基于单片机控制的简易RLC测试仪

基于AT89C52单片机控制的简易RLC测试仪本文所设计的系统是基于AT89C52单片机控制的简易RLC测试仪。为了充分利用单片机的运算和控制功能，方便的实现测量。把参数R、L、C转换成频率信号f，然后用单片机计数后再运算求出R、L、C的值，并送显示。转换的原理分别是RC振荡电路和电容三点式振荡电路。为了比拟准确的测试而频率的计数那么是利用等精度数字频率计完成。然后再将结果送单片机运算，并在LED显示器上显示所测得的数值。通过一系列的系统调试，本测试仪到达了测试标准。经过测试，第1章：绪论1.1电路参数R,L,C电路参数—电阻、电容和电感是电路的三种根本参数，也是描述网络和系统的重要参数，广泛应用于科学研究、教学实验、工农业生产、通信、医疗及军事等领域中。例如在强电系统中，输电线路中的传输线，电气设备中继电器、变压器、发电机等，都是用阻抗参数R、L、C来描述的。人们通过测试阻抗参数可以判定设备的好坏，是否存在故障隐患。在弱电系统中，电路参数元件的好坏、量值的大小直接影响所设计的线路板的正常工作和可靠性。所以对它们的测试具有重要的意义。1.2电路参数的测量方法电路参数的测量通常是把被测参数通过转换电路变成直流电压或频率后进行测量。1.传统的RLC参数测量的方法种类很多，例如：对电阻的测量常用欧姆表直接测量，也可以使用对电阻施加一个电压，利用模拟电表和电流表测量得到电阻两端的电压值和流过电阻的电流值。然后利用欧姆定理计算出电阻值；而对电感或电容的测试常采用测量阻抗角和负阻抗，然后用数学公式计算出电阻和电抗的参数。也可以采用过度过程法测出时间常数，由于电路中使用的固定电阻，所以可以通过计算，得出电抗参数。在要求测试准确度高的地方常采用交流电桥通过调整参数使得电桥到达平衡，读出电感或电容值。上述方法，简单明了，测试也有一定的准确度；但必须采用手工操作，费时费力且测量精度带有一定的人为因素。2.在上世纪70年代后，由于数字电子技术的开展，出现了数字式的RLC测试仪。这种方法通常是把被测参数通过转换电路变成直流电压或频率后进行测量。例如：(1)电阻的测量可采用如图1-1所示的比例运算放大器转换电路，将电阻值变为直流电压输出，然后经过AD转换，测得电阻值。图1-1比例运算器法欧姆转换器图中UN为基准电压源，RN为标准电阻，R2为被测电阻为了减小测量误差，可采用四探针法接线。当测量大电阻时，采用可采用积分运算器法。(2)电容测量可采用恒流法，用恒流法测量电容的原理图以及波形如图1-2所示。恒流源I对电容C充电，经过T时间后充电电荷Q=I•T，此时电容两端的电压U=Q/C，显然只要IT，测出电压U便可按C=I•T/U计算出的电容值。恒流源向C充电，同时时标脉冲CP经与门进入计数器。当Uc值大于UR时，比拟器输出零电平，停止计数。测量结果与电容值成正比。图1-2用恒流法测量电容的原理和工作波形图即(3)时间常数法测量电感一般电感含有线圈电阻R和寄生电容C0，通常C0很小，在工频情况下可以忽略。所以际电感可以视为一纯电感L和电阻R的串联，其时间常数τ＝L/R，测量电感的原理图如图1-3所示。(a)(b)图1-3时间常数法测量电感的根本原理在t＝0时合上开关，电感i中电流将按指数曲线上升，其最大值为I。从图(b)中可看出，在开始阶段变化曲线和t＝0时刻的切线根本重合。令I’<<I，I’与i交点的横坐标为ΔＴ，从图中可知：即只要先测出电感线圈的直流电阻，并Us便可计算出I，或者保证每次测量回路的直流电阻相等，使得到的I为定值，那么由测定的ΔＴ即可求得τ，从而算出L＝τR。RLC测量和电子测量仪器的开展一样呈现出以下几个趋势：第一，数字化与集成化模块化趋势。便携式仪器越来越多，使用者要求集成化、微型化，无论高档还是低档仪器，数字化越来越普及。随着微电子技术的开展，数字电路的本钱越来越低。第二，智能化趋势。具有很强的自校准、自诊断、自补偿和存储、计算、报表输出功能。例如，虚拟仪器，利用计算机软件虚拟传统仪器的功能，一台电子仪器，可测量多种参数，具有多种用途。第三，网络化趋势。通过局域网或Internet来控制和使用电子仪器，可以工程技术人员远在千里之外仍能遥控仪器和获取结果。总之，电子测量仪器向着精度更高，可靠性更好，以及本钱更低，便于使用的方向开展。随之电子技术的飞速开展，对于被测的RLC参量，可以通过参数转换器变换成电压、电流或时间来进行测量。1.3《基于振荡的单片机电阻、电容和电感测试仪》具体要求如下：1.测量范围是：〔1〕电阻：100－1M。〔2〕电容：100pF－10000pF。〔3〕电感：100uH－10mH2.技术要求：〔1〕测量准确度：±5％〔2〕四位数码管显示测量数值，并用另外四位数码管指示类型和单位。3.工作内容：〔1〕组建基于振荡的测电阻、电容和电感的总体结构框图。〔2〕根据设计测量范围和准确度要求，设计测电阻、电容和电感的调理电路，配置标准。通过理论分析和计算选择电路参数。〔3〕根据操作功能要求，确定键盘控制功能。〔4〕按设计要求确定显示位数、指示类型和单位。〔5〕采用C语言编写应用程序并调试通过。〔6〕对系统进行测试和结果分析。〔7〕写出论文。本设计论文的结构安排：第1章：绪论；第2章：基于振荡的电阻、电容和电感的测试原理；第3章：测试仪的硬件系统设计；第4章：系统的软件设计；第5章：系统的调试与测试；第6章：结论与展望。第2章：基于振荡的电阻、电容和电感的测试原理的总体框图系统测量原理的总体框图如图2-1所示单片机单片机多路选择开关频率按键LED显示器RC振荡器RC振荡器电容三点式振荡器被测电阻被测电容被测电感图2-1系统测量原理的总体框图右图中可知，本文所采用的参数测量的方法是基于振荡器原理，通过将被测参数接入振荡电路中，产生振荡频率输出，采用测频率方法间接获得被测参数的值。基于振荡电阻和电容的测量原理由数字电子技术根底可知，最简单的由555定时器构成的多谐振荡器电路如下图，其工作波形如图2-2所示。(a)(b)图2-2555定时器接成的多谐振荡器及工作波形图555外接定时电阻、和电容构成的多谐振荡器电路如图2-2所示，由图可见，它将高电平触发端TH和低点平触发端TR相连，且放电回路中还串接了一个定时电阻。电路的工作原理可对照图2-2〔b〕所示工作波形图来分析。当接通电源时，如电容上的初始电压为0，那么处于高电平，放电管T截止，电源通过、向充电，经过时间后，到达高触发电平〔/3〕,由1变成0，这时放电管T导通，电容通过电阻放电，到时，下降到低触发电平〔/3〕,又翻回到1状态，随即T又截止，电容又开始充电。如此周而复始，重复上述的过程。就可以在输出端得到矩形波电压。现在计算此电路的振荡周期。为了简单起见，设组件内运放、的输入电阻为无穷大，并近似的认为放电管T截止时，DIS端对地的等效电阻为无穷大，而放电管T导通时，管压降为零。现以为起始点，可得充电时间为假设以为起始点，可得电容的放电时间为由此可得方波的周期为，频率为振荡频率主要取决于时间常数和，改变和参数可改变振荡频率，幅度那么由电源电压来决定。所以，当该电路用来测量电阻时，只需选择标准电容和标准电阻，那么，就是被测电阻。换句话讲原来接的位置上，接上被测。这样，通过测得振荡器的输出频率就可以利用上式计算出的值。当测电容时，将和接标准电阻，而被测电容替换原电路中的。同理，通过测量输出频率，利用上式算出的值。电感的测量原理电容三点式振荡电路如图2-3所示，它的根本结构与电感三点式一样，只是将并联谐振回路中的电感与电容互换。三极管的三个电极直接与两个电容器的三点相连，因此称为电容三点式振荡电路。当断开反应回路，设在放大器的输入端加一瞬时极性为的输入信号，由于并联谐振电路在谐振频率时呈现纯电阻性，所以放大器的输出电压与输入电压反相〔〕。反应信号取自电容器，其极性为上端为，而下端为。又由于输出电压等于电容器两端的电压，其极性为上端为，而下端为。和的公共端为零电位。因此，与反相〔〕，形成了反应，满足相位平衡条件。图2-3电容三点式振荡电路适中选取，的比值，以获得足够的反应量，并使放大电路具有足够的放大倍数，使振幅平衡条件得到满足，电路就能产生自激振荡。电容三点式振荡电路的振荡频率为其中电容三点式振荡电路的反应电压从电容器的两端取得，所以对高次谐波的阻抗较小，输出波形较好。而且和可以选的很小，因而振荡频率可以很高，一般可以到100以上。由公式可以知道，振荡频率根本上由电感和电容决定，因此改变电容即可调节振荡频率。当该电路用来测量电感时，只需选择标准电容和，那么，就是被测电感。换句话讲原来接的位置上，接上被测电感。这样，通过测得振荡器的输出频率就可以利用上式计算出。频率测量的原理1.等精度测频、测周期法的工作原理等精度测频法原理如图2-5所示图2-5等精度测频原理由图中可知，被测信号经放大整形电路后分别接至D触发器的端和与门〔上〕，D触发器的功能是实现被测信号与预置门控信号同步以产生一个宽度为整数倍的闸门信号，该闸门信号在高电平期间，控制A计数器的计数值。闸门信号的另一路与时标脉冲相与后进入计数器B计数。计数器A和计数器B在闸门信号宽度相同的情况下，分别对测量信号〔频率为〕和标准频率信号〔频率为〕同时计数。当预置门信号变为低电平时，随后而至的被测信号的上升沿同步将使两个计数器关闭。两个计数器的计数值经运算电路运算后，输出显示被测信号的频率。2.等精度数字频率计的数据处理工作波形如图2-6所示，设在一次预置门时间P内对被测信号的计数值为，对时标信号的计数值为，那么有下式成立：由此可得：〔2-4〕图2－6等精度数字频率计工作波形显示原理本设计采用LED显示器用于数字显示。LED显示器是由发光二极管组成的显示字段的器件。通常的八段LED显示器是由八个发光二极管组成〔包括小数点〕。LED显示器是由发光二极管组成显示字段的器件。通常的八段LED显示器是由八个发光二极管组成〔包括小数点〕，如图6-1〔c〕所示。图6-17段LED显示器外形、管脚及原理图LED显示器分共阳极和共阴极两种。假设共阳极LED显示器的公共端〔3、8通常称为位线〕为高电平时，而a端〔7脚称为段线〕又为低电平时，a段发光二极管发光，同理，假设共阴极LED显示器公共端〔3、8〕接低电平时，a端〔7脚〕又为高电平时，a段二极管发光。当LED显示器每段的平均电流为5mA时，就有比拟满意的亮度，一般选择5mA～10mA电流。LED显示器的显示方式有静态和动态两种。在静态显示中，各个字段连续通过电流，而动态显示的字段是断续通过电流的。在动态显示中，逐次把所需显示的字符显示出来。在每点亮一个数码显示器之后，必须持续通电一段时间，使之发光稳定，然后再点亮另一个显示器，如此巡回扫描所有的显示器。虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但人的视觉以为每个显示器都在稳定的显示。当电源电压为5V时，选择的限流电阻的范围为200～510。第3章：硬件电路设计3.1等精度数字频率计的系统框图的设计等精度数字频率计的系统框图如图3-1所示，被测信号和标准频率信号进入调理整形电路后进行放大和整形，经过放大和整形之后的信号和进入等精度测频逻辑电路，经过逻辑电路后进入接口电路，最后送入单片机控制系统进行一系列的运算，和标准频率进行比拟后送入显示电路进行显示。图3-1频率计硬件系统框图等精度数字频率计的系统电路设计单片机与外围电路的设计单片机系统及外围电路如图3-2所示。图中START为开关按钮，按下时开关将使程序转入选择显示频率的值，否那么显示状态为零。S13为按钮开关，按下此开关那么将程序载入可编程逻辑器件CPLD中。ISP为程序下载接口，其作用是将PC机上调试好的程序经编译后写入单片机内程序储存器中。所接按钮开关，其作用是按下按钮开关启动T0计数。、所接按钮开关，其作用是进入显示状态。图3-2单片机系统电路设计3.2.2单片机与显示电路接口如图3-4所示，其中六位共阴极LED有6根位选线和6×8根段选线。由段选线控制字符的选择，而位选线有效时，控制该显示位的点亮。图中，接入8510Ω阻排是为了增强驱动能力，当573输出为低电平时，阻排各电阻中流过的电流灌入573的输出端，显示器不被点亮，当573输出高电平的时，位选为低电平的显示器被点亮，通常显示二极管点亮时，压将为1.6V左右，加上1413的低电平0.3V，使573的输出被嵌位在2V左右，而电流那么是由573的输出电流和阻排电流共同供应约6mA左右。这样接法比拟实用，阻排接入也比拟简单。如果将74LS573换成74HC573阻排也可以不接。因为74HC573的高电平输出根本就可提供6mA的拉电流。如果不想让573的逻辑电平下降到2V左右，而保持到3V以上那么应采用串入电阻后接三极管射级跟随的方法驱动。段地址：8000H~BFFFH位地址：4000H~7FFFH片选/Y0：C000H~C7FFFH；/Y3：D800H~DFFFH；片选/Y1：C800H~CFFFH；/Y4：E000H~E7FFFH；片选/Y2：D000H~D7FFFH；/Y5：E800H~EFFFH；图3-47段LED显示接口CPLD与单片机的接口设计1.CPLD与单片机的接口设计如图3-5所示图3-5CPLD与单片机的接口设计2．CPLD测量频率模块逻辑设计图3-6中，框外D触发器、两个反相器和过零比拟器组成输入信号调理电路，其中输入信号经比拟器输出后变为方波信号，为了使方波的上升沿和下降沿陡峭，后面又加了两个斯密特反向器，整形后作为预置闸门的同步信号。图3-6CPLD测量频率模块的整体框中内容为CPLD所实现的逻辑功能，逻辑电路的写入方法采用在调试软件：QuartusII5.0下输入逻辑电路图，然后经编译后，直接生成代码，经JTAG下载。3.3测量电路设计测电阻Rx的RC振荡电路图3-3是一由555电路构成的多谐振荡电路。它的振荡周期为：即图3-3测电阻的RC振荡电路为了使振荡频率保持在1MkHZ以内这一频率计计数的高精度范围内，需选择适宜的值和值。同时不使电阻功耗太大，选择：=200Ω,；当=100Ω时：当RX=1MΩ时：3.3.2如图3-4，测量CX的RC振荡电路与测RX的振荡电路完全一样。假设R1=R2，那么图3-4测量电容的RC振荡电路选择R1=R2=100KΩ，当CX=100时：当CX=10000时：3.测LX的电容三点式振荡电路如图3-5，在这个电容三点式振荡电路中，C1、C2分别采用1000pF和1000pF的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。根据振荡频率公式: ，其中 对于100H的电感 由于单片采用12MHz晶振晶,最快只能计几百kHz的频率,因此在测电感这一档时,应分频后再送单片机计数。图3-5测量电感Lx的电容三点式振荡电路4.测试系统的软件设计系统软件的总体流程图图4－1系统软件的总体流程图不管是电阻、电容还是电感，都是转为频率后再测量的，因此频率或周期的测量是本软件的核心，其精度会直接影响到本仪表的精度。频率或周期的测量可以利用频率计的功能来实现频率计数。如图4-2所示，通过选择开关选择被测量的参数，其中P1.2、P1.3、P1.4分别对应电阻、电容和电感。图4-2选择开关频率计数的软件流程图如图4-3所示。图4-3频率计数的软件流程频率计数的源程序#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<absacc.h>#defineucharunsignedchar#defineSEGMENTXBYTE[0x1000]#defineBIT_LEDXBYTE[0x2000]#defineCOUNT1XBYTE[0x2800] //定义6个数据锁存区的地址#defineCOUNT2XBYTE[0x2000]#defineCOUNT3XBYTE[0xd800]#defineCOUNT4XBYTE[0xd000]#defineCOUNT5XBYTE[0xc800]#defineCOUNT6XBYTE[0xc000]sbitCTRL=P1^1; //定义门控信号sbitSTART=P1^4; //定义启动信号sbitR=P1^2; //定义门控信号sbitC=P1^3; //定义门控信号unsignedget_code(unsignedchari);unsignedintcount=0,K1,K2,K3;unsignedcharb[6];chara[6]; //定义2个缓冲区数组voidtime0_init() //定时器0初始化{ TMOD=0x01; TL0=0xb0; TH0=0x3c; ET0=1;}unsignedget_code(unsignedchari)//段码值表{unsignedcharp;switch(i){ case0:p=0x3f;break;//'0' case1:p=0x06;break;//'1' case2:p=0x5b;break;//'2' case3:p=0x4f;break;//'3' case4:p=0x66;break;//'4' case5:p=0x6d;break;//'5' case6:p=0x7d;break;//'6' case7:p=0x07;break;//'7' case8:p=0x7f;break;//'8' case9:p=0x67;break;//'9' default:break; } return(p);}voidtime0_int(void)interrupt1 //定时器0中断函数{ count++; TL0=0xb0; TH0=0x3c;}voiddelay(unsignedinttime)//延时函数{ while(time--);}main(){ ucharj=0,k; uchari=1; CTRL=0; //复位门控信号 time0_init(); //初始化定时器 EA=1;while(START); //查询是否有启动信号while(!START);delay(1000000);//延时1sTR0=1;TL0=0xb0;TH0=0x3C;count=0;CTRL=1; //开启门控信号while(count!=20);//延时1000msCTRL=0;TR0=0;TL0=0xb0;TH0=0x3c;a[0]=COUNT1; //从数据锁存区读回计数值a[1]=COUNT2;a[2]=COUNT3; a[3]=COUNT4; a[4]=COUNT5; a[5]=COUNT6; b[0]=a[2]>>4; //将计数值送入数组，以便查询相应段码 b[1]=a[2]&0x0f; b[2]=a[1]>>4; b[3]=a[1]&0x0f; b[4]=a[0]>>4; b[5]=a[0]&0x0f;result=b[0]+b[1]*10+b[2]*100+b[3]*1000+b[4]*10000+b[5]*100000;if(R=0){result=result/K1; b[0]=result/100000%10; b[1]=result/10000%10; b[2]=result/1000%10; b[3]=result/100%10; b[4]=result/10%10; b[5]=result%10;} elseif(C=0) { result=result/K2;b[0]=result/100000%10; b[1]=result/10000%10; b[2]=result/1000%10; b[3]=result/100%10; b[4]=result/10%10; b[5]=result%10; } else{ result=result/K3;b[0]=result/100000%10; b[1]=result/10000%10; b[2]=result/1000%10; b[3]=result/100%10; b[4]=result/10%10; b[5]=result%10; }while(1) //通过LED动态显示计数值 { k=b[j]; BIT_LED=i;SEGMENT=get_code(k);j++; i=i<<1; delay(200); if(i==0x40) {i=1; j=0; }}}调试仪器：方波发生器和示波器，调试工具:1.调试软件：Keil51，ISP烧写线〔单片机调试用〕2．调试软件：QuartusII5.0〔CPLD编程用〕，JTAG下载线考前须知：用示波器或数字表测试CPLD的管脚时，尽量不在CPLD的管座上直接测量，以免造成接触不良。硬件调试方法将系统划分成假设干个功能模块，并编写简单的测试程序，验证系统硬件设计的正确性。本系统划分为以下五个功能模块：振荡器模块、单片机最小系统、显示系统、CPLD中的计数、控制局部和输入调理局部。调试1.振荡器模块调试根据第3章图，分别用示波器进行调试，看是否起振。2.根据原理图焊接单片机最小系统，并检测系统晶振是否正常运作〔示波器〕晶振频率为12M，用示波器检测晶振管脚信号和ALE有无即是否正常。3.根据原理图焊接CPLD管座，检查无误后，插入CPLD，给CPLD内写片选逻辑，CPLD片选逻辑如图5-1所示，用写入CPLD，调试LED。图5-1CPLD片选逻辑调试LED步骤如下：1〕给单片机写入简单的循环执行程序，检查段选和位选信号控制信号是否正常该调试程序如下：#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<absacc.h>#defineSEGMENTXBYTE[0x1000] //定义段选地址#defineBIT_LEDXBYTE[0x2000] //定义位选地址main(){while(1) { BIT_LED=0x01; //任意给一位选地址SEGMENT=0x3f; //任意给一段选地址 }}结果：示波器上可连续显示位和段选信号，说明控制逻辑正常2〕给段码写入“8”，逐次从最高位向右改变位码地址，每次使选中位LED点亮，并显示数字“该调试程序如下：#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<absacc.h>#defineSEGMENTXBYTE[0x1000]//定义段选地址#defineBIT_LEDXBYTE[0x2000]//定义位选地址main(){while(1) { BIT_LED=0x01; //位选第一个LEDSEGMENT=0x7f; //段码值给“ }} 依次编译并执行BIT_LED赋值0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20，使位码地址从高位到低位改变，分别观察LED显示结果。完成以上2步证明硬件正常3〕在单片机中开辟显示缓冲区，并将给定数字“654321”完成该步骤说明显示器工作正常，显示子程序也工作正常该调试程序如下：#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<absacc.h>#defineucharunsignedchar#defineSEGMENTXBYTE[0x1000]//定义段选地址#defineBIT_LEDXBYTE[0x2000]//定义位选地址unsignedcharb[6]; //定义缓冲区数组unsignedget_code(unsignedchari) //段码值表{unsignedcharp;switch(i){ case0:p=0x3f;break;//'0' case1:p=0x06;break;//'1' case2:p=0x5b;break;//'2' case3:p=0x4f;break;//'3' case4:p=0x66;break;//'4' case5:p=0x6d;break;//'5' case6:p=0x7d;break;//'6' case7:p=0x07;break;//'7' case8:p=0x7f;break;//'8' case9:p=0x67;break;//'9' default:break; } return(p);}voidmain(){ uchari=1,j=0,k,n;b[0]=6; //将给定数字写入数组 b[1]=5; b[2]=4; b[3]=3; b[4]=2; b[5]=1;while(1) //动态显示数组中的给定数字 { k=b[j]; BIT_LED=i;//给位码值SEGMENT=get_code(k);//给段码值j++; i=i<<1; if(i==0x40) {i=1; j=0; }for(n=0;n<200;n++); }}4.调同步逻辑在MSC-51中编写给定脉宽“1000ms〞的门控信号，输入1KHz信号，观察同步脉宽用示波器观察同步后的同步给定脉冲，说明该同步脉冲为1s该调试程序如下：#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<absacc.h>#defineucharunsignedcharsbitCTRL=P1^1; //定义门控信号sbitSTART=P1^4; //定义启动信号unsignedget_code(unsignedchari);unsignedintcount=0;voidtime0_init() //定时器0初始化{ TMOD=0x01;//把工作方式控制字写入TMOD存放器中； TL0=0xb0;//定时器初值 TH0=0x3c;