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1、电阻、电容、电感测试仪的系统设计摘 要 本次设计是在参考555振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用555振荡器将被测参数转化为频率，这里我们将RLC的测量电路产生的频率送入AT89C52的计数器内，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参数。关键字 555振荡器； AT89C52； 定时计数； 参数1.电阻、电容、电感测试仪的系统设计1.1 电阻、电容、电感测试仪设计方案比较电阻、电容、电感测试仪的设计可用多种方案完成，例如利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电容可用恒流法和比较法，电感可用时间常数发和同步分离法等、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡
2、电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前对各种方案进行了比较： 方案一：可编程逻辑控制器(PLC) 应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高。方案二：采用CPLD或FPGA实现应用目前广泛应用的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集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言规模大，结构复杂。方案三：利用振荡电路与单片机结合利用555多谐振荡电路将电阻
3、，电容参数转化为频率，而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置灵活。容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。综上所述，利用方案三振荡电路与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本次设计选定以单片机为核心来进行。1.2 系统的原理框图本设计中，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使
4、用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用MCS - 51系列的单片机为核心来实现电阻、电容、电感测试仪的控制。系统分四大部分：测量电路、控制电路、通道选择和显示电路。通过P1.3和P1.4向模拟开关送两位地址信号，取得相应的振荡频率，然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据进行处理后，得出相应的参数值。系统设计框图如图1-1如下所示。图1-1 系统设计框图框图各部分说明如下：1)控制部分：本设计以单片机为核心，采用89C51单片机，利用其管脚的特殊功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和LED显示功能等。LED灯：本设计中，设置了1盏电源指示灯，采用红色的LED以共阳极方式来连接，直观易懂，操
5、作也简单。数码管显示：本设计中有1个74HC02、2个74LS573、1个2803驱动和6个数码管，采用共阳极方式连接构成动态显示部分，降低功耗。键盘：本设计中有Sr，Sc，SL三个按键，可灵活控制不同测量参数的切换，实现一键测量。2)通道选择：本设计通过单片机控制CD4052模拟开关来控制被测频率的自动选择。3)测量电路：RC震荡电路是利用555振荡电路实现被测电阻和被测电容频率化。电容三点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现被测电感参数频率化。通过51单片机的IO口自动识别量程切换，实现自动测量。2.电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计2.1 MCS-51单片机电路的设计在本设计中，考虑
6、到单片机构成的应用系统有较大的可靠性，容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。还具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现。另外，本设计还需要利用单片机的定时计数器、中断系统、串行接口等等，所以，选择以单片机为核心进行设计具有极大的必要性。在硬件设计中，选用MS-51系列单片机，其各个I/O口分别接有按键、LED灯、七位数码管等，通过软件进行控制。 本设计中单片机的设计电路如下图2-1所示： 图2-1 单片机的设计电路本电路使用单片机内部振荡器，11.0592MHz的晶体谐振器直接接在单片机的时钟端口X1和X2，电路中C2、C3为振荡器的匹配电容。该电路简单，工作可
7、靠 。另外本系统的容阻上电复位，就是利用RC电路的充电过程来给单片机复位。RC电路的时间常数计算公式：T=RC (3-1)即：T=RC=10u*10k=100ms。当需要复位时，也可以按下复位按键，进行复位。2.2 LED数码管电路与键盘电路的设计在电阻、电容、电感测试系统中，用LED灯来显示测量参数的类别和电源指示，既简单又显而易见。在本设计中，利用单片机的P1.0、P1.1和P1.2口直接和发光二极管相连接，控制程序放在 MCS-51单片机的ROM中。由于测试指示灯为发光二极管且阳极通过限流电阻与电源正极相接，所以为共阳极。因此 I/0口输出低电平时，与之相连的相应指示灯会亮；I/0口输出
8、高电平时，相应的指示灯会灭。发光二极管的接口电路如图2-2所示： 图2-2 发光二极管的接口电路发光二极管的设计中，每个二极管与单片机接口间有一个电阻，其阻值至少为180欧。按3.3V时的工作电流15mA来计算，需要让与之串联的电阻，分去VCC 5V电压中的2.7V电压，则得到R=U/I=2.7V/0.015A=180欧，且电阻的功率为P=UI=2.7V*0.015A=0.041W。另外，在本设计中，LED应用于七位数码管中，实现了被测参数的显示，七位数码管以共阴极的方式经过74LS573锁存器与单片机的P0口相连。六位数码管显示被测参数的示值从左到右依次代表十万、万、千、百、十和个位，这样显
9、示结果更为简单可行。静态方式需要大量I/O，而动态扫描显示方式能够节省大量的I/O口，且电路结构也比较简单，显示效果良好，因此最终采用动态扫描显示方式。系统核心电路(AT89S52最小系统)的P0口以总线方式与二片数据锁存器(74HC573)相连接，二片74HC573的片选使能端(LE)分别连接在或非门(74HC02)的1、4管脚，三个或非门相类似，都是两个输入端的其中一端接在单片机的16管脚(WR)，而另一端分别接在P2.5P2.6。单片机片选电路如图2-3所示。图2-3 单片机片选电路或非门片选电路分析：当单片机通过P0口总线输出数据时，16管脚(WR)为低电平“0”，片选信号端P2.5P
10、2.7中，要被片选端为“0”，其它为“1”，这样三个或非门中，只有需要片选中或非门的输出为高电平“1”，其它两个或非门的输出信号为低电平“0”。另外，74HC573数据锁存器的LE使能端为高电平有效，与之前电路结合可以实现片选功能。在本设计中，LED显示接口电路如下图2-4所示 图2-4 LED显示接口电路电路由6个共阴极数码管、两个74HC573和一个ULN2803组成。两个74HC573分别作为段码和位码的数据锁存器，它们的片选信号来自最小系统AT89S52的P2.5和P2.6，由此可以计算出它们的片选地址：段码片选地址为C000HDFFFH，位码片选地址为A000HBFFFH。ULN28
11、03是达林顿管，在电路中能起到大电流输出和高压输出的作用。由于电路使用的是共阴极动态显示方式，ULN2803在位码数据锁存器后连接八个数码管的COM端，可以增强驱动数码管的能力，使数码管的显示效果更好。本设计中设置了Sr,Sc,SL三个按键，利用单片机的P1.0、P1.1和P1.2口直接和按键相连接，控制程序放在 MCS-51单片机的ROM中用于启动各个被测参数程序的调整。见图2-5按键电路所示图2-5 按键电路控制R、L、C的三个按键接入一个10K大小的上拉电阻，起限流保护作用。当有键按下时为低电平，无键按下时则为高电平。2.3 测量电阻、电容电路的设计2.3.1 555定时器简介555定时
12、器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。1)555定时器内部结构555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图2-6(A)部分及管脚排列如图(B)部分所示。图2-6 定时器内部结构它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5K的等值电阻串联而成。分压器为比较器A1、A2提供参考电压，比较器A1的参考电压为，加在同相输入端，比较器A2
13、的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放A1、A2组成。高电平触发信号加在A1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在A2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器端的输入信号。基本R-S触发器的输出状态受比较器A1、A2的输出端控制。2)多谐振荡器工作原理由555定时器组成的多谐振荡器如图2-7(C)部分所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)部分所示。图2-7 震荡器工作原理设电容的初始电压Uc0，t0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTHVTL
14、0，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即=1，=0(1表示高电位，0表示低电位)，R-S触发器置1，定时器输出u0=1此时，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经R1，R2向电容C充电，uc逐渐升高。当uc上升到时，A2输出由0翻转为1，这时=1，R-S触发顺保持状态不变。所以0tt1期间，定时器输出u0为高电平1。时刻，uc上升到，比较器A1的输出由1变为0，这时=0，=1，R-S触发器复0，定时器输出u0=0。期间，放电三极管T导通，电容C通过R2放电。uc按指数规律下降,当时比较器A1输出由0变为1，R-S触发器的=1，Q的状态不变，u0的状态仍为低电平。时刻，uc下降到，比较器
15、A2输出由1变为0，R-S触发器的=1，=0，触发器处于1，定时器输出u0=1。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u0=1，电容放电时，u0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。3)振荡周期由图(D)可知，振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。充电时间： (3-2)放电时间： (3-3)矩形波的振荡周期： (3-4)因此改变R1、R2和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=(脉宽tw)/(周期T)，tw指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比： (3-5)2.3.2 测量电阻电路的设计定时器555是一种用途很广的集成电路，只需外接少量R、C元件，就可以构成多谐、单稳及施密特触发器。电阻的测量采用“脉冲计数法”，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
