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论文知识案例-RLC智能测量仪设计
时间:2021-05-19 12:15:05

  在现如今的社会,电子工业方面的快速发展,电子元器件的飞速增多,并且它的使用范围也变得越来越广泛了,但是在应用的时候需要测量出电阻、电容、电感的参数值。另外一方面就是,在测量技术的快速发展的今天伴随着人们对电器元件参数的测量精度要求的越来越高,而且在教学实验过程中普遍应用的数字式万用表已不能满足高测量精度的要求,所以针对这些要求参数精度高的人们,设计出一款安全可靠精度高的RLC智能测量仪有很大的前途和使用价值。应用范围主要是元器件参数的精确测量。

  论文采用了将元器件参数转换为频率的方法,通过AT89S52单片机为主要核心,并且搭建外围电路来测量所需的电阻、电容和电感的参数,转换的主要原理是用一个振荡器建立一个RC振荡电路和一个LC电容三点振荡电路,测量的频率由软件编程。经过单片机的运算被测元件的参数可以测出利用这种手段,得出了应用RC振荡电路和LC三点式振荡电路的方法就可以设计出一款基本符合要求的RLC智能测量仪的结果和重要的结论。

  由于目前电子技术的迅猛发展,使得数字电路应用领域越来越大,产品的智能化、数字化现在已经成为我们学习的一种大形势,对电子设备的精密性和稳定性尤为重要。在当今社会,RLC的测量虽然已经是优良显而易见的巨大变化,但在价格和操作方面,特别是在智能化方面,廉价、简单、智能化仪器的开发和应用还有巨大的发展空间。因此,设计一款价格便宜、操作简单、便携式的RLC智能测试仪具有很大的应用价值。

  现在智能化的测量仪不但保留一般传统的测量仪器的基本功能和条件,也为我们提供了传统测量的仪器没有办法可以做到的其他功能和集成度非常高的组件。在完成测量工作的过程当中,检测并且存 万系统的误差数据,对测量数据进行修改。①操作自动化。在仪器的整个测量过程当中,比如说键盘的扫描、量程的选择、开关的开启或这关闭、测量数据的采集、数据的传输和数据的处理、数据的显示于打印等其它的功能,都可以用单片机或者微控制器来控制,这样就可以实现仪器的自动化。②具有自动调零、自动故障及状态检测、自动校准、自诊断、自动量程转换等自检的功能。智能电表可以自动检测故障部位甚至故障原因。③它具有数据处理的功能,这个是智能仪器比较好的一个优点。因为单片机和微控制器的应用,有很多原本具有的硬件逻辑根本没有办法解决有关的问题。但是现在可以灵活的解决相关软件的有些问题。④具有友好的人机对话能力。传统仪器中的开关被智能仪器中的键盘更换,工作人员可以通过键盘输入相关的指令就可以实现测量的功能。这样,智能测量仪并且可以让运行状态显示出来,运行的状态和测量数据处理之后的结果及时告诉工作人员,这样可以让仪表的运行方便并且直观。⑤具有程控操作能力。通用的智能仪器配备了GPIB,RS232C,RS485等标准的通讯接口,可以让人们更加方便地把它和PC等相关仪器构建出来用户自动测量系统需要的多种功能,这样就可以完成一些比较苛刻的测试任务。人们的生活被智能测量仪器的飞速发展带来了很大的改变,让人们的生活比较方便并且高效。

  1.2国内外研究的现实状况和发展的趋势

  目前,国内国外许多厂家都已经研制出RLC测量仪器,国外的厂家主要有日本国家的日置品牌、美国国家的安杰伦品牌、以及惠普品牌和福禄克品牌等,在这些品牌当中安杰伦和福禄克的产品比较优秀。其产品体积小,精度高,测试频率范围宽,测试频率可以自己挑选,测试的速度也比较快。中国主要有以下制造商:上海仪器研究所、重庆茂丰工贸有限公司、苏州协瑞电子有限公司和常州同辉电子有限公司,国内生产的RLC测量仪与国外的相比体积稍微大一些,形状大都是长方体,然而国外厂家的测试仪大都是手持测试仪;测试频率的范围较广从几十赫兹至100kHz之间,可用频率类型相对较少,基本的精度可以达到0.25%,测试的速度和国外仪器差不了多少。伴随着集成电路技术的快速发展,测量仪表逐渐趋向于体积变小与智能化更强。

  观测国内国外的发展状况,RLC测量仪器的发展趋势是:(1)各类电子产品的日常维护与监测,使其向体积小、方便携带、应用范围广的这些方向发展。(2)它也正在向着连续、在线、实时的状态监测和故障诊断系统发展。这种系统的功能相对来说比较齐全,但是成本高,一般它适合于那些重要关键仪器设备。

  1.3本设计主要的研究内容

  本设计的主要研究内容就是利用振荡电路将RLC参数转换为频率,然后通过单片机计算频率,然后补偿该值再显示RLC值,非常方便使用,价格低廉,准确性高。测量误差保持在5%以内。假如直接使用外围电路经过计算获得所需参数,那么过程想对复杂,精度低。新一代单片机为外界提供了一个相对完整的总线结构,为系统的扩展和配置奠定了良好的基础。所以,这个设计采用了比较先进的AT89S52单片机作为控制核心。AT89S52单片机能耗相对来说比较低,价格人们可以接受。相对来说更重要的是,单片机在频率测量中误差很小。振荡电路作为单片机的时钟源,将参数转换为频率信号,然后通过单片机软件的编程实现范围转换和各模块参数的显示。所需的低错误率和易于操作的设计。有条件的话,这样的设计就可以成功完成。

  2设计要求

  2.1设计任务

  需要根据该课题的要求制造一台用数字显示电阻和电容、电感参数的智能RLC测量仪,该设计有三大主要部分分别使测量部分和控制部分还有数字显示部分。在这设计当中,要特别关注测量这个部分,因为测量的电阻和电容还有电感是三种不一样的参数,因此,有必要把测量部分进行细致的划分。测量的模块和显示的模块均围绕单片机构建电路。

  2.1.1技术要求

  基本要求:

  (1)测量范围

  电阻100Ω~1MΩ

  电容100pF~10000pF

  电感4mH~1000mH

  (2)测量精度5%

  (3)制作LCD液晶显示器,显示测量值,用LCD液晶显示被测元器件的类型和它的单位类型。

  2.2方案比较论证

  2.2.1方案比较

  现在,测量电阻和电容、电感这类元器件参数值的仪器样式较多,测量参数的方法也都不一样,在这些方法当中也是各有各的特点,优点和缺点都具有。

  图2.1定义法测量

  电阻的测量方法相对来说比较多。但是在这其中最最基本的方法是根据电阻的判定式来进行测量。在图2.1中所示,就是用电表测出流过电阻的电流和流过电阻的电压,然后再利用式子R=U/I可以求出电阻的数值。使用这个方法就要测量出两个虚拟变量,不便于实现自动化。但指针式万用表的欧姆范围是使测得的电阻与电流一一对应,这样就可以读出被测量电阻的电阻值了,如图2.2所示:该测量方法精度的改变是有点大的,假如仪器要相对来说较高的精度,就必定要设计较多的量程,并且电路会变得比较复杂。

  图2.2万用表法测量

  除此之外,我们也可以用普通的分压器,如图2.3所示的电路图就是电压源分压法,将被测电阻所分掉的电压,经过A/D转换器的转换,用单片机的端口将得到的数字信号一起输入到核心的单片机中,然后用软件编程相应的程序,把数字信号进行还原,利用公式计算出被测电阻的电阻值,这种方法的准确度相对来说比较高,然而A/D转换器的转换模块谐写程序相对来说比较难以实现,所以,这种方法难以达到要求。

  图2.3电压源分压法

  能够一同测量电阻和电容、电感这三个电器元件的方法就是用电桥法如图2.4所示。电阻可以使用直流电桥来测量,电感和电容可以使用交流电桥来测量。

  图2.4电桥平衡法

  使电桥平衡的条件为:

  2-1

  这种方法是通过调整阻抗Z1、Z2让电桥实现平衡,在这时候的电表读数显示零。由平衡的条件和有的已经知道的电路参数这样既可以的出被测元器件的参数值。用这样的方法,元器件的参数值还能用联立方程组的方法求解得出,电阻值的调试都是通过手来调整的,用一般简单的电路是很难判定电桥是否平衡的

  Q表采用谐振法测量电感和电容参数。如图2.5所示。可以进行工作频率的测量,让测量条件更加与使用情况相似。然而,这样的测量方法前提要求是频率连续可调,直到谐振。所以要求质量较高的振荡器,除此之外,与电桥法相似,智能化的调节和平衡判别难以实现。

  图2.5谐振法测量

  在阻抗法测量电阻和电容、电感的时候有两种方法可以应用:让恒定的电流源提供电流,再测量元件的电压;让恒定的电压源提供电压,再测量元件的电流。由于很难找到理想的恒流源和恒压源,这种方法的测量范围有一定的限制。

  在测量相对来说比较南侧的物理量时,大多数仪表把它转换为精度较高和容易测量的量。出于对这种思想的考虑,电阻和电容、电感这些元器件的参数被转换为频率,单片机计数通过相应的公式计算得出参数值,送到显示模块。元件转换和应用的原理是RC振荡电路和LC三点振荡电路。这种转换的方法是模拟量被转化为数字量,这种数字化的处理方法可以使仪表智能化被实现,与此同时也可以把指针读数误差降低并且避免。

  2.2.2方案论证

  在这个课题的设计过程中,电阻、电容和电感的参数可以转换成频率信号F,实现条件是采用RC振荡电路和LC电容三点振荡电路。选择好的通道在单片机中,两路地址信号被送到模拟开关,振荡频率被得到,被测频率可以通过计数被得到,利用这个频率,各个参数通过定义式计算得到。再通过被测频率判断是否进行量程转换,或者是数据被处理后,电阻和电容、电感的值被送到显示模块部分显示出与其对应的参数值,通过编程量程的转换被实现。

  2.3设计方案

  本设计方案的设计系统总体框图如图2.6所示

  图2.6设计系统总体框图

  2.4各模块方案论证

  2.4.1电阻、电容振荡模块

  555用于构建多谐振荡器电路。振荡器电路产生的频率它是通过单片机的P3.4口进行计数的。软件对振荡器电路产生的频率加以判断。继电器的作用就是自己选择与之匹配的电阻和电容的参数范围,这样就可以得到比较好的频率范围,接下来自动的切换范围。电容器的振荡电路原理上与电阻基本相同。

  2.4.2电感振荡模块

  电容三点振荡电路产生与之不同的频率,原因是单片机的计数能力有特定的限制通道,振荡电路产生的频率一定要经过分频以后才可以被送到单片机的P3.4口开始计数。用计算公式,得到的频率应该是分频以后的频率。计算时应恢复频率。最后测量频率和电感值,送到显示部显示。

  2.4.3显示模块

  可以采用LCD进行显示。LCD显示屏具有较多优良的特点,经过考察论证使用这个LCD显示屏,尽管价格有点昂贵,但很实用。在本设计中,由于测量是三个模块,假如应用数码管加发光二极管的显示方案,发光二极管不仅需要显示显示哪个模块,还需要显示设计中测量单元的尺寸,这使得软件的实现相对困难。因此,采用液晶显示器显示参数的大小和被测类别,简单明了。

  2.4.4开关模块

  单片机开关可以应用性能比较好的行列4×4矩阵式的键盘。该方法操作简单,节省了单片机资源,成本低廉。然而,在这种设计中,涉及到的键盘非常少,只要用键盘切换三个模块就可以了,因此应用普通的开关就行了。它不但价格便宜而且功能单一,但是很实用。

  2.4.5中央控制器模块

  中央控制器是这个设计系统的核心。用它来接收外部的信息并根据控制算法来驱动执行器。中央处理器的选择很多,相对来说对于8051系列单片机的控制原理和设计方法还是比较熟悉的,于是就选取了AT89S52作为系统的控制器。这个单片机的运算功能比较强,而且软件编程比较灵活,自由范围广,损耗能量小,占地面积较少,技术运用比较广泛,经过考察验证合适在我的设计方案中采用。

  2.4.6系统各模块最终方案

  通过分析和论证,我的课题设计选择最后方案模块如下:

  1、电阻电容测量振荡模块:应用555构建多谐振荡电路,收集到符合要求频率范围,进行准确的测量;

  2、电感测量振荡模块:应用电容三点振荡的电路产不一样的频率,接下来再按照测量的频率取得电感值;

  3、显示模块:使用LCD液晶屏;

  4、输入模块:三个一般的开关以及三个指示灯;

  5、中央控制模块:以AT89S52为核心控制;

  6、电源:单片机和每个芯片采用+5V的直流式电源,只有LC振荡器应用+12V的直流式电源。

  3主要元器件简介

  3.1 555定时器简介

  555计时器成本低廉,性能可靠。它只需要几个外部电阻器和电容器即可实现脉冲产生和转换电路,例如多谐振荡器,单稳态触发器和施密特触发器。它也经常被用作仪器、一般的家用电器、电子测量以及自动控制的计时器。在这个设计中,被用来测量电阻和电容参数的RC振荡器电路也是用555定时器电路构建而成的。集成计时器555电路是数字和模拟混合中型集成电路。

  3.1.1引脚的功能如下:

  第1引脚:外部电源负极端子VSS或接地。

  第2引脚:低触发端。

  第3引脚:输出端Vo。

  第4引脚:直接清零端。

  第5引脚:VC为控制电压端。

  第6引脚:TH高触发端。

  第7引脚:放电端。

  第8引脚:外接电源VCC,一般用5V。

  3.1.2定时器的等效功能框图以及工作原理

  555等效时基电路功能框图如图3.1所示:

  图3.1555时基电路等效功能方框图

  555定时器的工作原理

  555的等效功能框图包含两个COMS电压比较器A和B、一个RS触发器、一个反向器、一个由一个P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管组成的构放电开关SW、三个等阻分压的电阻网络和一个输出的缓冲级。由三个电阻构建的分压网络分别向上比较器A和下比较器B供应2/3Vcc和1/3Vcc的偏置电压。当上部比较器A的非反向输入电阻比反相输入高2/3Vcc时,比较器A的输出就相对来说高了,RS触发器为反相,当VO端的输出是逻辑“0”时。也就是说当VTH>2/3Vcc的时候,VO端是“0”级,设定的是复位状态。在触发端的电位设置的是VS≤1/3Vcc的时候,下比较器B的输出为“1”,RS触发器件被设置,输出端VO为“1”电平。也就是说,在VS≤1/3Vcc的时候,VO端为“1”电平并被设置。所以说,555的等效功能框图就相当于是一个复位触发器。在RS触发器中,还设置了强制复位端子,当MR=0,RS的触发器输出就必须为“1”,和阈值端子以及设置触发端子的电平没有任何关系,因此输出VO端被设置为“0”电平。按照这个芯片的等效功能框图从中可以获得每个功能端的真值表,如表3.1所示:

  表3.1 555定时器每个功能端的真值表

  (强制复位)(置位触发)R(复位触发)Vo(输出)

  0××0

  1 0×1

  1 1 1 0

  1 1 0保持原电平

  注:“0”→代表电平≤1/3Vcc“1”→代表电平>2/3Vcc,“×”→代表任意电平

  3.2AT89S52单片机硬件结构简介

  AT89S52是一款损耗小,性能高的CMOS 8位微控制处理器,包含8K字节的可编程闪存在系统中。它采用Atmel的高密度不容易丢失性质的存 万技术制作,而且可以和工业中80C51的产品说明和引脚完全相互兼容。片上的闪存可以允许程序存 万器在系统的内部进行编程操作,也可以适用于常规的编程器。AT89S52是一款具有8位智能CPU以及带有可编程闪存的单片机,很多嵌入式控制应用系统都被它提供了方便快捷有用的解决方案。

  3.3.1 AT89S52主要功能列举

  AT89S52主要功能列举如下:

  1.系统内部具有智能8位CPU以及可编程闪存;

  2.芯片内部有一个时钟振荡器;

  3.程序存 万器ROM为8KB;

  4.数据存 万器RAM为256字节;

  5.32条可编程I/O线;

  6、8个中断向量源;

  7、三个16位定时器/计数器;

  8、三级加密程序存 万器;

  9、全双工UART串行通道;

  3.3.2 AT89S52各个引脚功能介绍

  AT89S52单片机图如图3.2所示

  图3.2 AT89S52单片机图

  VCC:

  AT89S52电源正输入,接+5V电压。

  VSS:

  电源地端。

  XTAL1:

  单片机系统中时钟逆放大器的输入端。

  XTAL2:

  当晶体振荡器的晶体系统连接到XTAL1和XTAL2,就可以设计系统时钟的反相放大器的输出。此外,可以在两个引脚和地之间添加一个小的20PF电容器。使系统更加稳定,避免噪音干扰和崩溃。

  RESET:

  AT89S52复位引脚并用高电平动作,当芯片即将复位时,需要引脚电平达到到高电平而且保持超过两个机器周期,AT89S51就可以完成系统复位,此动作使内部的内容和特殊功能的寄存器设置为已知状态,并开始将程序代码读取到地址0000H以执行程序。

  EA/Vpp:

  “EA”代表“External Access”的简写,指示外部程序代码的访问,这是一个低电平的动作,即当此引脚连接到低电平时,系统将使用外部程序代码(存 万在External中)EPROM)来执行程序。因此,在8031和8032中,由于内部没有程序存 万空间,因此EA引脚必须连接为低电平。假如使用的是8751内部的程序空间,那么这个引脚将会与高电平相连。此外,当程序代码被烧录到8551内部的EPROM时,可以让该引脚输入21V编程高压(VPP)。

  ALE/PROG:

  ALE是“地址锁存使能”的简写,代表的意思就是地址锁存启用信号。外部的8位锁存器可以被AT89S52的这个引脚端口触发(例如74LS373),并且端口0(A0~A7)的地址总线将会被锁定到锁存器中,因为AT89S52发送地址和数据应用的是多种方式。

  PSEN:

  PSEN是“程序存 万启用”的简写写,代表的意思是程序存 万已经开始启用。当8051被设置为读取外部程序代码的工作模式(EA=0)时,该信号将被发送以获得程序代码。一般情况下,这个引脚是被与连接到EPROM的OE引脚端。AT89S52可以使用PSEN和RD引脚分别使能外部RAM和EPROM的存在,以便可以将数据存 万器和程序存 万器合并在一起以共享64K寻址范围。

  PORT0(P0.0~P0.7):

  端口0是8位宽的一个双向开漏I/O端口。总共有8位,P0.0表示位0,P0.1表示位1,依此类推。另外三个I/O端口(P1,P2,P3)没有这个电路的配置,但它们拥有内部升压的电路。当P0作为I/O端口的时候,是可用于驱动8LS的TTL负载的。如果EA的引脚端是低电平的时候,P0为多路复用提供地址总线(A0-A7)和数据总线(D0-D7)。开发设计者势必要添加一个锁存器用来锁定,并且从端口0发送到A0-A7的总线地址,接下来再应用从端口2发送的A8-A15和并且从地址以及到64K所用的外部内存的空间,用来合成一个完整的16位的地址总线。

  PORT2(P2.0~P2.7):

  端口2的内部升压电路是带有双向的I/O端口。每个引脚驱动一个4 LS TTL的负载。如果输出被设置为的是高电平,这样的话端口2就可以被用作是输入端口。除了使用P2作为通用的I/O端口外,还可以作为AT89S52的扩展外部程序的存 万器或者是数据的存 万器,它还将会提供地址总线的高字节从A8一直到A15。此时,P2就不可能被当作I/O端口。

  PORT1(P1.0~P1.7):

  端口1也拥有双向I/O端口的功能,它的内部也配备升压电路的功能。它的输出缓冲区可以发送4LS的TTL负载。这样的话,假如端口1的输出我们设定的是高级别,那么可以从这个端口导入数据。如果使用8052或8032,这样P1.0就可以设置为是定时器2的外面脉冲输入的引脚端,P1.1是具有T2EX的这个功能,也可以作为外部的中断输入触发引脚。

  PORT3(P3.0~P3.7):

  端口3它的内部是带有升压电路的双向I/O端口,它的输出缓冲器可以驱动4个TTL负载,但是多功能的工具还具有其他的额外并且特殊的功能,这包括了串行的通信,外部的中断控制、定时计数器控制和数据存 万内容的读写控制等外部的功能。

  3.4 LCD1602简介

  1602液晶也被称为1602字符型液晶。这个液晶模块是属于点阵形的,被用来专门显示字母、数字、符号等。而且是由几个5x7或5x11的点阵字符位组成。每个点阵字符位可用来显示一个字符。每个点阵字符位之间都存在点间距,每行之间也都存在一定的间距。它起着字符空间与行空间的作用。因为这个原因,导致它不能很好地显示图形。1602LCD是指可以显示16x2的内容,这是一个液晶模块用来显示字符与数字,可以显示两行,每行16个字符。

  3.4.1LCD1602引脚的功能

  LCD1602引脚图如图3.3所示

  第1引脚:VSS为电源地。

  第2引脚:VCC用来接入5V电源正极。

  第3引脚:V0是用来调节LCD对比度的终端。

  第4引脚:RS为寄存器选择,

  第5引脚:RW为读写信号线,

  第6引脚:引脚E端为使能端

  第7~14引脚:D0~D7引脚是8位两向数据的终端。

  第15~16引脚:第15引脚为背光正极,第16引脚为背光负极。

  图3.3LCD1602引脚图

  4设计电路

  4.1测电阻用RC振荡电路

  4.1.1 555时基电路构成的多谐振荡器

  阻容振荡器电路用于测量电阻和电容,555定时器时基电路构成阻容振荡器。如图4.1所示,把555定时器与相应的电子元器件按照如图所示的电路图连接,于是就构成了多谐振荡电路模式。

  图4.1电路图

  图4.2波形图

  当Vcc电压变大的时候,555处于设定状态,因为电容上的的端电压不会突然的改变。输出端口显示高电平“1”,内部放电的COMS管被切断。电容通过Ra和Rb对它进行充电的操作,触发电位会随着电容上端电压的增加呈现出指数式的增长,它的波形图如图4.2所示:

  当时间伴随者电容上的电压增加并且达到2/3Vcc的阈值电平时,设置RS触发器必须让上比较器a翻转,在缓冲级反转后,输出VO显示为低电平“0”。这个时候,放电管饱是饱和的和导电的,并且C上的电荷经过RB放电到放电管。当C放电的时候它的电压会降到1/3Vcc当触发电平的时候,下比较器B翻转,复位RS触发,并且输出VO在缓冲级的逆相之后显示高电平“1”。上述步骤出现重复的产生,就会产成一个稳态多谐振荡器。

  从上面对多谐振荡的过程分析可以看的出来,输出脉冲所需要的持续时间t1就是电容上的电压在1/3Vcc充电到2/3Vcc所需要的这段时间,因此电容两端的电压变化规律是:

  (4-1)

  设,则上式简化为

  (4-2)

  从上式中求得

  (4-3)

  一般简写为

  (4-4)

  电路间歇时间T2是从2/3Vcc充电到1/3Vcc电容两端电压所需的时间,即

  (4-5)

  从上式中求得,并设,则

  (4-6)

  一般简写为

  (4-7)

  那么电路的振荡周期为

  (4-8)

  振荡频率,

  (4-9)

  输出振荡波形的占空比为

  (4-10)

  通过上面的公式分析过程,应该可以看出来(1)振荡的周期和电源电压并没有什么关系,但是决定于充放电的时间总数,也就是说只与电容、RA、RB的值有一定的关系。(2)电容的大小和震荡波的占空比没有关系,但是和RA、RB比值的大小有关系。

  4.1.2测量电阻的电路模块

  如图4.3所示,555时基电路可以构建多谐振荡电路,它可以测量的电阻范围是100Ω~1MΩ。该电路的振荡周期为

  (4-11)

  其中t1为高电平的通过时间,t2为低电平的通过时间。那么:

  (4-12)

  让振荡的频率被保持在10-100kHz这是在单片机计数的高精度范围内,需要找到适合的电容和电阻的参数值。因此,第一个量程的电阻值为200Ω、电容值为0.22uF,然后第二个量程选择电阻的阻值为20K、电容的容值为1000pF。这样,在第一个量程的范围内,当测得的电阻值为100Ω时:

  (4-13)

  在第二个量程中,RX=1MΩ时

  (4-14)

  稳定度可达10-3的RC振荡,单片机测量的频率最多一个脉冲误差,因此使用单片机测量的频率引起误差应该在百分之一下。

  在这个电路中选择可调电位计的原因是在继电器的内部存在内阻我们对内阻的大小不是具体的清楚,所以在测量之前应该被校准。让标准的电阻被插在相对应的接口上,用螺丝刀旋转电位计,让数码管显示准确的阻值。在后期的使用过程当中,就可以直接用来测量电阻的阻值。

  图4.3电阻测量电路

  4.2测电容用RC振荡电路

  测量电容的振荡电路和测量电阻的振荡电路几乎没有什么大的区别。

  图4.4是由555时基电路构建的多谐振荡电路可用来测量范围在100pF到10000pF之内的电容。该电路的振荡周期为:

  (4-15)

  若R1=R2,则

  (4-16)

  图4.4电容测量电路

  4.3测电感用电容三点式振荡电路

  电感测量的实现是通过电容三点式振荡电路,如图4.5所示,当电容三点式振荡电路中的两个电抗元件与发射极具有相同的连接特性,而另一个电抗元件必定具有相反的特性时,这就是电容三点式振荡电路。在电容三点式振荡电路中,C4和C5应用的是1500pf和2900pf单石电容。它们的电容值必须大于晶体管的电容值,因此电极间电容可以忽略不计[2]。

  图4.5电感测量电路

  振荡公式:

  ,(4-17)

  其中

  (4-18)

  则电感的感抗为

  (4-19)

  电感在被测量的时候,我们可以发现它的起振频率很高,应该可以达到3MHz左右,但是单片机最大的计数频率大概为500KHz,所以频率方面达不到电感频率的测量要求,在这种情况下把经过电容三点式电路测量得出的频率,被两片由74LS160形成的两个八位计数器,为分频电路对这个频率按所需的要求分频,有30000000/64=468750,这样就满足了这个单片机所需的计数要求。

  4.4显示电路的设计

  在本设计中,选择了LCD1602显示器。它连接到单片机,电路相对简单,体积较小,重量较轻,功耗仍然很低,并且可以轻松显示每个阻抗的单位。由于AT89S52的P1,P2和P3端口都是带有内部上拉电阻的I/O端口,因此,如果将LCD连接到三个I/O端口中的任何一个,则无需连接上拉电阻。具体电路如图4.6所示。

  图4.6显示电路

  LCD1602是一种字符型的LCD显示模块,可以显示字母、数字、符号等各种内容,LCD1602模块由控制器HD44780和驱动器hd44100以及LCD面板组成。它的显示缓冲区有80个单位,但第一行仅使用00H~0FH单位,第二行仅使用40H~4FH单位。

  在使用LCD1602模块之前,必须对其进行初始化。初始化内容是您希望的工作方式。这个电路图是液晶显示器,希望可以从最后一个字符开始显示,然后往前推,光标向左移动,字符不动,它是一个8位接口,双在线显示,5*7点矩阵。因此,此初始化的内容为:

  (1)清除屏幕:光标返回到屏幕的左上角,数据为0x01。

  (2)功能设置:8位接口,双行显示,5*7点矩阵,数据为0x38。

  (3)显示和非显示设置:用光标打开显示,光标闪烁,数据为0x0f。

  (4)输入模式设置:光标向左移动一个空格,地址计数器递减1,数据为0x04。

  (5)光标或屏幕内容移动选择:将光标向左移动,数据为0x10。

  4.5键盘电路设计

  由于键盘数量少,加上我们设计的电子时钟结构简单,因此使用的微控制器资源很少,并且未使用P1端口。因此,我们可以使其独立,而不是矩阵。

  只要四个键A,B,C,D直接连接到P1端口并且另一端接地,电路原理图如图4.7所示。

  图4.7键盘电路

  4.5多路选择开关的设计

  单片机的端口线有限。要保存端口线,请选择多通道开关以选择所需信号。CD4051引脚的功能如图CD4051所示,等效于单刀八掷开关。开关打开的通道是通过输入的3位地址码来决定的。此外,CD4051还具有另一个电源端子VEE,用作电平转换器,以便通常在单个电源条件下工作的CMOS电路提供的数字信号可以直接控制该多路复用器,并且双向开关可以传输峰峰值为15V的交流信号。打个比方来说,如果虚拟开关的供电电源是VDD=+5V,VSS=0V,在VEE=-5V时,可以为虚拟开关加上0-5V的数字信号控制,就可以控制虚拟信号的电压范围处于-5V到+5V之间。

  5软件设计

  当系统刚开始工作时,初始化系统后,LCD屏幕上显示的内容为0000。

  该系统软件的主程序流程图设计如图5.1所示。系统被初始化以后,先要判定有没有按键。就简单的用被测电阻来举一个例子,利用RC振荡电路将被测的电阻转化为频率f。再按照测量电阻的计算公式进行计算,接下来用单片机软件编程测量它的电阻值,并将其发送到LCD显示屏。如果范围不足,请按范围转换键切换到更大的范围并执行测量。

  打开装置之后,显示器LCD显示0000,然后进入测量阶段,按照需要被测量的对象选择并按下不一样的按键,例如测量的对象是电阻,按下电阻的测量按键,系统就会进行自动的键盘扫描,消除掉异常的振动之后做出准确判定,假如系统检测的时候发现电阻的测量按键被按下,那么将会进行自动的电阻测量程序。系统会按照测量值的大小自动进行初始值的预算和被测对象范围的预测。555数字电路发送的频率被系统接受以后,进行采样操作。频率达到预期周期数量后,进入计算阶段,根据单片机的内置程序,对已经采集的频率进行计算,得到最终的测量值,在经过A/D转换,它被转换成为数字以后将会被发送到液晶的显示器进行显示。

  当计数定时初值设定为打开或关闭的时候,测量电阻的指示灯显示为亮,测量电阻的标志位的位置时,频率的输入可以控制多路开关,检查采样进行完成否,加入采样并没有进行完成,那么可以继续返回上一步继续进行采样;假如采样已经完成,那么采样将会被进行是否超出量程范围的判断,如果超出量程范围,则直接返回主程序;如果没有超出范围,将会进行档位的检查,档位检查正确,调用计算电阻值的子程序,对经过计算后的值进行一定的处理,发送到缓冲区,最终进入这个设计的主程序,主程序在进行处理操作后开始显示。

  电容、电感的频率和计算电阻的频率几乎一样,在操作过程中为减小有由555多谐振荡电路导致的一定的误差,应采用滤波和平均的方法来减小由555多谐振荡电路引起的原有的固有误差。

  下面的是主程序的流程图,R键的功能程序流程图,C键的功能程序流程图和L键的程序流程图。

  主程序流程图

  图5.1主程序流程图

  R键功能程序流程图

  图5.2 R键功能程序流程图

  C键功能程序流程图

  图5.3 C键功能程序流程图

  L键功能程序流程图

  图5.4L键功能程序流程图

  6系统的仿真与调试

  6.1Protues的介绍

  Proteus这个软件是英国实验室中心电子公司(这个软件总代理是广州风标电子技术有限公司在中国)发布的EDA工具性软件。这个软件不但佣有其他的EDA工具仿真功能,而且可以对一些MCU和一些外围的设备进行仿真。这是一个很好的工具用来模拟MCU以及外围设备的。虽然该软件在国内的开拓才刚起步,但是已经受到了微控制器的爱好者、从事微控制器教育工作的教师和科技工作者对微控制器的开发以及应用人的喜爱。

  Proteus功能:

  1)交互式电路仿真

  用户可以使用实时设备,例如RAM、ROM、键盘、电机、LED、LCD、AD/DA,一些SPI设备,一些IIC类似的设备等等。

  2)仿真的处理器以及它的外围电路

  它可以模拟51系列、AVR、PIC、ARM等主流微处理器的常用功能。也可以参照图直接在虚拟样机上进行编程,然后配合显示和输出,查看操作之后的输入与输出的效果。Proteus通过系统中配置的虚拟逻辑分析仪和示波器,建立了一个完整的电子设计和开发的环境。

  在本设计中选择Proteus的主要原因是处理器型号支持8051单片机。

  仪表的RLC仪表可用于Proteus模拟。

  6.2系统的仿真及数据分析

  使用Proteus绘制此设计的系统电路图,如图6.1所示,同时使用Keil将已编译的程序添加到微控制器。

  图6.1系统电路图

  电阻的测量

  测量数据如下表6.1所示:

  表6.1电阻测量结果记录

  电阻标值本仪表读数

  420Ω407Ω

  2.3 KΩ2.22 KΩ

  46 KΩ45.8 KΩ

  90KΩ86 KΩ

  210 KΩ203 KΩ

  1MΩ0.95 MΩ

  电容的测量

  测量数据如下表6.2所示:

  表6.2电容测量结果记录

  电容标值本仪表读数

  100pF 96pF

  300pF 295pF

  600pF 594pF

  900pF 893pF

  1500pF 1496pF

  2000pF 1992pF

  电感的测量

  测量数据如下表6.3所示:

  表6.3电感测量结果记录

  电感标值本仪表读数

  100mH 98mH

  200mH 197mH

  300mH 296mH

  400mH 388mH

  500mH 495mH

  600mH 598mH

  数据分析:

  仿真中最重要的步骤是计算频率。测量频率方法有好多种,含有这几种方法共振法和外差法以及示波法和电子计数器法。在我的这个设计中,应用了电子计数器的方法,因为单片机的T0和T1直接可以用来测量频率,并不需要连接其他多余的电路,只要编写程序,这也是单片机的主要优点芯片微电脑。

  电子计数器方法的原理是,某个信号在一定的时间T内重复变化N次,其频率f为N除以T。单片机定时/计数频率的测量方法是让单信号单片机按照一定的程序自动的完成工作。当然,会出现某些错误。

  当频率在被单片机测量的时候,T0可以用作计时器,T1可以用作计数器。时间是已知的。我的时间是10毫秒。我只需要知道10毫秒内的计数器数量即可。单片机对发送的脉冲进行计数,这肯定会引起错误,因为从开门到计数门之间的时间是无关紧要的。一台单片机可以计数多于一个脉冲或少于一个脉冲,这是不能被肯定的。

  这本书将误差称为量化的误差。测量电路在最后输出的高低电平的矩形波所以在单片机计数的时候,最大的误差将不会超过一整个周期,如果您可以将错误最小化,矩形波的频率越大,该误差将越小。

  与此不同的是,当频率稍微低的时候,误差会很大。此时,无法使用频率测量方法,但是可以更改周期以进行测量,因为周期和频率是互为倒数的。这涉及一个量即中频。中频的定义是当对某个信号使用频率测量方法和周期测量方法时,两者引起的误差相等。当频率小于中间边界频率时,采用周期测量的方法,将周期转换为频率。直接频率测量。在本设计中,由于测量的频率相对较大,因此未考虑低于中频的频率,使用频率直接测量的方法。

  单片机的定时器本质上是一个计数器,在时钟的第十二个频率的每一跳上加一个以达到定时的目的,因此其精度主要取决于晶体振荡器的精度。在这个设计中,我使用12MHz的晶体振荡器。虽然指令的执行速度提高了,但是能耗和噪声也都变大了,测量的误差也有了一定的增加。测量时,由于我的计时/计数方法选择方法1,因此计数范围是:1~65536,而计时范围是:1~65ms。如果被测波的频率太大,则计数值将超过65536,超出了测量范围,因此我的电阻测量电路可以测量的电阻范围为:1~300千欧姆,并且电容范围1~250nF。我的测量电路测得的频率范围必须小于300KHz。大于此数字时,LCD会显示乱码。这些都是通过我的验证获得的,每次测量的数据可能会有所不同。这是由于稳定性不是特别的好,所以数据差别也不是很大。其他的情况将不会在这里被考虑。

  错误分析:

  从上表可以看出,测量过程中的误差实际上很大。实际上,除了上述错误的原因之外,错误的主要原因还在于我使用的测量电路。在电阻与电容被测量的过程,电路由555芯片、一个外部电阻以及电容构建而成的。555输出的频率精度它主要取决于电源的精度以及外部电阻和电容元件的精度。如果您的外围设备精度很高并且温度变化不大,那么555的精度就足够了,但是在当前情况下,电阻值与电容值的偏差超过10%,这直接导致测量电路的精度不是很好,所以引起了上述情况。实际上555计时器也存在一个比较大的缺点,那就是它不能产生很低得频率信号,所以导致测量范围相对来说较小,这个原因与555计时器本身的内部结构由一定的联系,在此可以忽略。

  另一点是可以确保我的测量电路可以启动,并且振荡电路一定稳定,如果出现什么问题的话,那将会加入一点没有必要的误差,这就是将元件参数转变成为频率以后测量方法的一个主要的缺点。因为我的电流是仿真图,所以没有错误校正,并且实际电阻或电容值必须与仿真不同。如果要做硬件,可以更正错误。应用实际电路的电阻或者电容,测量更多的数据,找出这些数据的平均误差。然后将这个误差添加到程序当中去测量数据,这样作产生的误差将会是很小的。因此可以更正错误。