100ms。
当需要复位时，也可以按下复位按键，进行复位。
3.2LED数码管电路与键盘电路的设计
在电容、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。
相当于小白炽灯泡和氖灯，LED有着几个特点：
1.发光响应快，亮度强，高频特性好；而且随着材料的不同，数码管还能发出各种颜色。
2.机械性能好，体积小，重量轻，价格低廉，使用寿命长。
正因为有这些特点，在一些光电控制设备中常常用发光二极管用作光源。
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所示：
图3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。
六位数码管的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。
想要数码管正常的显示，用驱动电路驱动数码管的各个段码，继而显示出我们要的数字，所以根据数码管的不同驱动方式，可归为静态式和动态式两类。
1）静态显示驱动：
静态显示驱动就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把药显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码。
2）动态显示驱动：
P2.0和P2.1端口分别控制数码管的个位和十位的供电，当相应的端口变成低电平时，驱动相应的三极管会导通，+5V通过驱动三极管给数码管相应的位供电，这时只要P3口送出数字的显示代码，数码管就能正常显示数字。
对两种显示方式的比较分析：
静态方式需要大量I/O，而动态扫描显示的方式能够大量的节省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4所示。
图4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5所示：
图5LED显示接口电路
电路由6个共阴极数码管、两个74HC573和一个ULN2803组成。
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。
由于电路使用的是共阴极动态显示方式，ULN2803在位码数据锁存器后连接八个数码管的COM端，可以增强驱动数码管的能力，使数码管的显示效果更好。
本设计中设置了Sr,Sc,SL三个按键，利用单片机的P1.0、P1.1和P1.2口直接和按键相连接，控制程序放在MCS-51单片机的ROM中用于启动各个被测参数程序的调整。
见图6按键电路所示
图6按键电路
控制L、C的三个按键接入一个10K大小的上拉电阻，起限流保护作用。
当有键按下时为低电平，无键按下时则为高电平。
3.3测量电容电路的设计
3.3.1555定时器简介
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路。
利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生于变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等，用于许多领域。
1）555定时器内部结构
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路。
其内部结构如图7（A）部分及管脚排列如图（B）部分所示。
图7定时器内部结构
它由比较器N1和N2、SR锁存器和集电极开路的放电三极管T三部分组成。
TH是比较器N1的输入端，TL是比较器N2的输入端。
N1和N2的参考电压VR1和VR2由Vcc经三个5kΩ电阻分压给出。
在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3Vcc，VR2=1/3Vcc。
如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR2=1/2VCO。
R0是置零输入端。
只要在R0端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。
正常工作时必须使R0处于高电平。
图中的数码1-8为器件引脚的编号。
由图可知，当TH＞VR1，TL＞VR2时，比较器N1的输出vc1=0、比较器C2的输出vc2=1，SR锁存器被置0，T导通，同时v0为低电平。
当TH＜VR1，TL＞VR2时，vc1=1、vc2=1，锁存器的状态保持不变，因而T和输出输出的状态也维持不变。
当TH＜VR1、TL＜VR2时，vc1=1、vc2=0，故锁存器被置1，为高电平，同时T截止。
当TH＞VR1、TL＜VR2时，vc1=0、vc2=0，锁存器处于Q=1的状态，v0处于高电平，同时T截止。
2）多谐振荡器工作原理
由555定时器组成的多谐振荡器如图8（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。
图8震荡器工作原理
当接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻R向电容C充电。
当充到输入电压为v1=vT时，输出跳变为低电平，电容C又经过电阻R开始放电。
当放电至v1=vT时，输出电位又跳变成高电平，电容C重新开始充电。
如此一直循环，电路不停地震荡。
其振荡周期可用下式计算：
T=0.7（R1+2R2）C
3.3.2测量电容电路的设计
电容测试电路：
电容的测量也使用了“脉冲计数法”,由555电路谐波振荡电路,通过计算频率的振荡输出来计算测量电容的大小。
555以多谐振荡器的形式接成，它的振荡周期为：
我们设置R1=R2,
得出：
即：
电路分为1档：
R4=510KΩ,R4=R6；
电容测试电路见图9所示。
图9电容测试电路
3.4测量电感电路的设计及仿真
3.4.1测量电感电路的设计
电感的测量是使用电容三点式振荡电路。
电容器三点振荡器电路振荡电路也叫考毕慈震荡电路,三个点振荡电路是指：
LC电路连接到发射器两电抗元件必须均匀,另一个电抗元件必须是异性,并连接到排放水平的两个三分的振荡器电路对电容电抗组件,即“射同基反”的原理组成的电容器三点振荡器电路。
其振荡频率为：
即：
电感测试电路见图10所示。
图10电感测试电路
3.4.2测量电感电路的仿真
PSpice仿真软件简介：
设计中主要使用的电路原理图编辑器电路图Pspice软件绘图程序模块和输出结果探测器模块。
包括图表模块的电路原理图编辑程序PSPICE输入
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