基于单片机的RLC测试仪设计Word下载.docx
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能够很好的完成对RLC参数的测量,以满足现代测控系统的需要。
本仪表通过插值算法使测量结果精度得到了有效的提高,同时通过数字惯性滤波法避免了读数的跳动,使得读取测量结果更加方便。
1.2课题设计内容
设计一个带数字显示的电阻,电容和电感测试仪。
采用89C51单片机为主要控制环节,通过振荡电路把参数转换成频率信号,再由模拟开关控制输入信号,并通过单片机对输入的信号进行计数和运算,最后在LED数码显示管上显示出被测原件的大小。
并通过发光二极管指示出原件的类别和单位。
1.3技术要求
测量范围:
电阻100欧姆到1M欧姆,电容100pF到10000pF,电感100uH到10mH。
测量精度:
+5%
用4位数码显示器,显示测量数值,并用发光二极管分别指示所测原件的类别和单位。
测量量程能够自动转换。
有设计方案比较,理论分析和计算,测试结果分析。
1.4拟解决关键问题
(1)对RC震荡和LC三点式振荡的振荡器的设计和相关计算。
在设计中要把电子元件的集中参数R、C、L转换成频率信号,而实现这一转换的原理分别是RC震荡和LC三点式振荡。
所以要对振荡器进行设计。
只有实现了转换才能进行下面的工作。
(2)8051单片机的软件程序的设计和调试。
经过转换后的信号要经过计数和运算才能得到我们所需要的数值,这就需要我们根据需要利用8051单片机进行编程,同时这个程序对整个系统也起着控制作用。
这是一个重要的环节,要经过反复的编写程序和调试。
(3)测量量程的自动转换
(4)减小测量的误差。
1.5课题的来源
随着社会发展的需求,测试仪应用的广发,老式的测试仪越来越不能满足社会的需求,基于这这一触发点需要完成一套智能型的适应需求的RLC测试仪。
1.6课题的范围
依据不同的划分依据,可以将课题的范围划分为如下几种:
以课题涵盖的知识分类来说,课题涉及到模拟电子学、数字电子学、单片机等学科,各学科的交织在一起,各自完成着各自的功能,再有机的整各在一起,就形成了一个完整的具备RLC测试功能的系统。
以课题设计电路的类别来说,包涵硬件电路和软件电路。
现时代的各种先进仪器设备,均具备相同的一个特点,那就是软硬件电路的整合。
传统意义上的硬件电路已经不能满足当今社会日益发展的功能要求,而只有两者相互结合的设计,各取所长,才能满足设计的要求。
以课题设计的用途来说,精度高,稳定性好,体积小、随身携带性强、重量轻巧的系统更适用于各领域测试的需求。
2总体方案设计
2.1方案一
RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法
2.11电桥法
电桥法是能同时测量电器元件R、L、C最典型的方法,如图1所示。
电阻R可用直流电桥测量,电感L、电容C可用交流电桥测量。
电桥平衡的条件为
图2-1RLC测量电桥
通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡,这时电表读数为零。
根据平衡条件及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。
用这种测量方法,参数的值还要通过联立方程求解,调节电阻值一般只能手动,电桥平衡的判别亦难以用简单的电路实现。
这样,电桥法不易实现自动测量。
2.12谐振法
谐振法可以用来测量L、C值,如图2所示。
它可以在工作频率上进行测量,使测量的条件更接近使用情况。
但是,这种测量方法要求的频率连续可调,直至谐振。
因此它对震荡器要求较高,另外,和电桥法一样,调节和平衡判断很难实现智能化。
图2-2谐振法测量L、C原理图
2.13伏安法
伏安法是测量电阻的最基本方法,如图2-3所示。
分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和电压,根据公式R=U/I求得电阻。
这种测量方法要同时测出两个模拟量,不易实现自动化。
而指针式万用表欧姆挡是把被测电阻与标准电阻及电池串联,用电流表测出电流,由于被测电阻与电流一一对应,由此就可读出被测电阻阻值,如图2-4所示。
这种测量的方法的精度变化大,若要较高的精度,必须较多的量程,电路复杂。
图2-3伏安法测量电阻原理图图2-4万用表测量电阻原理图
以上各种方法都难以实现智能化,因此没有被本设计采用。
很多测试仪都是把较难测量的物理量转变精度较高且较容易测量的物理量。
基于此思路,我们把电子元件的集中参数R、C、L转换成频率信号f,然后用单片机计数后再运算求出R、C、L的值,并显示,转换的原理分别是RC震荡和LC三点式振荡。
其实,这种转换就是把模拟量近似地转化为数字量,另一方面也避免了由指针读数引起的误差。
2.2方案二
利用振荡器把电子元件的集中参数R、C、L转换成频率信号,通过模拟开关输入,然后通过单片机的计数和运算求出RLC的值,最终在显示器上显示出来。
2.3方案选择
方案二与方案一相比较,方案二的产品比方案一的产品体积小,操作简单,应用更加广泛。
而且成本也较低,功能强大、便于携带。
且精度高,适应仪器发展的需求。
基于以上,我们选择第二种方案。
2.4系统原理框图
系统原理框图如图2-5所示。
图2-5系统原理框图
3硬件设计
3.1测电阻Rx的RC振荡电路
图6是一由555电路构成的多谐振荡电路。
它的振荡周期为
即
(1)
式中
。
为了避免直接采用式
(1)来计算时由于某种原因引起的非线性误差,本设计引入了直线插值算法,做法如下:
用本设计去测量标准电阻R0、R1……Rn,记下测得相应的周期T0、T1……Tn,得到基准点(R0,T0)、(R1,T1)……(Rn,Tn),则有
(i=0,1,……n)
测量未知电阻Rx时,测得的周期为T,若
则
联立以上三式,得
(2)
用式
(2)计算Rx时,结果与电路中的元件参数无关,这样可以避免电路元件带来的误差。
通过选用高精度的基准电阻和增加基准点的个数,便可使测量结果的误差在允许的范围内。
图3-1测电阻Rx的RC振荡电路
3.2测量电容Cx的RC振荡电路
如图7所示,测量Cx的RC振荡电路与测Rx的振荡电路完全一样。
取R1=R2,则
与测量电阻的过程相似,通过标准电容的测量可以得到基准点
,
……
,当测量未知电容
得到相应的脉冲周期为T时,有
(3)
图3-2测量电容Cx的RC振荡电路
3.3测量电感Lx的电容三点式振荡电路
如图8所示,在电容三点振荡电路中,C1、C2分别采用1000pF和2200pF的独石电容,其电容值远大于晶体管极间电容,可以把极间电容忽略。
这样根据振荡频率公式:
(4)
其中
对于10uH的电感
由于单片采用12MHz晶振晶,最快只能计几百kHz的频率,因此在测电感这一档时,应分频后再送单片机计数。
由式(4)得
其中
通过对一些标准电感的测量,可得到一些基准点
得到相应的脉冲周期的平方为
时,由直线插值法可得
(5)
图3-3测量电感Lx的电容三点式振荡电路
3.4模拟开关
模拟开关是一种三稳态电路,它可以根据选通端的电平,决定输人端与输出端的状态。
当选通端处在选通状态时,输出端的状态取决于输人端的状态;
当选通端处于截止状态时,则不管输人端电平如何,输出端都呈高阻状态。
模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。
由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点,因而,在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。
3.41模拟开关的电路组成及工作原理
图3-4模拟开关的电路组成
模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成,如图一所示。
模拟开关的真值表如下
表3-1模拟开关的真值表
E
A
B
1
高阻状态
高用状态
模拟开关的工作原理如下:
当选通端E和输人端A同为1时,则S2端为0,S1端为1,这时VT1导通,VT2截止,输出端B输出为1,A=B,相当于输入端和输出端接通。
当选通E为0时,而输人端A为0时,则S2端为1,S1端为0,这时VT1截止,VT2导通,输出端B为0,A=B,也相当于输人端和输出端接通。
当选通端E为0时,这时VT1和VT2均为截止状态,电路输出呈高阻状态。
从上面的分析可以看出,只有当选通端E为高电平时,模拟开关才会被接通,此时可从A向B传送信息;
当输人端A为低电平时,模拟开关关闭,停止传送信息。
3.42常用的CMOS模拟开关集成电路
根据电路的特性和集成度的不同,MOS模拟开关集成电路可分为很多种类。
现将常用的模拟开关集成电路的型号、名称及特性列入表3-2中。
表3-2
常用的模拟开关
类别
型号
名称
特点
模拟开关
CD4066
四双向模拟开关
四组独立开关,双向传输
多路模拟开关
CD4051
8选1模拟开关
电平位移,双向传输,地址选择
CD4052
双4选1模拟开关
CD4053
三路2组双向模拟开关
CD4067
单16通道模拟开关
CD4097
双8通道电路模拟开关
CD4529
双四路或单八路模拟开关
3.43单八路模拟开关CD4051
根据设计需求我们选用的是CD4051模拟开关
图3-5CD4051
CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。
其真值表见表1。
“INH”是禁止端,当“INH”=1时,各通道均不接通。
此外,CD4051还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰-峰值达15V的交流信号。
例如,若模拟开关的供电电源VDD=+5V,VSS=0V,当VEE=-5V时,只要对此模拟开关施加0~5V的数字控制信号,就可控制幅度范围为-5V~+5V的模拟信号。
表3-3
输入状态与接通通道
输入状态
INH
C
接通通道
2
3
4
5
6
7
均不
接通
在设计中我们只需用3个通道即可。
3.589C51单片机
3.51单片机综述
微处理器CPU微处理器是微型电子计算机的心脏或指挥中心,所以人们又称这个关键部件叫中央处理器,简称为CPU。
现在人们可以把CPU、存储器、I/O接口等功能部件都集成到,一块芯片上。
这神芯片能够完成微机相应部分的功能,人们称它为单片微型计算机,简称单片机。
单片机目前还没有一个确切的定义。
普遍以为单片机是将CPU,RAM,ROM、定时器/计数器以及输入/输出(I/O)接口电路等计算机主要部件集成在一块芯片上,这样所组成的芯片级微型计算机称为单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer),简称为单片机微型机或单片机。
由于单片机的硬件结构与指令系统都是按工业控制要求设计的,常用于工业的检测、控制装置中、因而也称为微控制器(Micro-Cotroller)或嵌入式控制器(Ebeddsed-Controller)。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
本设计选用的单片机是Intel公司生产的AT89C51,其具备微型化、低功耗、高速化、集成资源多、性能优异而且价格便宜等优点。
在本设计中利用单片机主要目的是为了,实现广告灯的智能闪烁,从而实现多种花样显示,同时也用于控制固态继电器的开通与关断。
利用单片机实现的有利条件是价格便宜,而且容易实现便于修改。
3.52AT89C51单片机功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51单片机引脚图3.3如下所示:
图3-6AT89C51单片机引脚图
AT89C51单片机引脚功能说明:
●Vcc:
电源电压
●GND:
地
●P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
●Pl口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻时把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
●P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。
●P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时,被外部拉低的P3口将用上拉电阳输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/0口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表3-4所示:
表3-4P3引脚的第二功能表
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
(外中断0)
P3.3
(外中断1)
P3.4
T0(定时/计数器0)
P3.5
T1(定时计数器1)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器读选通)
●RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
●ALE/
:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(FRZG)如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
●
程序储存允许(
)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次T触发下有效,即输出两个脉冲。
在此期间,访问外部数据存储器,这两次有效的
信号不出现。
●EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
●XTAL1:
振荡器反相放人器的及内部时钟发生器的输入端。
●XTAL2:
振荡器反相放人器的输出端
3.53部分模块介绍
(1)时钟振荡器:
AT89051中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器,振荡电路参见图3.7。
外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1,C2接在放人器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1,C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性,如果使用石英晶体,推荐电容使用30pF±
10pF
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- 基于 单片机 RLC 测试仪 设计