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1、 - 1 -20122012 广西区大学生电子设计竞赛广西区大学生电子设计竞赛设计报告设计报告数字式数字式 RLCRLC 测量仪（测量仪（B B 题）题）摘要摘要本系统是基于 STC89C52 单片机控制的数字式 RLC 测量仪，利用单片机对 R、L、C 的参数进行测量，充分利用单片机的运算和控制功能，硬件软件相结合，测 量方便，精度较高。系统是使用振荡电路将电阻、电容、电感的参数转化为频率， 将振荡频率由 CD4052 模拟开关送入 STC89C52 进行计算处理，然后对其值进行补偿， 智能切换量程，测量结果用 LCD1602 液晶显示。其中电阻和电容的参数转化频率是 采用 555 多谐振荡
2、电路产生，而电感的参数转化频率则是根据 LC 三点式振荡产生， 本设计思路清晰，结构合理，误差控制在题目所要求的范围内。关键词：关键词：STC89C52，RLC,模拟开关, 555 多谐振荡, LC 三点式振荡, LCD1602一、系统一、系统总体总体方案方案1.1.系统系统方案比较及论证方案比较及论证1.1 方案选择1.1.1 电阻测量方案方案一：串联分压原理 RxR0I图 1 串联电路原理图根据串联电路的分压原理可知，串联电路上电压与电阻成正比关系。通过 测量 Rx 和 R0 上的电压。由公式 Rx=Ux/(U0/R0)。方案二：利用直流电桥平衡原理的方案 - 2 -图 2 电桥 （其中
3、R1，R2，为可变电位器，R3 为已知电阻，R4 为被测电阻）根据电路平衡原理，不断调节电位器，使得电表指针指向正中间。由 R1*R4=R3*R4.在通过测量电位器电阻值，可得到 R4 的值。方案三：利用 555 构成单稳态的方案 图 3 555 定时器构成单稳态根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得 出频率，通过公式换算得到电阻阻值。由 f=1/ (R1+2R2)*C*In2，得到公式：R2=1/2*1/ (f*c*Ln2)-R1 上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需 要有较高精度的电阻组成桥，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相
4、比较 而言，方案三利用 555 构成的震荡起，用单片机的定时计数器计 555 输出的振 荡频率，经软件计算得出电阻值，而且与电容的测量电路相仿，制作电路板起 来方便，精确度会明显的提高。故本设计选择了方案三。- 3 -1.1.2 电容测量方案方案一：直接通过串联电路原理。通过电容换算的容抗跟已知电阻分压，通 过测量电压值，再经过公式换算得到电容的值。原理同电阻测量的方案一。方案二：采用平衡电桥法。将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥，通 过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡，此时，电感的大小由电阻和电桥的本 征频率即可求得，该方案测量精准，同时可以测量电容和电阻的大小，但其电 路电路复杂，实现起
5、来较为困难。方案三：555 构成单稳态原理图 4 555 定时器构成单稳态根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得 出频率，通过公式换算得到电容值。由 f=1/(R1+2R2)*C*In2得到公式： Cx=1/ c*Ln2 (R1+2*R2)综合比较后，本设计采用了方案三。- 4 -1.1.3 电感测量方案方案一：采用平衡电桥法测量电感。将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥，通过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡，此时，电感的大小由电阻和电桥的本征频率即可求得，该方案测量精准，同时可以测量电容和电阻的大小，但其电路电路复杂，实现起来较为困难。方案二：电容三点式构成正
6、弦波原理 图 5 电容三点式根据电容三点式公式 ： 01 12212fC CLCCgg从而可得电感的计算公式： 21 12(2)12LC CfCCg采用 LC 配合三极管组成三点式振荡电路，通过测输出频率大小的方法来实现对电感值测量。该方案成本低，其输出波形为正弦波，将其波形整形后交给单片机测出其频率，并转换为电感值。- 5 -相比之下，方案二的测量精度比方案一要高得多，并且也容易实现，所以 选择方案二。1.1.4 多路模拟开关选择 方案一：四选一模拟开关 CD4052。方案二：十六选一模拟开关 DG406。方案三：32x32 路矩阵模拟开关 SL59532。基于本设计题目要求和选择的需要，考
7、虑成本及控制简易程度等，四选一 模拟开关 CD4052 为最佳选择，故本系统选择方案一。1.1.5 显示方案方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD1602）显示。方案二：采用点阵式液晶显示器（LCD12864）显示。基于本设计题目要求，需要液晶显示和测量的量程范围，相比之下， LCD1602 液晶显示低功耗节能，占用空间小，并且格价相对便宜，完全能满足 题目所要求的测量显示，故本设计采用的是 LCD1602 液晶显示。图 6 1602 显示电路1.1.6 主控芯片选择方案一：采用 CPLD 或 FPGA用的 VHDL 硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII 集
8、成开发环境进行综合、仿真，并下载到 CPLD 或 FPGA 可编程逻辑- 6 -器件中，完成系统的控制作用，但相对而言规模大，结构复杂。方案二：采用 STC 系列单片机目前广泛应用的 STC89C52 单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6时钟/机器周期可任意选择，完全能满足本系统设计需求。从完成系统任务需要及可靠性等方面综合考虑，比较两款芯片的成本、功耗等，本系统采用 STC 系列的 STC89C52 单片机作为主控芯片，即选择方案二。1.2 方案论证1.2.1 总体思路本设计是基于单片机 STC89C52
9、 智能处理，根据单片机的外接按键控制测量 电路的选择，通过 LM555 定时器构成的多谐振荡器和电容反馈式三点式构成的 振荡电路长生的一定频率的波。再通过单片机的 I/O 口对高低电平的捕获读出 频率，再通过程序算法处理换算成电阻电容电感的值，然后再通过单片机送给 1602 液晶显示。由于测量电阻、电容和电感，都是首先转化为频率后再进行计 算测量的，其精度会直接影响到本仪表的精度，因此频率或周期的产生和计算 处理是本系统实现精确测量的关键。1.2.2 设计方案系统方框图如图 7 所示。 自动量程转换自动量程转换-add r被测电阻被测电容被测电感RC振荡器（555）RC振荡器（555）电容三点
10、式振荡器多路选择开关4052单片机按键选择测量电路测量电路通道选择通道选择1602显示主控部分主控部分二极管 指示分频电路- 7 -图 7 系统方框总图2.2.系统电路设计系统电路设计及理论分析及理论分析功能：测量并显示被测电阻电容电感的值。 器件：LM555 定时器，三极管 9018，LM7812，LM7805，LM324,CD4052,74HC14,74LS74，继电器，1602 液晶显 示，stc89c52 单片机等。 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，
11、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: 1.100Rx#include “1602.h“#define DataPort P0#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit button_r=P20;sbit button_c=P21;sbit button_l=P23;- 14 -sbit CD4052S0=P24;sbit CD4052S1=P25;sbit LED_R=P14;sbit LED_C=P15;sbit LED_L=P16;sbit R
12、S=P10; sbit RW=P11;sbit EN=P12;bit flag;uchar T0count; uchar timecount; unsigned long int R,C,L,f,y;uchar func;uchar i=0;uchar aa,bb,cc,dd;uchar code meun216=“ is: “,“00000000 “;uchar code m10=“0123456789“;void Intar_T0T1(void) flag=0; timecount=0; T0count=0; TH0=0; TL0=0; TR0=1; TR1=1;voiddelay1(vo
13、id)int i;for(i=80;i0;i-);- 15 -void delay_ms(uchar t)unsigned char i=0;while(t-)for(i=0;i120;i+);void WriteData(uchar dat)EN=0;RS=0; /*RS 寄存器选择输入端，当 RS=0；当进行写模块操作，指向指令寄存器。RW=0; /*当 RS=1，无论是读操作还是写操作，都是指向数据寄存器。RS=1;RW=0;EN=1;DataPort=dat;EN=0;RS=0;RW=0;for (i=0;i20;i+);void WriteCmd(uchar cmd)EN=0;RS=
14、0; /*RS 寄存器选择输入端，当 RS=0；当进行写模块操作，指向指令寄存器。RW=0; /*当 RS=1，无论是读操作还是写操作，都是指向数据寄存器。EN=1;DataPort=cmd;RS=0;RW=0;- 16 -EN=0;for (i=0;i20;i+);void DisChar(uchar ps,uchar dat)WriteCmd(0x80+ps);WriteData(dat);void LcdInit(void)char pp=0;WriteCmd(0x38);delay_ms(5);WriteCmd(0x38);delay_ms(5);WriteCmd(0x38);dela
15、y_ms(5);WriteCmd(0x01);delay_ms(5);WriteCmd(0x06);delay_ms(5);WriteCmd(0x38);WriteCmd(0x0c); WriteCmd(0x40);for(pp=0;pp16;pp+)DisChar(pp,*(meun0+pp);for(pp=0;pp16;pp+)DisChar(pp+0x40,*(meun1+pp); void Display(unsigned long int x) DisChar(0,aa);DisChar(9+0x40,bb);DisChar(10+0x40,cc);DisChar(11+0x40,dd);DisChar(7+0x40,mx%10);x /= 10;- 17 -DisChar(6+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(5+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(4+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(3+0x40,mx%10);x /= 10;DisChar(2+0x40,mx%10);x /=
