5 简易电阻电容电感测试仪 设计报告.docx

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5简易电阻电容电感测试仪设计报告

编号：

2009年滨州学院大学生电子设计竞赛：

C题：

简易电阻电容电感测试仪

参赛学生：

翰耀元刘丽娇王增加

系院：

滨州学院物理与电子科学系

目录

1方案比较与论证1

1.1单片机选择1

1.2总体方案设计选择与论证1

2硬件系统设计2

2.1电阻测量电路2

2.2电容测量电路3

2.3电感测量电路4

2.4多路选择电路.......................................................................52.5按键及数码管显示电路..........................................................6

2.6直流稳压电源.........................................................................8

3.软件设计10

3.1I/O口的分配...........................................................................10

3.2主程序流程图.........................................................................11

3.3中断服务程序流程.................................................................12

4测试说明13

4.1测试仪器13

4.2测试数据13

5结论14

6参考资料14

简易电阻电容电感测试仪

摘要：

本系统是通过凌阳的16位单片机SPCE061A测量电阻、电容和电感对应振荡电路所产生的频率实现各个参数的测量，一方面测量精度较高，另一方面便于使仪表实现自动化。

　　其中电阻和电容是采用555多谐振荡电路产生的，而电感则是根据电容三点式产生的。

SPCE061A的定时器可以利用外部时钟源来计数，这里我们将RCL的测量电路产生的频率作为单片机SPCE061A的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率在通过该频率计算出各个参数。

关键词：

凌阳十六位单片机SPCE061A；555多谐振荡电路；电容三点式振荡；RC振荡

Abstract:

ThesystemthroughtheSunplus16-bitsingle-chipmeasurementSPCE061Aresistors,capacitorsandinductorscorrespondingoscillationfrequencygeneratedbycircuitimplementationofthevariousparametersmeasured,ontheonehand,ahighermeasurementaccuracy,ontheotherhand,soeasytoachieveautomatedinstrument,butalsovoicebroadcastcanaddtomakethemmoreintelligentfunctions.Oneofresistorsandcapacitorsareusedmorethan555haveaharmonicoscillatorcircuit,andtheinductorisbasedonthree-pointcapacitancegenerated.SPCE061Atimerexternalclocksourcecanbeusedtocount,herewewillhaveaRCLcircuitmeasuringthefrequencyofSPCE061Aasasingle-chipclocksource,throughthecountcanbecalculatedatthefrequencymeasuredbythefrequencyofthevariousparameterscalculated.

Keyword:

16single-chipSunplusSPCE061A;555manyharmonicoscillationcircuit;capacitancethree-pointshock;RCshock

1方案比较与论证

简易电阻电容电感测试仪的设计总体框图如下图所示：

外供+5V（500mA）电源

1.1单片机选择

方案一：

采用MCS-51系列单片机。

传统的51单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小等缺点。

方案二：

采用凌阳公司推出的SPCE061A单片机作为控制模块。

SPCE061A具有丰富的资源：

RAM，ROM空间大、指令周期短、低功耗、低电压、可编程音频处理，易于编写和调试等优点。

这些特点极大地提高了开发效率。

鉴于SPCE061A的以上优点，采用方案二。

1.2总体方案设计选择与论证

测量电子元器件集中R、C、L的仪表种类较多，方法也各有不同，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难以实现智能化。

我们把电子元件的参数R、C、L转换成频率信号f，然后用单片机计数后在运算求出R、C、L，并送显示，转换原理分别是555振荡和RC三点式振荡，这样就能够把模拟量近似的转换位数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化的处理一方面便于使仪表实现智能化；另一方面，方案中用到的凌阳16位单片机SPCE061A，由于其CPU具有丰富的I/O口和丰富的时基信号，为我们提供了极大的方便，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SPCE061A的定时器可以通过外部时钟源来计数，我们便可以将555电路或电容三点式振荡电路产生的频率作为SPCE061A的定时器的时钟源，这样就很容易得到被测R/C/L对应产生的频率。

2硬件系统设计

2.1电阻测量电路：

电阻的测量采用“脉冲计数法”，如下图所示由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。

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：

T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1

得出：

即：

电路分为2档:

对应的频率范围为：

12k

IOA5设置为高电平输出，IOA7设为低电平输出；

R2=200欧姆；C2=0.01uF； 

Rx=（6.56*（1e+6））/（2*fx）-330/2

对应的频率范围为：

0.103K≤fx<12K，1000≤Rx<1M欧姆：

IOA6设置为高电平输出，IOA8设为低电平输出。

R1=10k欧姆；C1=103PF； 

 Rx=（1.443*（1e+8））/（2*fx）-（1e+4）

2.2电容测试电路：

电容的测量同样采用“脉冲计数法”，如下图所示由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。

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：

T=t1+t2=（ln2）（R1+R2）*Cx+（ln2）R2*Cx我们设置R1=R2;

得出：

即：

电路分为2档:

1.R1＝10K欧姆：

IOA10设置为高电平输出；

R4=R6； 

Cx=（0.94*（1e+6））/fx; 

对应的频率范围为：

9.4K≤fx<0.94K,

2.R1＝10K欧姆：

IOA9设置为高电平输出；

R5=R6；

Cx=（4.81*（1e+6））/fx;

对应的频率范围为：

480HZ≤fx<4.8K

2.3电感测试电路：

电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。

三点式电路是指：

LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。

得出：

即：

Lx=（38*（1e+6））/f02

2.4.多路选择电路

　　利用CD4052实现测量类别的转换，CD4052是双4选一的模拟开关选择器件。

当选择了某一通道的频率后，输出频率通过通过IOB4作为CPU定时器的时钟源并开始计数，当计数到3秒后读出计数器的值，除以3就得到了被测R/C/L所对应产生的频率，通过计算得到要被测值。

IOA4

IOA3

测量类别

0

0

Y0-R

0

1

Y1-C

1

0

Y2-L

1

1

*

2.5.按键及数码管显示电路

按键和二极管分别表示不同类别的测量，如下表所示：

按键

二极管

对应测试项

KEY1

L1

测试R

KEY2

L2

测试C

KEY3

L3

测试L

 数码管显示显示内容如下图所示：

2.6.直流稳压电源

我们选用采用变压器变压、桥式整流、电容滤波、三端集成稳压器稳压获得+5V、15V、12V直流电压。

题目要求正负15V电源供电，而我们所设计的电路，要+5V电源就可以。

电路如下图所示。

三.软件设计

IOA5-IOA6:

R测量电路中充电电阻选择；

IOA7-IOA8:

R测量电路中充放电电容选择；

IOA9-IOA10:

C测量电路中充电电阻选择；

IOA12-IOA14:

R/C/L测量指示灯；

具体可参见下表：

IOA15-IOA12

IOA11-IOA8

IOA7-IOA4

IOA3-IOA0

A15

A14A13A12

A11

A10A9

A8

A7

A6A5

A4

A3

A2A1A0

×

二极管

R:

100

C:

010

L:

000

×

“1”有效

“0”有效

“1”有效

通道选择 

R:

00

C:

01

L:

10

*:

11

key

R:

001

C:

010

L:

100

I/OB口的分配如下表所示:

IOB口分配情况如下：

IOB2：

设置为反向输出;IOB4：

设置为悬浮输入

B3、IOB4-IOB7：

数码管的位选;IOB8-IOB15：

数码管的段码控制  

具体可参见下表：

IOB15-IOB12

IOB11-IOB8

IOB7-IOB4

IOB3-IOB0

数码管段码

B7B6B5

B4

B3

B2

B1B0

数码管位选

悬浮输入

位选

反相输出

××

3.2主程序流程图

3.3.中断服务程序流程

四.系统测试及整机指标   

4.1测试仪器

数字万用表，简易电容电感测试仪

4.2测试数据

电阻测量比较

电阻表值

万用表读数

本仪表读数

200欧

197.4

196

1k欧

991

1.06k

20k欧

19.8k

20.8k

10k欧

9.88

10.4k

100k欧

99.8

104k

510K欧

516

515k

电感表值

万用表读数

本仪表读数

3.3mH

无

3.5mH

电感测量比较 

电容表值

万用表读数

本仪表读数

100PF

96.6PF

95PF

1000PF

990PF

984PF

120PF

115PF

122PF

0.01UF

0.0089UF

0.015UF

电容测量比较

五.结论

1、量程的切换，一般情况我们会采用模拟开关或继电器来控制，我们在这里只需要几个I/O口即可实现该功能不需要外加任何电路，控制简单、节省成本；

2、SPCE061A有丰富的时基中断，我们可以采用2Hz实现定时一两秒，程序简单而且精度高；

3、SPCE061A定时器可以采用外部时钟源计数，则为我们计算振荡电路产生频率提供了便利，而且计算精度较高，控制简单；

4、SPCE061A具有“看门狗”功能，避免出现“死机”现象。

六、参考资料

[1]《LM555数据手册》

[2]《CD4052数据手册》

[3]《数字电子技术基础》

[4]《模拟电子技术基础》

[5]《SPCE061A单片机原理与应用》