毕业设计电阻电容电感测试仪设计

1、毕业设计 课 题: 电阻电容电感测试仪的设计 学生姓名： 李灿炎 学 号： 201234801110 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子g31102 院（系）： 机械与电子信息工程学院 指导教师： 黄文华 职 称： 中级工程师 二 年 月 日毕业设计真实性承诺及指导教师声明学生毕业设计真实性承诺本人郑重声明：所提交的毕业设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计中存在抄袭、

2、造假等学术不端行为，本人愿承担相应的法律责任和一切后果。学生（签名）： 李灿炎 日 期： 指导教师关于学生毕业设计真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生毕业设计所涉及的内容进行严格审核，确定其成果均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。指导教师（签名）： 日 期： 注：此声明由指导教师和学生本人亲笔签名。5湖南电子科技职业技术学院毕业论文（设计）电阻电容电感测试仪的设计摘 要随着电子技术的迅速发展，电子器件用品已经成为人们不可缺少的工具之一。最近一直提倡，节约能源，绿色环保。既然节约能源，本设计是一种基于单片机(89c51)的高精度电阻电感电容

3、测量仪器的设计.本设计采用max038单片压控函数发生器产生高精度的正弦波信号流经待测的电容或者电感和标准电阻的串连电路,利用电压比例计算的方法推算出电容值或者电感值,利用51单片机控制测量和计算结果,采用1602液晶模块实时显示数值,可以手动调节量程,正弦信号发生器可以实现幅值和频率的调整,为了提高精度,我们把被测的交流电压先通过icl7650来消除因为ad637输入电阻较低产生的误差.实验测试结果表明,本设计性能稳定,测量精度高.关键词: 电压比例法 89c51 ad637 1602液晶abstract thedesignisthedesignofahighprecisioninstrum

4、entforrlcmeasurementbasedonmicrocontroller(89c51).thisdesignadoptedmax038monolithicvoltagecontrolledfunctiongeneratortoproducehighaccuracysinewavesignal,whichpassedthroughtheseriescircuitofthecapacityorinductanceandstandardresistance,andthenmeasuredtherespectivevoltageofthecapacityortheinductanceand

5、thestandardresistance.usingthevoltageproportionmethodcalculatedthecapacitancevaluesorinductancevalues.thedesignused51microcontrollertocontrolthemeasurementandcalculationresults,used1602lcdtoshowtheresult.therangecanbeadjustedmanually,sinesignalgeneratorcanadjustamplitudeandfrequencytoimproveaccuracy

6、,wemeasuredtheacvoltagethroughtheicl7650toeliminatetheerrorcausedbythelowerinputresistanceofad637.experimentalresultsshowthattheperformanceofthisdesignisstableandofhighmeasurementaccuracy.keywords: voltageproportionmethod;89c51;ad637;1602lcd; 目录摘 要abstracti第一章 引言 1.1 设计的背景及意义1 1.2 电阻、电容、电感测试仪的发展历史及研

7、究现状2第二章 电压比例法测量原理2 2.1.电阻、电容、电感测试仪设计方案比较2 2.2系统原理框图2 2.3 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计3 2.3.1 mcs-51单片机电路的设计3 2.3.2 led数码电路的键盘电路设计3第三章 系统方案4 3.1系统总体方案设计与结构框图4 3.2mcs-51单片机电路的设计5 3.3led数码管电路与键盘电路的设计6第四章软件设计7 4.1 i/o口的分配8 4.2 主程序流程9 4.3 频率参数计算的原理9第五章 pcb板的设计与系统的调试10 5.1 protel99se的介绍与pcb板的设计10 5.1.2、电路仿真与pld部分10

8、 5.1.3 protel 99 se的功能特性11 5.2 系统调试与系统测试12 5.2.1 系统软件调试13 5.2.2 系统硬件调试13 5.2.3 系统测试14第六章 设计总结与展望14参考文献15致 谢16湖南电子科技职业技术学院毕业论文（设计）第一章、系统开发背景1.1引言 现代电子产品正以前所未有的速度,向着多功能化、体积最小化、功耗最低化的方向发展,机电产品广泛应用于家电、通信、一般工业乃至航空航天和军事领域.无论是日常生活还是高端科技领域,电子技术的应用均日益深入.掌握必备的电子技术基础设计制作基础知识和基本技能,能够满足我国目前产业结构对广大技术工人、工程技术人员基本素质

9、的要求,而且能为从事高端电子系统开发培养能力和素质,适应信息时代的需要. 目前市面上测量电子元器件参数r、c和l的仪表种类较多,方法和优缺点也各有不同.一般的测量方法都存在计算复杂,不易实现自动测量而且很难实现智能化等缺点. 电阻电容电感测量方法较多(谐振法,电桥法,电压比例法等)但因为对于测量仪器来说精度越高越好,所以本设计选择精度比较高的电压比较法做电阻电感电容测试仪,它的原理是将一定频率的交流信号经过串联分压电路转化为电压信号,然后经过电路处理变成频率信号经过单片机进行比例运算,最后将计算出的测量值输送给显示模块并显示各参量对应的量纲.1.2设计背景与意义 目前，随着电子工业的发展，电子

10、元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电阻，电容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。电感测量可依据交流电桥法，这种测

11、量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。由于测量电阻，电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考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的计数端端，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。1.3电阻、电容、电感测试仪的发展历史及研究现状电阻、电容和电感测试发展已经很久，方法众多，常用测量方法如下。电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运

12、算器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法第二章 、 电压比例法测量原理2.1 电阻、电容、电感测试仪设计方案比较z为电感在电路中角频率为1w的等效阻抗,2z为电感在电路中角频率为2w的等效阻抗,l为电感量,

13、sr为电感的等效电阻.为保证测量精度,必须保证电阻的精度和w的高稳定值.为此,我们在该设计中采用max038单片压控函数发生器3-4产生高精度的正弦波信号,同时输出缓冲器采用了运算放大器,为保证波形精度采用了闭环深度负反馈方式,无失真的放大正弦信号.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：1)利用纯模拟电路虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差

14、，测量精度低，现在已较少使用。2)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。3)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。2.2 系统的原理框图系统分四大部分：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

15、，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。系统设计框图如图所示。 2.3 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计2.3.1 mcs-51单片机电路的设计在本设计中，考虑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。

16、2.3.2 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。 与小白炽灯泡和氖灯相比，led的特点是：工作电压很低(有的仅一点几伏)；工作电流很小(有的仅零点几毫安即可发光)；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中常常用作光源。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。第三章 、 系统方案3.1系统总体方案设计与结构框图本电路由电源模块、正弦信号发生

17、器、标准电阻和电感或电容串联分压电路、多路开关、电压跟随器、高精度交流/有效值转换、a/d转换、单片机、液晶显示、键盘等模块组成.系统主要模块流程图如图1所示:3.2mcs-51单片机电路的设计在本设计中，考虑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。mcs-51

18、单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：1)中央处理器：中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。2)数据存储器(ram)：内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的ram只有128个，可存放

19、读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。3)程序存储器(rom)： 共有4096个8位掩膜rom，用于存放用户程序，原始数据或表格。 4)定时/计数器(rom)： 有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 5)并行输入输出(i/o)口： 共有4组8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于对外部数据的传输。 6)全双工串行口： 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 7)中断系统： 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串口西安交通大学城市学院本科生

20、毕业设计（论文）8 中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。8) 时钟电路： 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。3.3led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。与小白炽灯泡和氖灯相比，led的

21、特点是：工作电压很低(有的仅一点几伏)；工作电流很小(有的仅零点几毫安即可发光)；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中常常用作光源。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口输出高电平时，相应的指示灯会灭。发光二极管的接口电路如图所示：在本设计中，led应用于七位数码管中，实现了被测参数的显

22、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，这样显示结果更为简单可行。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 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

23、。单片机片选电路如图所示uln2803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。见图按键电路所示第四章、电阻、电容、电感测试仪的软件设计4.1 i/o口的分配： p1.0 r测量程序的选择 p1.1 c测量程序的选择 p1.2 l测量程序的选择 p1.3-p1.4多路

24、选择开关控制选择 p1.0、p1.1和p1.2按键输入及测量指示灯 在本设计的模块中，模块是以单片机为核心，再通过按键控制测量的被测参数在数码管显示，按键主流程图如所示。4.2 主程序流程在电阻、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，被测参数各个灯的选择以及具体设置。通过三个按键sr,sc,sl来进行灵活控制。 首先插入被测元件，开关打开以后，按下set键，进行复位，然后进行按键选择，选择被测参数类别，之后单片机根据按键类别启动相应的参数测试程序，测试完毕后将结果送入数码管显示。4.3 频率参数计算的原理 本设计频率的计算采用单片机外部中断，对外触发电路产生的脉冲

25、 频率的测量，再通过对测量数据的校正来完成。 单片机对频率测量的原理如下图所示。 电路原理图第五章、pcb板的设计与系统的调试5.1、protel99se的介绍与pcb板的设计 protel99se是应用于windows9x/2000/nt操作系统下的eda设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3d模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，protel99se主要包含以下两大部分和6个功能模块。 5.1.1、电路工程设计

26、部分 （1）电路原理设计部分(advanced schematic 99)：电路原理图设计部分包括电路图编辑器(简称sch编辑器)、电路图零件库编辑器(简称schlib编辑器)和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 (2)印刷电路板设计系统(advanced pcb 99)：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器(简称pcb编辑器)、零件封装编辑器(简称pcblib编辑器)和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。 （3）自动布线系统(advan

27、ced route 99)：本系统包含一个基于形状(shape-based)的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现pcb设计的自动化。 5.1.2、电路仿真与pld部分(1)电路模拟仿真系统(advanced sim 99)：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。(2)可编程逻辑设计系统(advanced pld 99)：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器(waveform)。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用pld系统

28、可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。(3)高级信号完整性分析系统(advanced integrity 99）：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析pcb设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。 5.1.3 protel 99 se的功能特性 1、开放式集成化的设计管理体系 2、超强功能的、修改与编辑功能 3、强大的设计自动 如图所示：5.2 系统调试与系统测试 5.2.1 系统软件调试单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，汇编语言源程序要变为cpu可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手

29、工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于mcs-51单片机的汇编软件有早期的a51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，keil软件是目前最流行开发mcs-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持keil即可看出。keil提供了包括c编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uvision)将这些部份组合在一起。运行keil软件需要pentium或以上的cpu，16mb或更多ram、20m以上空闲的硬盘空间、win98、nt、wi

30、n2000、winxp等操作系统。5.2.2 系统硬件调试本设计的硬件部分通过调试，在调试过程中遇到很多问题，由于本单路是由面包板搭成的，所以电路不稳定。刚开始数码管全亮但是单片机供电出现问题，用万用表测试后发现单片机地线连接断路，问题解决后在显示测试过程中数码管显示不变，然后发现一片573芯片发热，断电后用万用表测试发现连接该573芯片的数据口出现断路，再次更换面包板后，测试显示部分基本正常，有时会出现数码管g段显示不稳定，分析后可能因上次g段数据断路导致573芯片发热有损坏，更换新的573后显示正常。其调试内容为：1)面包板接通电源，西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）2)被测电阻的

31、调试，按下sr键后，闭合开关srg,数码管显示被测电阻20k的阻值，程序在keil4.0软件上运行后，调试数码管全亮显示效果，pcb板的设计与系统的调试3)被测电容的调试，按下sc键后，数码管显示被测电容103的示值: 电容调试经修正后的结果。5.2.3 系统测试(1) 测试原理：在系统设计中，以mcs-51单片机为核心的电阻、电容、电感测试仪，将电阻，电容，电感，使用对应的振荡电路转化为频率实现各个参数的测量。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，将振荡频率送入at89c52的计数端端，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被测参数(2

32、) 测试方法：在测试时将被测参数通过本系统测量出来的示值与参数的标称值进行对比，进而可以知道本系统的测试精度。(3) 测试仪器：示波器，万用表，稳压电源，计算机。(4) 测试结果：通过按键，实现其按键所对应的功能，并观察测试结果，对设计进一步的进行校正和对实现功能的可靠性的确认，并记录观察结果。 测试结果如下： a)电阻测试数据如表所示。电阻测试数据电容测试数据 (4)测试分析：在实际测量中，由于测试环境，测试仪器，测试方法等都对测试值有一定的影响，都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值。为了减小本设计中误差的大小，主要利用修正的方法来减小本测试仪的测量误差。所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中，求取某类系统误差的修正值。在测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键，修正值的获得有三种途径。第一种途径是从相关资料中查取；第二种途径是通过理论推导取第三种途径是通过实验求取。第六章、 设计总结与展望毕业论文是一次非常好的将理论与实际相结合的机会，通过对电阻、电容、电感测试仪的课题设计，锻炼了我的实际动手能力，增强了我解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。 本设计的硬件电路图简单,可降低生产成本。采用单片机可提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统的体积,调试和维护方便，而且以mcs-51单片