课程设计简易电阻、电容、电感测试仪器.doc

中国海洋大学工程学院 机械电子工程研究生课程考核（研究报告、论文等）题目：简易电阻、电容和电感测试仪课程名称：嵌 入 式 技 术 姓 名：李 超 学 号：3 1 2 1 1 0 2 2 院 系：国家海洋局第一海洋研究所专 业：海洋地球物理 时 间：2011-01-06 简易电阻、电容和电感测试仪摘要：本系统利用555多谐振荡电路将电阻，电容参数转化为频率，而电感则是根据电容三点式转化为频率，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，另一方面便于使姨表实现自动化，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。容易构成何种规模的应用系统，且应用系统较高的软、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系统的原理框图本设计中，考虑到单片机的物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用ARM-7系列的单片机为核心来实现电阻、电容、电感的测量。系统可以分为四大部分：测量电路、控制电路、通道选择和显示电路。系统设计框图对于系统各部分说明如下：1） 控制部分：本设计以单片机为核心，采用MCS-51单片机，利用其管脚特殊功能以及具备的中断系统，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，操作也简单。6个数码管，采用共阳极方式连接构成动态显示部分、降低功能。键盘：本设计有Sr，Sc，Sl三个按键，可以方便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模拟开关控制被测频率的自动选择。3） 测量电路：RC振荡电路时利用555振荡电路实现被测电阻和被测电容频率化。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接口自动识别量程，实现自动测量。2系统硬件设计单片机设计电路：本电路使用单片机的内部振荡器，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。在电阻、电容、电感测试系统中，用LED等来显示测量参数的类别和电源指示，既简单又显而易见。下面是一个LED显示接口电路图：电路由6个共阴极数码管、两个74HC573和一个ULN2803组成。其中两个74HC573分别为段和位的锁存器。按键电路图：如下图所示控制R、L、C的三个按键介入一个10K大小的上拉电阻，起到限流保护的作用，当有键按下时为低电平，无按键按下时为高电平测量电阻的电路设计：根据题目要求，采用555多谐振电路，将电阻量转化为相应的频率信号值。考虑到单片机对频率的敏感度，具体的讲就是单片机对10Hz10KHz的频率计数精度最高。所以要选用合理的电阻和电容大小。同时又要考虑到不能使电阻的功率过大，所以在选第一个量程时取R4=200欧，C8=0.22微法（此时Rx=100欧为测量下限）；在第二个量程取R4=20千欧，C8=1000皮法（此时Rx=1兆欧为 测量上限）。 因为RC振荡的稳定性可达0.001，单片机测频率最多误差一个脉冲，因此由单片机测频率引起的误差在0.01以下。 量程自动转换原理：单片机在第一个频率的记录中发现频率过小，即通过继电器转换量程。再测频率，求Rx值。 误差分析：因为 R4+2Rx=1/(ln2)C8f) 所以2Rx=-f/(ln2) C8f*f) 经分析知：由于电路中采用了稳定性良好的独石电容，从理论上讲只要使|C8/C8|小于1%，所测电阻的精度也能小于1%。又由于单片机程序中采用了多位数的浮点运算，其计算精度可远小于1%。电路分为了两个档：测量电容的电路设计：测量电容采用的RC振荡电路与测电阻的振荡电路完全一样。同样也选用两个量程。第一个量程R1=R2=510千欧；第二个量程R1=R2=10千欧。这样可使电容挡的测量范围很宽。 误差分析：同Rx的测量，有：|Cx/ Cx |= |f /f |+|C/C| 已知|f /f |能满足1%以下的精度，而精密的金属膜电阻，其阻值的变化率 |R1/R1|亦满足1%左右的精度。这样电容的测量精度也可以做的比较高。注意：由于建立RC稳定振荡的时间较长，在测量电容和电阻时，应在显示稳定后再读取参数值。 电容的测量采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡路，通过计算振荡电路的输出频率计算被测电容的大小。 电路图如下所示：测量电感的电路设计：以据电感的特点，三点式振荡电路把电感值转换为相对应的频率值。在此处这个三点式振荡电路中，C1,C2分别采用1000皮法和2200皮法的独石电容，因其电容值远远大于晶体管极间电容值，所以可把极间电容值忽略。这样根据振荡频率公式可以确定电感值。 这里要注意：由于单片机采用6MHz晶振，最快只能计几百千赫兹的频率，所以在测电感这一档时，只能用MSI分频后送单片机计数。 误差分析：因为 L=1/4*3.14*3.14*f*f*c 所以|L/ L |= |2f/f|+|C/C| 由此可见，因为|2f/f|相当小，|L/ L |的精度主要取决于电容值的稳定性，从理论上讲，只要|C/C|小于1%，|L/ L |也就能达到相应的水平。一般而言，电容的稳定性，特别是像独石电容一类性能比较好的电容，|C/C|都可以满足小于5%的要求，这样误差精度就能保持在-1%+1%以内。电路图如下所示：多路选择开关电路的设计：利用CD4052实现测量类别的转换，CD4052是差分4通道数字控制模拟开关器件，有A0和A1两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止电流。硬件电路开关如下图：数据处理并用数码管显示模块： 将三个模块产生的信号分别通过三个不同的I/O口与MCS-51单片机相连，同时将数码关于单片机相应的管脚相连接。通过一定的软件过程将相应地被测量参数显示出来。3测试仪软件设计I/O接口的分配在本设计的模块中，模块是单片机的核心，根据每一个不同的功能对R测量程序的选择C测量程序的选择L测量程序的选择以及多路选择开关控制选择、输入及测量指示灯来分配接口。主程序流程图：在电阻、电容、电感测试仪的设计中，便于直观性，在数码管上显示被测参数的选择，被测参数各个等的选择以及具体