基于单片机的RLC测量仪.docx
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基于单片机的RLC测量仪.docx
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学校代码11059
学号:
01
本科毕业论文
BACHELORDISSERTATION
论文题目:
简易R、L、C测量仪
学位类别:
工学学士
学科专业:
作者姓名:
导师姓名:
完成时刻:
简易R、L、C测量仪
中文摘要
在本设计里,采纳单片机89S52做为设计的操纵核心,89S52单片机是一款八位单片机,它的易用性和多功能性受到了广大利用者的好评。
由于单片机在频率计数时,计数的误差值超级的小,因此在本设计中,单片机的最要紧的一个作用确实是完成频率的计数。
通过搭建外围的电路,把所要求的电阻、电容、电感参数转换成频率信号f,转换的原理别离是利用RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路。
用89S52单片机计数得出被测频率,通过必然软件编程,把该频率计算出各个参数值,将数据处置后,送显示部份显示,若是测量值不在频率范围内,通过软件操纵端口,通过继电器形成量程转换。
通过该电阻、电容、电感测量仪器的设计,本人大体了解和把握了如何运用单片机硬件和软件技术来完成一些小设计。
关于本人来讲,这是一次极为宝贵的体会。
关键词:
RC振荡电路;LC电容三点式;89S52单片机;测量
R、L、Cmeasureinstrument
Abstract
Inthisdesign,useofSCM89S52asthecoredesignofcontrol.SCM89S52isa8bitsinglechipcomputer.Itseasilyusingandmulti-functionsufferlargeusers.AsSCMinfrequencycount,thecountoferrorisverylittle.Sointhisdesign,SCMisthemostimportantarolethefrequencyofcompletecount.Throughtheexternalstructuresofthecircuit,theresistance、theinductanceandthecapacitancearetranslatedintofrequencyonaccountofRCsurgingcircuitandLCsurgingcircuit.Singlechipwasmeasuredfrequencyandcomputedeachparametervaluefromthisfrequency,Throughthesoftwareprogramming,tocalculatethefrequencyofvariousparameters,dataprocessing,senttoshowthatsome,ifnotmeasuredfrequencyrange,bysoftwarecontrolport,throughtheformationoftherelayrangeconversion.
Iknowandgrasphowtouse89S52singlechipcomputertechnologytodeveloptheR、L、Cmeasureinstrumentthroughthispractice.It'sanextremelyvaluableexperiencetome.
KEYWORD:
RCsurgingcircuit;LCsurgingcircuit;89S52singlechipcomputer;measureinstrument
目录
第一章系统的设计 1
设计背景 1
设计要求 1
设计任务 1
技术要求 2
方案比较 2
方案论证 4
整体思路 4
设计方案 5
各模块方案论证 5
电阻、电容振荡模块 5
电感振荡模块 5
显示模块 5
开关 6
中央操纵器模块 6
系统各模块最终方案 6
第二章要紧电路设计与说明 7
555芯片简介 7
芯片各引脚的功能 7
芯片的等效功能方框图及工作原理 7
74LS161芯片的简介 9
AT89S52单片机硬件结构 9
继电器的工作原理 11
继电器的概念 11
电磁继电器的工作原理和特性 11
继电器的工作环境 11
LCD的引脚功能 12
测Rx的RC振荡电路 12
第三章设计电路 15
测量电阻的电路模块 15
测电容的RC振荡电路 16
测电感的电容三点式振荡电路 17
第四章软件设计 20
第五章系统测试 22
测试仪器 22
指标测试及误差分析 23
电阻的测量 23
电容的测量 23
电感的测量 24
第六章总结 25
参考文献 26
致谢 27
附录 28
附录1元器件清单 28
附录2电路原理框图 29
附录3电路实物图 30
附录4程序 31
第一章系统的设计
设计背景
在历届全国电子大赛和省内电子大赛中几乎每次都有仪表类系统设计方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究。
本设计确实是在如此的背景下提出的,制作一台简易电阻、电容、电感测量仪器具有相当强的实际意义。
随着电子技术的迅速进展,电子产品已经渗透到咱们生活的方方面面,人们对电子再也不感到陌生,对电路基础和电子元器件的了解也开始慢慢普及。
在一些小家电维修或检测中,通常对电路比较了解人们会利用万用表对未知电阻进行测量,而关于未知的电容电感,那么需要通过辅助电路,对其进行辅助测量,既烦琐,准确度又低。
而关于那些电路基础相对薄弱的人们,那只能是望而兴叹了。
于是,设计一台简易的数字智能便携式电容,电阻,电感测量仪器成为必要。
本设计若是直接运用外围电路通过计算来求得所要求的参数,进程复杂,准确率低,关键是不能实现量程的自动转换。
新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构,为系统的扩展与配置打下了良好的基础。
于是本设计采纳了比较先进的89S52为操纵核心,89S52单片机功耗很低,价钱廉价,更重要的是单片机在测量频率时的误差超级的小,在设计中,将所要求的参数通过振荡电路转化为频率信号,作为单片机的时钟源,再通过单片机软件的编程来实现其量程转换和各模块参数的显示,这就为该设计的低误差率、易操作性提供了必要的条件,从而使得本设计才能够顺利完成。
设计要求
设计任务
要制作一台数字显示的电阻、电容、电感测量仪,必需涉及到测量部份、操纵部份与数字显示三大部份。
其中,在测量部份中,由于测量的是电阻、电容、电感三种不同的参数,因此,必需将测量部份在进一步划分。
测量模块与显示模块都是围绕单片机进行,因此具体简易设计框图1所示:
图1简易设计框图
技术要求
大体要求
(1)测量范围
电阻100Ω~1MΩ
电容100pF~10000pF
电感100µH~10mH
(2)测量精度+5%
(3)制作4位数码管显示器,显示测量数值,并用发光二极管别离指示所测元件的类别和单位
发挥部份
(1)扩大测量范围
(2)提高测量精度
(3)测量量程自动转换
方案比较
目前,测量电子元件集中参数电阻、电容、电感的仪表种类较多,方式也各不相同,这些方式都有其优缺点。
电阻R的测试方式最多。
最大体的确实是依照R的概念式来测量。
在如图2中,别离用电流表和电压表测出通过电阻的电流和通过电阻的电压,依照公式求得电阻。
这种方式要测出两个模拟量,不易实现自动化。
而指针式万用表欧姆档是把被测电阻与电流一一对应,由此就能够够读出被测电阻的阻值,如图3所示:
这种测量方式的精度转变大,假设需要较高的精度,必需要较多的量程,电路复杂。
图2由概念法测量图3万用表测量法
固然,还能够通过一般分压电路,如图所示为电压源分压法,将Rx所分的电压,通过A/D转换器转换,通过单片机端口将数字信号并行输入单片机,再通过软件编程,将数字信号还原,通过公式计算出Rx的值,该方式准确度较高,但A/D转换模块的程序编写实现较困难,因此,实现起来比较困难。
图4电压源分压法
能同时测量电器元件电阻、电容、电感的最典型的方式是电桥法(如图5)。
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。
图5电桥平稳法
电桥的平稳条件为
通过调剂阻抗、使电桥平稳,这时电表读数为零。
依照平稳条件和一些已知的电路参数就能够够求出被测参数。
用这种测量方式,参数的值还能够通过联立方程求解,调剂电阻值一样只能手动,电桥的平稳判别亦难用简单电路实现。
如此,电桥法不易实现自动测量。
Q表是用谐振法来测量L、C值(如图6)。
它能够在工作频率上进行测量,使测量的条件更接近利用情形。
可是,这种测量方式要求频率持续可调,直至谐振。
因此它对振荡器的要求较高,另外,和电桥法一样,调剂和平稳判别很难实现智能化。
图6谐振法测量
用阻抗法测电阻、电容、电感有两种实现方式:
用恒流源供电,然后测元件电压;用恒压源供电,然后测元件电流。
由于很难实现理想的恒流源和恒压源,因此它们适用的测量范围很窄。
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,咱们把电子元件的集中参数电阻、电容、电感转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出电阻、电容、电感的值,并送显示部份显示。
转换的原理别离是RC振荡和LC三点式振荡。
其实,这种转换确实是把模拟量进拟地转化为数字量,频率f是单片机很容易处置的数字量,这种数字化处置一方面便于使仪表实现智能化,另一方面也幸免了由指针读数引发的误差。
方案论证
整体思路
在本设计中,把电阻、电容、电感转换成频率信号f,转换的原理别离是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路,单片机依照所选通道,向模拟开关送两路地址信号,取得振荡频率,作为单片机的时钟源,通过计数那么能够计算出被测频率,再通过该频率,通过公式计算出各个参数。
然后依照所测频率判定是不是转换量程,或是把数据处置后,把电阻、电容、电感的值送显示部份显示出相应的参数值,利用编程实现量程自动转换。
设计方案
该设计方案的整体方框图如图7所示。
图7设计的整体方框图
各模块方案论证
电阻、电容振荡模块
采纳555组成多谐振荡电路,通过单片机口对振荡电路产生的频率进行计数,通过软件对振荡电路产生的频率进行判定,利用继电器自动进行对电阻、电容参数量程的选择,取得更好的频率范围,从而进行量程的自动切换。
电容的振荡电路在原理方面大体上与电阻相同。
电感振荡模块
采纳电容三点式振荡电路来产生不同的频率,由于单片机的计数能力有限,因此,振荡电路产生的频率必需通过度频后再送单片机口计数。
一样通过软件实现参数计算,计算公式中要考虑到所测量的频率是分频后的频率,计算时要将频率还原,然后测出频率再计算出电感值,送显示部份显示。
显示模块
能够采纳LCD进行显示。
液晶显示屏具有低耗电量,无辐射危险,和影像不闪烁等优势,可视面积大,画面成效好,分辨率高,抗干扰能力强等特点。
价钱有点昂贵,但很有效。
本设计因为测量的是三个模块,若是用数码管加LED显示的话,LED不但要显示所显示的是哪个模块,而且设计中,要用其来显示所测量单位的大小,这使得软件实现起来相对困难。
因此,采纳LCD显示,同时显示参数的大小和所测量的类别,简练而又清楚。
开关
单片机的开关能够采纳优良的行列4×4矩阵式键盘,此方式操作简单,节省单片机资源,且价钱廉价,但在本设计中,涉及的键盘很少,只需要用键盘完成三个模块的切换即可,因此只需要采纳一般的开关即可。
价钱廉价,功能单一,但很有效。
中央操纵器模块
中央操纵器为整个系统的核心,通过同意外部信息,依照操纵算法驱动执行机构。
对中央处置器的选择多种多样,但咱们熟练把握8051系列单片机的操纵原理和设计方式,因此咱们选择AT89S52作为系统操纵器。
该单片机运算功能强,软件编程灵活,自由度大,而且其功耗低,体积小,技术成熟,完全适合在本系统中应用。
系统各模块最终方案
通过度析和论证,咱们最终各模块选择方案如下:
1.电阻和电容振荡模块:
采纳555组成多谐振荡,利用继电器自动进行对电阻、电容参数量程的选择,取得更好的频率范围,从而进行量程的自动切换。
2.电感振荡模块:
采纳电容三点式振荡电路来产生不同的频率,然后测出频率再计算出电感值。
3.显示模块:
采纳LCD显示。
4.输入模块:
采纳三个一般开关加三个LED小灯。
5.中央操纵器模块:
采纳AT89S52单片机进行操纵。
6.电源:
单片机及各芯片都利用+5V直流电源,只有LC振荡回路利用+12V直流电源。
第二章要紧电路设计与说明
555芯片简介
在本设计方案选择中,测量电阻和电容参数的RC振荡电路采纳555按时器电路组成。
集成按时器555电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路。
芯片各引脚的功能
表1555按时器的引脚及功能
引脚编号
符号
功能说明
1
GND
地线
2
TR
触发
3
OUT
输出
4
RES
复位
5
CV
控制电压
6
TH
阀值
7
DIS
放电
8
VCC
电压
芯片的等效功能方框图及工作原理
555时基电路等效功能方框图如图8所示:
图8555时基电路等效功能方框图
芯片的工作原理[1]
555的等效功能框图中包括两个COMS电压比较器A和B,一个RS触发器,一个反相器,一个P沟道MOS场效应管组成的放电开关SW,三个阻值相等的分压电阻网络,和输出缓冲级。
三个电阻组成的分压网络为上比较器A和下比较器B别离提供2/3Vcc和1/3Vcc的偏置电压。
当上比较器A的同相输入端R高于反相输入端电位2/3Vcc时,A输出为高电平,RS触发器翻转,输出端Vo为逻辑“0”电平。
即当VTH>2/3Vcc时,Vo为“0”电平,处于复位状态;而当置位触发端的电位,即VS≤1/3Vcc时,下比较器B的输出为“1”,RS触发器置位,输出端Vo为“1”电平。
即当VS≤1/3Vcc时,Vo为“1”电平,处于置位状态。
可见,该555的等效功能框图相当一个置位—复位触发器。
在RS触发器内,还设置了一个强制复位端,即不管阈值端R和置位触发端处于何种电平,只要使=“0”,那么RS触发器的输出必为“1”,从而使输出Vo为“0”电平。
从芯片的等效功能方框图得出各功能端的真值表,如表2所示:
表2555芯片各功能端的真值表
(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”→电平≤1/3Vcc“1”→电平>2/3Vcc
“×”→表示任意电平
74LS161芯片的简介
74161是4位二进制同步加计数器。
表3为74161的功能表:
表374161的功能表
清零
RD
预置
LD
使能
EPET
时钟
CP
预置数据输入
ABCD
输出
QAQBQCQD
L
×
××
×
××××
LLLL
H
L
××
上升沿
ABCD
ABCD
H
H
L×
×
××××
保持
H
H
×L
×
××××
保持
H
H
HH
上升沿
××××
计数
其中RD是异步清零端,LD是预置数操纵端,A、B、C、D是预置数据输入端,EP和ET是计数使能端,RCO(=是进位输出端,它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
计数进程中,第一加入一清零信号RD=0,使各触发器的状态为0,即计数器清零。
RD变成1后,加入一置数信号LD=0,即信号需要维持到下一个时钟脉冲的正跳变到来后。
在那个置数信号和时钟脉冲上升的一起作用下,各触发器的输出状态与预置的输入数据相同,这确实是预置操作。
接着EP=ET=1,在此期间74161一直处于计数状态。
一直到EP=0,ET=1,计数器计数状态终止。
AT89S52单片机硬件结构
本设计是以AT89S52单片机为操纵核心的,AT89S52单片机是把那些作为操纵应用所必需的大体内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。
若是按功能划分,它由如下功能部件组成,即微处置器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、按时器/计数器、中断系统及特殊功能寄放器。
它们都是通过片内单一总线连接而成,其大体结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各类功能部件的操纵是采纳特殊功能寄放器的集中操纵方式。
该单片机中有一个8位的微处置器,与通用的微处置器大体相同,一样包括了运算器和操纵器两大部份,只是增加了面向操纵的处置功能,不仅可处置数据,还能够进行位变量的处置。
片内为128个字节,片外最多可外扩至64k字节,用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存缓和冲、标志位等,因此称为数据存储器。
由于受集成度限制,片内只读存储器一样容量较小,若是片内的只读存储器的容量不够,那么需用扩展片外的只读存储器,片外最多可外扩至64k字节。
具有5个中断源,2级中断优先权。
片内有2个16位的按时器/计数器,具有四种工作方式。
1个全双工的串行口,具有四种工作方式。
可用来进行串行通信,扩展并行I/O口,乃至与多个单片机相连组成多机系统,从而使单片机的功能更强且应用更广。
口、P2口、P3口、P4口
为4个并行8位I/O口。
共有21个,用于对片内的个功能的部件进行治理、操纵、监视。
事实上是一些操纵寄放器和状态寄放器,是一个具有特殊功能的RAM区。
由上可见,AT89S52单片机的硬件结构具有功能部件种类全,功能强等特点。
专门值得一提的是该单片机CPU中的位处置器,它事实上是一个完整的1位微运算机,那个一名微运算机有自己的CPU、位寄放器、I/O口和指令集。
1位机在开关决策、逻辑电路仿真、进程操纵方面超级有效;而8位机在数据搜集,运算处置方面有明显的优势。
MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一路,二者相辅相承,它是单片机技术上的一个冲破,这也是MCS-51单片机在设计的精美的地方。
在本设计里,单片机的最要紧的一个作用确实是完成频率的计数。
通过外围电路与单片机口相连接,通过单片机口进行计数,将按时器的时刻设定在1秒,1秒所记次数确实是外围电路的频率。
由于频率f是单片机很容易处置的数字量,单片机在计数时误差值超级小,因此,对提高测量的精度很有帮忙。
继电器的工作原理
在本设计中,实现量程的自动转换成为设计的重点和难点,本设计通过软件对其量程进行操纵,通过对其电路产生的频率,若是频率不在所选的范围内,通过单片机端口输出高低电平,来操纵继电器工作,从而实现硬件的量程转换。
因此,继电器的利用好坏直接阻碍了设计的质量好坏。
继电器的概念
为了实现弱电对强电的操纵,或实现被控负载的隔离,电子系统通常通过操纵继电器来实现对负载的操纵。
继电器是当输入量(或鼓励量)知足某些规定的条件时,能在一个或多个输入电路中产生跃变的一种器件。
继电器是一种电子操纵器件,它具有操纵系统(又称输入回路)和被操纵系统(又称输出回路),通常应用于自动操纵电路中,它事实上是用较小的电流去操纵较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调剂、平安爱惜、转换电路等作用。
电磁继电器的工作原理和特性
电磁式继电器一样由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两头加上必然的电压,线圈中就会流过必然的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作使劲返回原先的位置,使动触点与原先的静触点(常闭触点)吸合。
如此吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
关于继电器的“常开、常闭”触点,能够如此来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
本设计中,利用的是固体继电器。
利用电子元件实现继电器的功能而无机械运动构件,同时其输入和输出电路彼此隔离的一种继电器。
固体继电器的输入电路(单片机的端口)是为输入操纵信号提供一个回路,使之成为固体继电器的触发信号源。
固体继电器的驱动电路给输出器件提供触发信号。
在触发信号信号操纵下,其输出电路实现固体继电器的通断切换。
继电器的工作环境
固体继电器是一种无触点电子开关,要紧由输入(操纵)电路,驱动电路和输入电路三部份组成。
其原理图如图9所示:
图9原理图
LCD的引脚功能
本设计采纳1602作为显示模块,1602采纳标准的16脚接口,其中;第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接+5V电源。
第3脚:
V0为液晶显示器对照度调整端,接正电源时对照度最弱,接地接地电源时对照度最高,对照度太高时会产生“鬼影”,利历时能够通过一个10K的电位器调整对照度。
第4脚:
RS为寄放器选择,高电平常选择数据寄放器,低电平选择指令寄放器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平进行读操作,低电平常进行写操作。
当RS和RW一起为低电平常,能够写入指令或显示地址,当RS为低电平RW为高电平常能够读忙信号,当RS为高电平RW为低电平常能够写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平常,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15~16脚:
空脚。
测Rx的RC振荡电路
在电路中采纳RC振荡电路来测量电阻R、电容C的值,用555时基电路组成RC振荡器。
如图10所示,将555与三个阻、容元件如图连接,便组成无稳态多谐振荡模式。
图10电路图
图11波形图
当加上电压时,由于上端电压不能突变,故555处于置位状态,输出端呈高电平“1”,而内部的放电COMS管截止,通过和对其充电,触发电平电位随上端电压的升高呈指数上升,波形如图11所示:
当上的电压随时刻增加,达到2/3Vcc阈值电平常,上比较器A翻转,使RS触发器置位,经缓冲级倒
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